В зависимости от принципа действия электроизмерительных приборов различают различные системы их устройства.

 

Приборы электромагнитной системы, нашедшие наибольшее применение для технических измерений, используются для измерений в цепях переменного и постоянного токов. Принцип действия прибора электромагнитной системы основан на свойстве катушки А (рис. 8.1), включенной в цепь тока, втягивать стальной якорь — сердечник, который выполнен в виде пластинки Б, связанной с указателем — стрелкой С. Угол отклонения стрелки, а следовательно, и показания прибора зависят от значения измеряемого тока или напряжения.

Катушка вольтметра обычно имеет большое число витков тонкого изолированного провода. Чтобы увеличить внутреннее сопротивление прибора, последовательно с катушкой включен добавочный резистор встроенный в корпус прибора. Вольтметры предназначаются для измерения напряжения между фазами сети на клеммах электроприбора, их включают параллельно источнику тока или электроприбору.

Амперметр, который предназначен для измерения силы тока в электрической цепи, включают последовательно с токоприемником. Поэтому обмотку амперметра выполняют из более толстого провода с малым внутренним сопротивлением. Нельзя включать амперметр параллельно источнику тока! Прибор может выйти из строя или из-за перегорания обмотки, или от повреждения стрелки при ее сильном отклонении за пределы шкалы.

Вольтметры и амперметры магнитоэлектрической системы можно использовать только в цепях постоянного тока. Принцип их устройства показан на рисунке 8.2. Постоянный магнит создает постоянное магнитное поле, в котором находится катушка, связанная со стрелкой прибора. При включении катушки К в цепь постоянного тока вокруг нее образуется магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита и вызывает отклонение стрелки вправо или влево (в зависимости от направления тока в катушке). При включении такого прибора в цепь переменного тока стрелка С не успевает следовать за изменением направления тока. Она вибрирует около нуля. При этом обмотка прибора может перегореть.

Приборы выпрямительной системы, представляющие собой комбинацию магнитоэлектрического механизма и выпрямителя, могут применяться для измерения в цепях переменного и постоянного токов частотой до 10 кГц.

Выпрямительные приборы дают точные показания только при синусоидальной форме кривой тока или напряжения. Если форма кривой искажена, то для приборов этой системы характерна погрешность. С целью уменьшения температурных и частотных влияний в схемы вводят специальные, компенсаторы.

Приборы термоэлектрической системы представляют собой комбинацию весьма чувствительного магнитоэлектрического механизма и термопары, которая реагирует на степень нагрева элемента, проводящего ток, и вызывает отклонение стрелки магнитоэлектрического измерительного механизма.

Приборы электродинамической системы, в частности ваттметры, имеют две катушки — подвижную и неподвижную. Одна го них включена параллельно нагрузке, другая — последовательно с ней. Прибор имеет четыре зажима — от каждой катушки по два. Чтобы правильно включить прибор, конец последовательной (токовой) обмотки прибора, который должен быть соединен с цепью со стороны источника тока, обозначают звездочкой. Звездочкой также маркируют конец параллельной обмотки (обмотки напряжения), который должен быть соединен с токовой обмоткой (рис. 8.3).

Ваттметр показывает только активную мощность, потребляемую нагрузкой Н независимо от силы общего тока, который определяется и активной и реактивной составляющими. Рассмотрим некоторые варианты нагрузки.

1.  Чисто активная нагрузка — в цепь переменного тока включен резистор R (рис. 8.4, а). Вектор тока нагрузки совпадает по фазе с вектором напряжения источника. Коэффициент мощности равен единице (соsφ = 1). Ваттметр показывает значение мощности Р, амперметр — силу тока I, вольтметр — значение напряжения U. При этом

Р = U I cosφ = U I.

2.  Чисто индуктивная нагрузка (идеальный случай) — в цепь переменного тока включен лишь индуктивный элемент X_L (рис. 8.4, б).

Вектор тока нагрузки отстает от вектора напряжения источника на угод 90°, то есть cosφ = cos90° = 0. Ваттметр показывает нулевое значение:

P = U I cosφ = U I• 0.

Произведение показаний вольтметра U и показаний амперметра I дает реактивную мощность (вар):

Q_L = UI.

3. Смешанная нагрузка — в цепь включены резистивный R и индуктивный X_L элементы (рис. 8.4, в). Общий ток I представляет собой геометрическую сумму активного I_a, и индуктивного I_L токов. Коэффициент мощности cosφ больше нуля, но меньше единицы. Ваттметр покажет значение мощности Р = U I cosφ = U I_a.

Произведение показаний вольтметра на показания амперметра даст значение полной мощности (В • А):

S = UI.

Реактивная мощность может быть подсчитана по формуле

Q=√S²—P² .

Случай 3 наиболее характерен для производственных условий, так как активный и индуктивный токи потребляют все токоприемники, в которых создаются электромагнитные поля; электрические двигатели, трансформаторы, генераторы и т. д.

Приборы электромагнитной и электродинамической систем (последние в большей степени) подвержены влиянию внешних магнитных полей, искажающих действительные результаты и вносящих погрешности в измерения.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей приборы экранируют — измерительную систему помещают в кожухи и корпуса из стали или применяют специальное механизмы астатического устройства (ACT). Такие приборы предназначаются для точных лабораторных измерений.

На рисунке 8.5 показано устройство астатического механизма электромагнитной (а) и электродинамической (б) систем. По сути дела здесь имеются два измерительных механизма, воздействующих на общую ось. Катушки включены так, что их магнитные поля направлены в разные стороны, но вращающие моменты, приложенные к стрелке, направлены в одну сторону. В таком приборе при воздействии внешнего магнитного поля поле одной катушки усиливается, а поле второй катушки ослабляется. Таким образом, результирующее действие внешнего магнитного поля компенсируется, становится равным нулю.

Схемы устройства (а) и включения (б) счетчика электрической энергии индукционной системы приведены на рисунке 8.6. Счетчик имеет дар обмотки — параллельную ОН, включенную на напряжение, и последовательную ОТ, через которую протекает ток, потребляемый электроприборами.

Магнитные потоки Ф от последовательной и параллельной обмоток пересекают край алюминиевого диска Д, в котором наводятся местные вихревые токи, порождающие в нем магнитные поля. Последние, взаимодействуя с основными магнитными потоками, приводят диск во вращение. Число оборотов диска регистрируется счетным механизмом СМ, который дает отсчет в гектоватт-часах или в киловатт-часах.

Магнит М предназначен для торможения диска при выключенной нагрузке. Диск пересекает магнитное поле постоянного магнита, и вокруг места пересечения диска магнитными линиями возникает вихревой ток, порождающий магнитный поток, который, взаимодействуя с полем магнита, препятствует вращению диска.

Внутреннее сопротивление амперметра, а также последовательной катушки ваттметра или счетчика ориентировочно принимается не менее чем на два порядка (в 100 раз) меньше сопротивления нагрузки, а внутреннее сопротивление вольтметра (параллельной катушки ваттметра или счетчика) — не менее чем на два порядка больше сопротивления нагрузки.

Существуют также приборы электростатической, ферродинамической, электронной систем.

Следующая >