Электромагнитные измерительные приборы

Измерительные механизмы. В электромагнитных механизмах (рис. 2.13) для создания вращающего момента используют действие магнитного поля катушки 1 с током на подвижный пермаллоевый лепесток 2, эксцентрично насаженный на оси 4 прибора.

Противодействующий - момент создается спиральной пружиной 3. При прохождении по неподвижной плоской катушке измеряемого тока I возникает магнитное поле, которое, воздействуя налепесток 2, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей, т. е. втянуть лепесток внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту. Энергия магнитного поля катушки с током  где L - индуктивность катушки. Вращающий момент

                    (2.31)

Угол отклонения подвижной части механизма определяют из равенства

                     (2.32)

Рисунок 2.13 – Устройство электромагнитного измерительного механизма

Шкала прибора квадратичная, поэтому она в начале сжата, а в конце растянута. Поскольку α является функцией , знак угла поворота не зависит от направления тока в катушке, поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерения в цепях постоянного или переменного тока. Если по катушке пропустить переменный ток i, то мгновенное значение вращающего момента     

                         (2.33)

Прибор реагирует на среднее значение вращающего момента:

                (2.34)

где I - среднеквадратичное значение тока; Т- период переменного тока.

Из (2.34) следует, что отклонение подвижной части механизма пропорционально среднеквадратичному значению измеряемого тока. Успокоение в приборе воздушное или магнитоиндукционное. Электромагнитные приборы конструктивно выполняются как с плоской катушкой, так и с круглой.

К достоинствам электромагнитных приборов следует отнести простоту инадежность, хорошую перегрузочную способность и одинаковую пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного тока, к  недостаткам, - большое собственное потребление энергии, невысокую точность_(при измерениях в цепях постоянного тока сказывается явление гистерезиса в ферромагнитном лепестке), малую чувствительность, влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.     

Электромагнитные приборы применяют как измерители тока и напряжения преимущественно в цепях переменного тока промышленной частоты в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и многопредельных лабораторных классов 0,5 и 1,0. Использование их в цепях повышенной и высокой частоты недопустимо из-за больших дополнительных частотных погрешностей. 

Рисунок 2.14 – Схема включения амперметра с измерительным трансформатором тока

Амперметры и вольтметры. Диапазон измерения токов весьма широк. Для стационарных измерений используют однопредельные амперметры, для переносных — многопредельные амперметры с секционированными катушками. Переключение одинаковых секции катушки с последовательного  соединения на параллельное позволяет получать пределы измерения у амперметров с соотношением 1:2:4. Секции катушки можно выполнять с разным числом витков из проволоки различного диаметра.

Применение шунтов для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров нерационально, так как это приводит к увеличению мощности потребления приборами, громоздкости и дороговизне.            

Пределы измерения амперметров расширяют с помощью измерительных трансформаторов тока ТТ. Первичная обмотка трансформатора тока с меньшим числом витков включается последовательно в цепь измеряемого тока I_1,  а к зажимам вторичной обмотки с большим числом витков подсоединяется амперметр А (рис. 2.14, где Л_1, Л₂ — зажимы первичной обмотки;

И₁ И₂ — зажимы вторичной обмотки).

Измеряемый ток определяют посредством умножения показаний амперметра на номинальный коэффициент трансформации тока , т.е.

        (2.35)

Шкала амперметра может быть отградуирована в значениях измеряемого тока. Впаспорте трансформатора тока указывают предельное значение сопротивления, на которое может быть замкнута вторичная обмотка. Нормальным режимом для трансформатора тока является режим короткого замыкания. При размыкании вторичной цепи трансформатора тока резко повышается напряжение на вторичной обмотке от единиц вольт до нескольких киловольт, что опасно и может привести к перегреву сердечника трансформатора и пробою изоляции. Во избежание размыкания предусмотрен ключ К. Вторичная обмотка трансформатора тока заземляется для того, чтобы при случайном пробое изоляции между ней и первичной обмоткой обезопасить обслуживающий персонал от соприкосновения с цепью высокого напряжения.

Лабораторные измерительные трансформаторы тока изготовляются на номинальные напряжения 0,5 – 35 кВ; номинальные первичные токи 0,1—25 000 А; номинальные вторичные токи 5 А для всех частот и 1 А. Для трансформатора тока характерны погрешности в передаче значений тока, фазы (угловая погрешность). Классы точности трансформаторов токов  0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Рисунок 2.15 – Схема включения вольтметра с измерительным трансформатором напряжения

         Измерительная цепь электромагнитного вольтметра представляет собой последовательное соединение неподвижной катушки и добавочного резистора. Ток полного отклонения вольтметра равен 25 – 50 мА, с понижением предела измерения это значение возрастает и достигает 100 – 200 мА при напряжении 15 – 30 В. Добавочные резисторы применяют в многопредельных вольтметрах с наибольшим пределом измерения 600 В. Пределы измерения электромагнитного вольтметра могут быть расширены с помощью измерительных трансформаторов напряжения ТVN (рис. 2.15), где A, X — зажимы первичной обмотки; а, х — зажимы вторичной обмотки. Первичную обмотку трансформатора напряжения с малым числом витков подключают параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжением U_1, вторичную обмотку с напряжением U₂ и малым числом витков соединяют с вольтметром.

Вторичная обмотка замкнута на большое сопротивление, вследствие чего токи в обмотках малы и трансформатор напряжения работает в условиях, близких к холостому ходу.

Трансформатор напряжения представляет собой маломощный силовой трансформатор.

Измеряемое напряжение определяют посредством умножения показаний вольтметра на номинальный коэффициент трансформации
 k_{U ном}, т.е.

              (2.36)

Шкала вольтметра может быть отградуирована в значениях первичного напряжения.

В паспорте трансформатора напряжения указывают его номинальную мощность, которая должна быть больше или равна сумме мощностей потребления включенных приборов.

Для трансформатора напряжения характерны погрешности в передаче значений напряжения, фазы. Классы точности трансформаторов напряжения 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

   Расширение пределов измерения электромагнитных амперметров и вольтметров сопряжено с увеличением погрешности измерения.