Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Вопрос 19
Аналоговыми называют приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Стрелочные аналоговые приборы содержат отсчетное устройство, состоящее из шкалы и указателя, и измерительный механизм. Измерительный механизм воспринимает энергию измеряемого сигнала и преобразует ее в угловое перемещение некоторой подвижной части, жестко связанной с указателем. Для перемещения подвижной части необходимо, чтобы на нее действовал вращающий момент. Если на подвижную часть никакие другие силы не действуют, то она отклонится настолько, сколько допускает конструкция. Отклонение будет максимальным независимо от величины вращающего момента. Для соответствия каждому значению вращающего момента величины отклонения подвижной части, необходим противодействующий момент, направленный навстречу вращающему моменту и возрастающий по мере увеличение угла поворота. Обычно такой противодействующий момент создается одной или двумя спиральными пружинами, которые при повороте подвижной части закручиваются (или раскручиваются). Подвижная часть поворачивается до тех пор, пока возрастающий противодействующий момент не окажется равным вращающему моменту. При необходимости пружины служат для подвода тока к подвижной части прибора. Часто противодействующий момент создается упругими растяжками, на которых подвешивается подвижная часть.
В процессе движения к положению равновесия подвижная часть, накопив некоторую кинетическую энергию, по инерции проходит это положение, а затем начинает совершать колебания. Если не принимать специальных мер, время, необходимое для установления отклонения, становится недопустимо большим. Для уменьшения времени успокоения используются специальные устройства - успокоители. Они строятся так, чтобы момент успокоения возникал лишь при движении подвижной части.
Основные технические требования, которым должны удовлетворять электроизмерительные приборы, сформулированы в ГОСТ 22261-76. Имеются стандарты на отдельные элементы приборов. Например. ГОСТ 9444—74 посвящен растяжкам и подвесам, ГОСТ 23217-78 — условным обозначениям, наносимым на приборы. Условные обозначения наносимые на электроизмерительные аналоговые приборы нормированы ГОСТ 23217-78. Этот стандарт полностью соответствует Публикации МЭК 51. Международная электротехническая комиссия рекомендовала так же обозначения основных единиц и их кратных и дольных значений, рода тока, безопасности, используемого положения прибора, класса точности, обозначение принципа действия прибора. Некоторые из этих обозначений приведены в таблице 6.2.
Таблица 6.1.
|
N |
Тип прибора |
Обозначение принципа действия |
|
1 |
Магнитоэлектрический прибор с подвижной катушкой |
|
|
2 |
Магнитоэлектрический логометр с подвижными катушками |
|
|
3 |
Электромагнитный прибор |
|
|
4 |
Электродинамический прибор |
|
|
5 |
Ферродинамический прибор |
|
|
6 |
Электростатический прибор |
|
|
7 |
Термопреобразователь изолированный |
|
|
8 |
Термопреобразователь неизолированный |
Таблица 6.2.
|
N |
Параметр |
Условное обозначение |
|
1 |
Класс точности при нормировании приведенной погрешности, например , 1,5 |
1,5 |
|
2 |
То же, при нормировании приведенной погрешности в процентах от длины шкалы |
1,5 |
|
3 |
Горизонтальное положение шкалы |
|
|
4 |
Вертикальное положение шкалы |
|
|
5 |
Наклонное положение шкалы под определенным углом к горизонту, например, 600. |
600 |
|
6 |
Направление ориентировки прибора в земном магнитном поле |
N S |
|
7 |
Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением, например 2 кВ |
2 |
Вопрос 20 Магнитоэлектрические измерительные механизмы.
Конструкция прибора магнитоэлектрической системы показана рис. 6.1. Между полюсами постоянного магнита расположены полюсные наконечники N и S с цилиндрической расточкой. Магнитное поле замыкается через сердечник «а» цилиндрической формы, выполненный из магнитомягкого материала и укрепленный неподвижно с помощью специальной латунной накладки не показанной на рисунке. В кольцевом зазоре между наконечниками сердечником создается равномерное магнитное поле. В этом же зазоре расположена подвижная катушка (рамка Р), выполненная из изолированной медной проволоки. Проволока либо навивается на алюминиевый каркас, либо скрепляется клеем. К рамке с двух сторон приклеиваются алюминиевые буксы для крепления растяжек или кернов. Стрелка и вся подвижная часть механизма уравновешиваются грузиками, играющими роль противовеса.
Для регулировки магнитного поля в зазоре (рис.6.2.) предусмотрен шунт (МШ), выполненный из магнитного мягкого материала, по которому замыкается часть магнитного потока. Ток к рамке подводится по спиральным пружинам и растяжкам. Возникающий вращающий момент
(6.1).
где B- индукция в зазоре; s— площадь рамки; - число витков; I— ток, протекающий по обмотке рамки.
Установившееся отклонение от подвижной части определятся равенством , где — противодействующий момент; — угол поворота подвижной части ; W — коэффициент, зависящий от свойств упругого элемента и называемый удельным противодействующим моментом. Противодействующий момент линейно зависит от угла подвижной части. При M= —Мпр имеем .
Откуда : . (6.2)
Выражение 6.2 представляет собой уравнение преобразования.
Рис. 6.1.
Ток I от входного зажима проходит через спиральную пружину и многократно ( в зависимости от количества витков провода) обходит рамку. Далее по второй спиральной пружине, изолированной от оси и первой пружины, ток поступает на выходной зажим и покидает прибор. В результате прохождения тока образуется магнитной поле, индукция которого обозначена на рис. 6.3. через В. Направлен вектор В перпендикулярно плоскости рамки. В результате взаимодействия двух магнитных полей образуется вращающий момент, стремящийся так повернуть рамку, что бы направление силовых линий рамки и постоянного магнита совпадали. Векторы силы обозначены на рис. 6.2. и 6.3 буквой F. Направление этого вектора зависит от взаимного положения северного и южного полюсов постоянного магнита и направления тока в подвижной рамке. Обычно принято конструировать стрелочные аналоговые приборы таким образом, что бы подвижная часть отклонялась по направлению часовой стрелки. В приборе магнитоэлектрической системы это достигается соответствующим направлением намотки рамки и намагничиванием постоянного магнита. Таким образом, прибор данного типа является полярным.
Таким образом, в приборе возникает погрешность показаний, определяемая моментом трения. Эта погрешность зависит от веса подвижной части, от материала и качества обработки подпятников и кернов, от состояния трущихся поверхностей.
Из рис. 6.1. и последующих рисунков остается неясным наличие успокоителя. В явном виде его действительно нет. Роль успокоителя в рассмотренной конструкции прибора выполняет вращающаяся рамка, но не ее обмотка, а алюминиевый каркас, который служит для скрепления проводов и приданию всей конструкции необходимой жесткости.
Магнитоэлектрические механизмы обычно работают на постоянном токе.
Принципы построения магнитоэлектрических приборов используются в гальванометрах - высокочувствительных приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 10-8 А) и напряжений (до 10-9 В). Гальванометр не имеет градуированной шкалы и цена деления определяется при измерениях,.
Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую чувствительность. Удается сконструировать приборы с отклонением на всю шкалу при токе 0,01 мкА. Высокая чувствительность объясняется концентрацией магнитного поля магнита в узком зазоре, из-за чего индукция получается большой. Сильное магнитное поле в зазоре делает слабым влияние внешних полей на показания прибора. Магнитоэлектрические приборы относятся к числу высокоточных приборов с классом точности 0,2; 0,1 и даже 0,06.
Вопрос 21 Электродинамические приборы.
В приборах электродинамической системы вместо постоянного магнита имеются две неподвижные катушки. Подвижная катушка: 1 (рис. 7.1), может поворачиваться относительно неподвижной 2, состоящей из двух частей, разделенных зазором. Разделение неподвижной катушки на две части используется для создания более равномерного магнитного поля в той области
В1
i
В2
1
2
Рис. 7.1.
Пространства где находится подвижная катушка. Магнитное поле обоих катушек замыкается по воздуху. Направления векторов магнитной индукции В1 –неподвижной катушки (2) и В2 –подвижной катушки (1) составляют между собой угол. Образующийся вращающий момент перемещает стрелку, укрепленную на оси, относительно шкалы. Конструкция прибора электродинамической системы представлена на рис.7.2. Катушка 1 укреплена на оси 3 . Ток к подвижной катушке подается через спиральные пружины, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. Неподвижная катушка 2 крепится к корпусу прибора. Успокоитель — воздушного типа. Для увеличения вращающего момента иногда применяют магнитопроводы. Такие приборы называются ферродинамическими. Вращающий момент находится с помощью уравнения Лагранжа:
, (7.1)
где -энергия магнитного поля; —угол отклонения подвижной механизма. Как следует из (7.1), вращающий, момент равен производной от энергии системы по углу. Энергия системы, состоящей катушек 1 и 2 с токами и определяется
Рис. 7.2.
соотношением, , где и индуктивности катушек, а - взаимоиндуктивность. При дифференцировании учитываем, что токи и , а также индуктивности и постоянны. Лишь зависит от угла поворота α. Следовательно,
(7.2.)
Если пропустить по катушкам переменные токии , подвижная часть прибора будет реагировать лишь на среднее значение вращающего момента:
( 7.3)
По сравнению с приборами магнитоэлектрической системы электродинамические приборы более чувствительны к внешним полям. Экранирование прибора экраном из ферромагнитного материала существенно ослабляет влияние внешних полей. Другой прием носит название астазирование. В приборах такого типа используются две подвижные тушки, которые создают два вращающих момента. Катушки расположены так, что внешнее магнитное поле увеличивает один вращающий момент и настолько же уменьшает другой. Сумма моментов остаётся неизменной. Астатические механизмы электродинамической системы применяются сравнительно редко, так как имеют достаточно сложную конструкцию.
Вопрос 22 Электромагнитные приборы
К электромагнитным относятся такие приборы, в которых поле, созданное неподвижной катушкой с протекающим по ней током, воздействует на один или несколько сердечников из ферромагнитного материала, эксцентрично расположенных на оси. Подвижная часть стремится расположиться так, чтобы энергия системы катушки была наибольшей. Измерительный механизм (рис. 7.3.) состоит из катушки F с обмоткой из медного провода, имеющей воздушный зазор, и сердечника 3 Сердечник укреплен на оси 1. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4, которая в
Рис.7.3.
отличие от ранее рассмотренных приборов магнитоэлектрической и электродинамической систем не используется для подведения тока, так как катушка F неподвижна. Стрелка 2 снабжена противовесами для механической балансировки механизма. Корректор 5 служит для корректировки установки стрелки, обеспечивая совмещение ее с нулевой отметкой шкалы при отсутствии сигнала.
Вращающий момент определяется соотношением 6.3
( ). Энергия магнитного поля системы зависит от квадрата тока и индуктивности катушки. При повороте подвижной части сердечник выполненный из магнитного материала, перемещается относительно катушки, что вызывает изменение индуктивности. Следовательно, мгновенное значение вращающего момента
(7.4).
Среднее значение вращающего момента:
.
Так как квадрат действующего значения тока, то (7.5).
Величина отклонения указателя так же как и в ранее рассмотренных приборах, определяется из условий равновесия . Подставив в данную формулу значение среднего момента (7.5) имеем:
(7.6)
Как видно из (7.6), отклонение подвижной части зависит от квадрата действующего значения тока. Однако вид шкалы зависит так же от закона изменения т. е. от формы и расположения сердечника. Обычно подбором формы сердечника удаётся добиться равномерности шкалы на некоторых ее участках. При измерении тока электромагнитным прибором его катушка включается последовательно в измерительную цепь. Для изменения пределов измерения катушка делается секционированной. Для измерения токов до 100.. .200 А приборы снабжается катушкой из одного витка толстой медной шины. Температурная погрешность амперметров электромагнитной системы невелика и определяется изменением упругих свойств пружины. Частотная погрешность возникает из-за вихревых токов в сердечнике и поверхностного эффекта в проводах катушки. При использовании многожильного провода можно использовать прибор на частотах до 2….3 кГц. При измерении постоянного тока показания прибора различаются при возрастающих и убывающих изменениях тока. Это связано не только с трением оси подвижной части в опорах но и явлением гистерезиса сердечника. Вольтметры электромагнитной системы выпускают классов 1,0; 1,5; 2,5 с верхними пределами измерения 0,5...600 В. Электромагнитные приборы нашли широкое применение благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, высокой надежности
Вопрос 23 Электростатические приборы
В электростатических приборах перемещение подвижной части механизма осуществляется под действием энергии электрического поля системы заряженных проводников. Поэтому электростатические приборы обычно используются в качестве вольтметров. Наибольшее распространение получил механизм, конструкция которого показаны на рис. 7.4. Эта конструкция применяется в щитовых и переносных вольтметрах, измеряющих напряжения до нескольких сотен вольт.
В приборе рис. 7.4 секторообразные пластины 1 образуют подвижную часть прибора. Она поворачивается на оси вместе со стрелкой. Силы электрического поля стремятся повернуть подвижную часть относительно неподвижной 1 так, чтобы энергия электрического поля была максимальна. Поскольку энергия
Рис.7.4.
будет максимальна при максимальном значении емкости, под воздействием приложенного напряжения U подвижный электрод будет втягиваться между неподвижными. Смена полярности приложенного напряжения не изменяет направления отклонения. Поэтому электростатические приборы можно применять на переменном токе. При этом из-за инерции подвижная часть не может следовать за изменениями вращающего момента и реагирует на его среднее значение
Вращающий момент электростатического механизма
. (7.7)
Величина отклонения, соответствующая условию равновесия , определяется соотношением:
(7.8),
из которого видно, что отклонение пропорционально квадрату приложенного напряжения. Смена полярности приложенного напряжения не изменяет направления отклонения. Поэтому электростатические приборы можно применять на переменном токе. При этом из-за инерции подвижная часть не может следовать за изменениями вращающего момента и реагирует на его среднее значение:
(7.9),
где U — действующее значение переменного напряжения.
Вращающий момент электростатического механизма мал, поэтому вольтметры данного тина рассчитаны на предел более 10 В. Собственное электростатическое поле прибора мало, поэтому необходима экранировка от внешних полей. На показания электростатического прибора практически не влияет температура, частота, форма напряжения, а также внешние магнитные поля. Собственное потребление энергии вольтметром чрезвычайно мало и на постоянном токе равно нулю.
Для расширения пределов измерения электростатического вольтметра при измерении постоянных напряжений целесообразно применять резистивный делитель, а при измерении переменных- емкостный. Схемы делителей показаны на рис. 7.5 а, б.
а)
в)
R1
R2
PV1
U
C1
C2
U
Рис.7.5.
PV1
PV1
Вопрос 24 Термоэлектрические приборы.
Действие термоэлектрических приборов основано на преобразовании измеряемого переменного тока в постоянный и измерении последнего с помощью магнитоэлектрического прибора. В основу термоэлектрического прибора положено использование термопреобразователя, состоящего из нагревателя и термопары. В качестве нагревателя используется, тонкая проволока, изготовленная из термостойкого материала, например из нихрома и константана. Измеряемый ток проходя по нагревателю выделяет тепловую, энергию, которая повышает температуру спая термопары, состоящей из двух разнородных проводников (например, железа и константана).
Различают контактные термоэлектрические преобразователи, у которых спай
мкА
б)
с
1
2
N
M
мкА
Iт
i
а)
3
1
N
M
мкА
Iт
Б
A
N
M
Iт
i
в)
2
Рис.7.6
термопары 1 непосредственно приварен к середине нагревателя 2 (рис. 7.6, а), и бесконтактные термоэлектрические преобразователи (рис. 7.6, б), у которых спай термопары 1 и нагреватель 2 разделены изолятором. В качестве изолятора используется стеклянная бусина. Через нее передается теплота от нагревателя к термопаре. Термо –э.д.с. зависит от материала проводников термопары и возрастает с увеличением разности температур горячего и холодного концов.
Термоэлектрические свойства металлов принято оценивать значением термо –э.д.с. термопары с проводниками из данного металла и платины. Термо –э.д.с. считается положительной, если ток во внешней цепи термопары протекает от данного металла к платине, и отрицательной- при обратном направлении тока. Например, при температуре 4000С термопара железо-платина дает термо –э.д.с. 5,5 мВ, а термопара константан-платина- термо- э.д.с. -15,3 мВ. Термо –э.д.с. термопар не содержащих платины, определяется как алгебраическая разность термо-э.д.с. двух термопар, каждая из которых содержит один из металлов исследуемой термопары и платину. Например, при tГ= 4000С термо-э.д.с. термопары железо-константан составит: 5,5 – (-15,3)=20,8 мВ, причем ток во внешней цепи будет протекать от железа к константану. Если температура холодных концов tх отличается от нуля, то результирующая термо-э.д.с. определяется как разность термо-э.д.с. при температурах tГ и tх . Например для той же термопары железо-константан при tГ=4000С и tх= 500С результирующая термо-э.д.с. составит Е=20,8-2,5=18,3 мВ.
Чтобы получить большую термо-э.д.с. проводники термопары изготавливают из металлов, значительно различающихся по их термоэлектрическим свойствам и допускающий длительный нагрев до 600-10000С.
Существенное значение имеет теплопроводность проводников термопары и окружающей ее среды, поскольку замедленный отвод тепла от термопары приводит к тепловой инерции прибора. Для хорошего отвода тепла от холодных концов термопары и стабилизации их температуры эти концы присоединяют к массивным медным или латунным зажимам.
В контактном термоэлектрическом преобразователе часть измеряемого тока протекает через термопару и прибор за счет падения напряжения на месте сварки. Это явление свойственно также термопреобразователю типа «термокрест» (рис.7.6 в), в котором нагреватель и термопара изготавливаются из одних и тех же проволочек, расположенных крестообразно и свариваемых в точке пересечения С. Приборы с термокрестом используюся для измерения малых токов.
На термопреобразователях строятся вольтметры и амперметры. Широко применяются термоэлектрические приборы для измерения напряжения и тока типа Т131...Т133. Прибор Т131 позволяет измерять напряжения 75.. 1500 мВ на частотах 20 Гц...1 МГц при токе потребления 0,1 мА. Прибор Т133 измеряет ток 100...1000 мкА в диапазоне частот 20 Гц... 0,5 МГц.
Термоэлектрические преобразователи пригодны для измерения мощности, причем шкала термоваттметра линейна.
Влияние частоты на показания термоэлектрических приборов сказывается по двум причинам. С ростом частоты вследствие поверхностного эффекта растет сопротивление нагревателя, а также проявляются паразитные параметры схемы. Оба фактора проявляются на частотах свыше 3-..5 МГц. Рациональным конструированием приборов удается обеспечить изменение токов до 100 МГц при классе точности 1,0 и 1,5,
К недостаткам приборов термоэлектрической системы следует отнести малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не более 50%), сравнительно большое потребление энергии.