Електромагнітні амперметри та вольтметри
Принцип дії приладів електромагнітної системи заснований на взаємодії магнітного поля, створюваного струмом в нерухомій котушці, з рухомим феромагнітним сердечником, втягується в котушку зі струмом. Енергія магнітного поля котушки, через яку протікає постійний струм I
Підставляючи значення енергії Wем в узагальнене рівняння шкали (формула 3.2) для електромеханічних механізмів, отримаємо
Якщо по котушці протікає змінний струм i (t), то, за рахунок інерційності механізму, відбувається усереднення за часом, тобто можна записати рівняння шкали у вигляді
За визначенням, діюче значення струму
,
тобто рівняння набуде вигляду
З формули 3.6 випливає, що кут повороту рухомої частини механізму пропорційний діючим значенням струму, тобто не залежить від напрямку струму. Тому електромагнітні прилади придатні для вимірювань постійних і змінних струмів і напруг. З рівняння шкали (3.6) видно також, що шкали цих приладів нелінійні, а часткова линеаризация проводиться за допомогою вибору спеціальної форми рухомого феромагнітного сердечника.
Амперметри. В електромагнітних амперметрах котушка вимірювального механізму включається безпосередньо в розрив ланцюга вимірюваного струму.
Щитові амперметри випускаються з одним межею вимірювань, переносні (лабораторні) можуть мати кілька меж вимірювань. При цьому вибір межі виробляють шляхом перемикання секцій обмотки котушки, включаючи їх послідовно або паралельно.
Шунти в цих амперметра не застосовуються, тому що котушка має дуже мале власне опір.
При вимірюванні великих змінних струмів використовують вимірювальні трансформатори струму (§ 3.2).
При використанні амперметрів у колах постійного струму з'являється похибка від гистерезиса намагнічування сердечника. Для зменшення цієї похибки сердечники виготовляють з магнитомягких матеріалів, наприклад, пермаллоя.
При зміні частоти вимірюваного струму в амперметрах виникає частотна похибка, внаслідок дії вихрових струмів в осерді та інших металевих частинах механізму, пронизує магнітним потоком котушки.
Промисловістю випускаються амперметри з граничними значеннями струмів від часткою ампера до 200 А.
Для непрямого включення амперметрів через трансформатори струму найбільш часто застосовують амперметри на 5 А.
Вольтметри. Якщо врахувати, що струм через обмотку котушки приладу. де U - прикладена напруга, а Zпр - модуль повного опору, то з формули (3.6) отримаємо рівняння шкали для електромагнітних вольтметрів
.
Т.ч. електромагнітні вольтметри вимірюють діюче значення напруги, але їх показання істотно залежать від частоти, тому що котушка вольтметра має велику індуктивність, ніж амперметр, для створення необхідного крутного моменту. Розширення меж вимірювання здійснюється за допомогою набору додаткових резисторів (§ 3.2), які одночасно збільшують вхідні опору вольтметрів.
До загальних переваг електромагнітних приладів відносять:
- здатність витримувати великі перевантаження;
- придатність застосування в ланцюгах постійного і змінного струмів;
- велике власне споживання енергії (одиниці ватів);
- сильний вплив зовнішніх магнітних полів, тому що мало поле котушки зі струмом, як у соленоїда без сердечника.
Принцип дії електродинамічних приладів заснований на взаємодії полів двох котушок з струмами, одна з яких нерухома.
Електрокінетичні енергія двох котушок з струмами
,
де L1 і L2 - індуктивності рухомої і нерухомої котушок, I1 і I2 - струми в цих котушках, - взаємна індуктивність котушок.
Від кута повороту залежить тільки взаємна індуктивність М, тоді, з урахуванням формули (3.2), отримаємо рівняння шкали у вигляді
тобто механізм електродинамічної системи в принципі є перемножуємо електромеханічним пристроєм.
Якщо по котушок протікають змінні струми, наприклад, синусоїдальної форми
то рівняння шкали запишеться у вигляді
де j = j1 - j2 - кут зсуву фаз між струмами в котушках.
Т.ч. кут відхилення у цих механізмів при змінних струмах i1 і i2 залежить від твору струмів і їх різниці фаз. Це дає можливість використовувати прилади електродинамічної системи не тільки в якості амперметрів і вольтметрів, але і як ватметрів, а із застосуванням двох рухомих рамок, скріплених між собою під деяким кутом (логометри) - в якості фазометрів.
Амперметри. У амперметра котушки можуть бути з'єднані послідовно (рис. 3.8) або паралельно. Паралельне з'єднання застосовується у амперметрів щодо великих струмів (до 10 А).
У послідовній схемі амперметра I1 = I2 = I, # 966; 1 - # 966; 2 = 0, рівняння шкали для змінних струмів (3.8) зводиться до вигляду
,
тобто за умови, що кут повороту стрілки квадратично залежить від струму що протікає в котушках. Отже, буде вимірюватися діюче значення струму. Однак шкала нелінійна, і для її лінеаризації підбирають форми і розташування котушок таким чином, щоб не залишалося постійним, а істотно залежало від кута між рухомою і нерухомою котушками.
У паралельній схемі амперметрів I1 = k1 I і I2 = k2 I, а різниця фаз також забезпечується рівний нулю установкою додаткових індуктивностей в ланцюгах основних котушок. Електродинамічні амперметри мають частотними похибками, тому що сумарне повний опір залежить від частоти струму. Однак в даний час це найбільш точні прилади для вимірювання змінних струмів промислової частоти в діапазоні від 10 мА до 10 А.
.
Як і в разі амперметрів, зміною домагаються майже рівномірного характеру шкали у вольтметрів.
Зазвичай вольтметри виконуються многопредельнимі за допомогою додаткових резисторів. Застосовуються для безпосереднього вимірювання напруг до 600 В.
При вимірюванні високих напруг застосовують вимірювальні трансформатори напруги (§ 3.2).
Електродинамічні вольтметри мають частотними похибками, які можуть бути обчислені за формулою
,
де # 948; f - відносна частотна похибка на частоті f, # 964; = LV / RV - постійна приладу, LV - сумарна індуктивність котушок, RV - загальний опір вольтметра з урахуванням Rдоб.
Можлива корекція частоти і компенсація частотної похибки (# 948; f = 0) на частоті. де здоби - ємність, що підключається паралельно добавочному резистору.
Ватметри. При побудові ватметрів використовують той факт, що кут відхилення електродинамічного механізму пропорційний твору струмів в котушках (див. Формулу 3.7).
,
де ZV - повне опір вольтової обмотки, cos # 966; - кут зсуву фаз між струмом і напругою в навантаженні.
Рівняння шкали ваттметра має лінійний характер, причому показання будуть пропорційні активної потужності. Класи точності многопредельних лабораторних ватметрів досить високі (0.2, 0.1). Діапазон вимірюваних потужностей від кілька ват до декількох кіловат. Вимірювання можуть виконуватися як на постійному струмі, так і на токах промислової частоти.
Похибки електродинамічних ватметрів виникають через температурних впливів і наявності зовнішніх магнітних полів. При підвищенні частоти до декількох сот герц істотними стають також частотні похибки, обумовлені зростанням індуктивного опору котушок, що призводить до зменшення крутного моменту.
Для збільшення чутливості і зменшення впливу зовнішніх магнітних полів нерухома котушка може мати магнитомягкий сердечник, між полюсами якого розміщується рухлива котушка. Також прилади отримали назву феродинамічні.
Обертаючі моменти, створювані впливом нерухомої котушки з струмом I з магнітними полями рухливих котушок з струмами I1 і I2. спрямовані зустрічно. Т.ч. момент першої котушки - обертає, момент другий - протидіє. Рівняння шкали набирає вигляду
,
якщо забезпечити рівність I1 = I2 по модулю, то шкалу приладу можна градуювати в # 966; або в cos # 966 ;. Такі прилади застосовуються для виміру cos # 966; - фазометри і для вимірювання частот - частотоміри. У останніх використовується залежність кута відхилення від відносини опору в ланцюгах рухомих рамок, тобто . Якщо, наприклад, I2 НЕ зівісіт від частоти, то при додаванні конденсатора в ланцюг рухомий обмотки за рахунок резонансу відбувається зміна Z1. Отже шкала приладу може бути градуйована в одиницях частоти, тому що .
Електродинамічні частотоміри випускаються для вимірювання частоти в вузькому діапазоні (45-55, 450-550 Гц), класів точності 1, 1.5. Фазометри - у вигляді переносних приладів з діапазоном вимірювань кута # 966; від 0 0 до 90 0 і cos # 966; від 0 до 1 для індуктивної і ємнісний навантаження, класи точності 0.2, 0.5.