Измерение электрических и магнитных величин

Чтобы отличить «начала» обмоток катушек от их «концов», в ваттметрах «начала» обмоток катушек всегда обозначаются особым знаком «*» (звездочкой) или «+» (плюсом). Выводы, обозначенные этим знаком, называются генераторными выводами или генераторными зажимами. Такое название обусловлено тем, что они включаются в провода, идущие к источнику тока (к генератору), а не к нагрузке.

Электродинамические ваттметры  являются обычно лабораторными приборами высоких классов точности и выпускаются на несколько пределов измерения по току и напряжению. Схема внутренних соединений такого ваттметра изображена на рисунке18.

Рисунок 18 – Схема цепи многопредельного электродинамического ваттметра

На схеме две половины неподвижных катушек, образующих последовательную цепь, включаются либо последовательно, либо параллельно. В последнем случае тот же ток по этой катушке будет проходить при удвоенном номинальном токе прибора. Добавочное сопротивление параллельной цепи секционируется, в результате этого имеется несколько пределов и по напряжению. Кроме того, обычно выводится еще и так называемый 1000-омный зажим, служащий для присоединения наружных добавочных сопротивлений. Так как номинальный ток параллельной цепи электродинамических ваттметров составляет 30 мА, то этот зажим соответствует напряжению 30 В. На схеме R₁, R₂ и R₃ — добавочные сопротивления.

Чаще всего ваттметры  рассчитываются так, что полное отклонение стрелки наступает при номинальном токе, номинальном напряжении и cosφ=1. В соответствии с этими значениями и числом делений на шкале определяется постоянная ваттметра, или цена его деления. Так, ваттметр на 5 А, 150 В и соsφ = 1 со шкалой, имеющей 150 делений, имеет постоянную составляющую

с=5*150*1/150=5Вт/дел.

Ферродинамические и индукционные ваттметры выпускаются в качестве щитовых приборов классов точности от 1,5 и ниже./5/

 

4.9 Средства  измерения электрической энергии

 

Измерение энергии  в цепях постоянного тока

Измерение энергии в  цепях постоянного тока чаще всего осуществляется электродинамическими счетчиками (рисунок 19), представляющими собой электродвигатель постоянного тока, в котором поле создается неподвижными катушками А—А, а якорем служат катушки В, включаемые в цепь через коллектор 1.

Катушки А—А включаются в цепь нагрузки последовательно, а якорь В с катушкой К (назначение которой будет пояснено далее) и добавочным сопротивлением R_доб включаются в цепь параллельно.

На оси подвижной  части расположен алюминиевый диск 2, вращающийся между полюсами постоянного магнита 3. Вращение подвижной части через червячную передачу 4 передается счетному механизму. Цифрой 5 указана железная проволочка.

Рисунок 19 Устройство электродинамического счетчика энергии: I

— коллектор; 2 — алюминиевый диск; 3 — постоянный магнит; 4 — червячная передача; 5 — железная проволочка

Вращающий момент М_вр электродинамического счетчика пропорционален произведению токов в подвижной и неподвижной катушках:

М_вр = сI1I2, (60)

где с — конструктивная постоянная, зависящая от взаимного расположения и числа витков катушек; I1=I — ток в последовательной

 катушке; I₂ = — ток в якоре, определяемый напряжением U и сопротивлением R₂ всей цепи якоря.

Следовательно, вращающий момент, равный

М_вр=сIU/R₂ = КР, (61)

пропорционален мощности Р, потребляемой нагрузкой. Под действием этого вращающего момента подвижная часть начинает вращаться со все возрастающей скоростью.

Благодаря вращению диска 2 в магнитном поле постоянного магнита в нем индуктируются токи I_д, которые, взаимодействуя с потоком Ф постоянного магнита, создают противодействующий (тормозной) момент М_тор.

Выражение для  М_тор можно получить, исходя из следующих соображений. Токи в диске

IД=EД/RД, (62)

где  EД=−Фdα/dt – ЭДС, индуктируемая в диске при его вращении в поле Ф с угловой скоростью dα/dt; RД – сопротивление диска для токов IД.

Тормозной момент

М_тор =ФIД=(Ф²/RД)(dα/dt)=с2dα/dt, (63)

т.е. пропорционален скорости вращения диска.

Установившаяся скорость диска определяется равенством вращающего и тормозного моментов:

КР= с2dα/dt. (64)

Таким образом, установившаяся скорость счетчика пропорциональна  мощности.

Интегрируя последнее выражение за промежуток времени ( t2−t1) мы   можем найти постоянную счетчика

С=We/N, (65)

где We – это энергия, израсходованная в нагрузке за время ( t2−t1).

Таким образом, число  оборотов якоря, отсчитываемое счетным механизмом, пропорционально электрической энергии.

Номинальная постоянная счетчика всегда указывается на щитке счетчика. Например, если на щитке указано, что 1 кВт-ч равен 200 оборотам, то

С=(1000*3600)/200= 18 000 Вт с/об.

Погрешность счетчика определяется в основном трением в опоpax, коллекторе и счетном механизме. При малых нагрузках, когда потребляемая мощность невелика, момент трения соизмерим с вращающим моментом и подвижная часть вращается медленнее, чем это должно быть, счетный механизм показывает меньше, чем нужно, и возникает большая отрицательная погрешность.

Для уменьшения погрешности от трения прибегают к компенсации момента трения дополнительным, так называемым компенсационным моментом. Этот момент создается дополнительной неподвижной катушкой К (см. рисунок 19), включенной в параллельную цепь счетчика. Положение этой катушки относительно подвижной части счетчика можно подобрать так, что создаваемый ею дополнительный вращающий момент будет равен моменту трения при номинальном напряжении.

Так как компенсационный  момент определяется напряжением U, то при повышении последнего может оказаться, что этот момент станет больше момента трения и диск счетчика будет вращаться даже при отсутствии тока   I в нагрузке, т.е. появится «самоход» счетчика. Для борьбы с самоходом на оси укрепляется железная проволочка 5 (см. рисунок 19), которая, приближаясь при вращении якоря к магниту, притягивается им, благодаря чему подвижная часть счетчика останавливается.

Измерение энергии  в цепях переменного тока

Измерение энергии в  цепях переменного тока осуществляется индукционными счетчиками, один из типов которых изображен на рисунке 20.

На рисунке 20 неподвижная часть счетчика состоит из двух электромагнитов; обмотка электромагнита А включена последовательно в цепь нагрузки, а электромагнита В — параллельно ей. Подвижная часть счетчика представляет собой диск 1, вращающийся в поле постоянного магнита 2. Ось диска связана червячной передачей 3 со счетным механизмом. Цифрой 4 указан «отросток» магнитопровода электромагнита В.

Тормозной момент создается  так же, как и в рассмотренном  электродинамическом  счетчике. Следовательно, тормозной момент пропорционален угловой скорости диска.

Вращающий момент индукционного  измерительного механизма 

Мвр=КfФIФUsinψ, (66)

где К – конструктивная постоянная; f – частота, ФI , ФU – потоки электромагнитов А и В, пронизывающие диск; ψ – сдвиг по фазе между потоками.

Рисунок 20 Устройство индукционного однофазного счетчика энергии: 1 – диск; 2 – постоянный магнит; 3 – червячная передача; 4 – «отросток» магнитопровода электромагнита В

У индукционного счетчика, так же как и у рассмотренного ранее электродинамического счетчика, предусматривается устройство для компенсации момента трения о борьбы с появлением самохода./5/

 

 

Таким образом, подробно изучив средства и методы измерения  электрических величин мы можем  сделать следующие выводы.

В большинстве случаев  измерение постоянных токов и напряжений осуществляется с помощью магнитоэлектрических приборов. Магнитоэлектрические амперметры являются сочетанием милливольтметра с шунтом, а вольтметры — миллиамперметра с добавочным сопротивлением. Магнитоэлектрические приборы принадлежат к наиболее точным приборам непосредственной оценки и выпускаются, как правило, универсальными и многопредельными.

Электромагнитные, электродинамические, ферродинамические и электростатические измерительные механизмы могут быть использованы для измерений действующих значений переменного тока и напряжения.

Расширение пределов измерений перечисленных измерительных механизмов по току осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока, а расширение пределов измерения по напряжению может быть достигнуто как с помощью добавочных сопротивлений, так и путем использования измерительных трансформаторов напряжения.

Электродинамические амперметры и вольтметры являются наиболее точными приборами на переменном токе.

Электромагнитные, электродинамические и ферродинамические приборы обычно градуируются (и поверяются) либо на переменном токе промышленной частоты, либо на постоянном токе. При измерении на повышенных частотах эти приборы имеют значительную погрешность, обусловленную в основном индуктивностью катушек. Для работы на высоких частотах указанные приборы не могут быть использованы.

На практике электростатические вольтметры могут быть использованы на любых частотах, за исключением малых частот (до 30...40 Гц).

Для измерения действующих значений переменных токов и напряжений также могут быть использованы термоэлектрические приборы.

Измерения средних и амплитудных значений переменного тока могут быть осуществлены путем использования магнитоэлектрического измерительного механизма в сочетании с полупроводниковыми и вакуумными диодами – выпрямительные приборы, а также вакуумными триодами – ламповые приборы.

Измерение сопротивления  постоянному току R может быть осуществлено с помощью амперметра – вольтметра, а также с помощью омметров.

Омметры выполняются  на базе магнитоэлектрических измерительных механизмов. Их можно разделить на две группы: омметры, показания которых зависят от напряжения, и омметры, показания которых не зависят от напряжения.

Омметры первой группы используют магнитоэлектрический измерительный механизм, включаемый последовательно или параллельно с измеряемым резистором. Омметры второй группы используют магнитоэлектрический логометр.

Омметры с последовательным включением измеряемого сопротивления удобны для измерения относительно больших (примерно свыше 1000 Ом) сопротивлений.

Омметры с параллельным соединением измеряемого сопротивления также имеют неравномерную шкалу. Они удобны для измерения малых сопротивлений.

Что же касается методов измерения сопротивления, то их тоже несколько. Измерение сопротивления постоянному току R может быть осуществлено с помощью амперметра — вольтметра. Также используют мостовые методы. Для измерения сопротивлений примерно от 1 Ом и выше применяются одинарные мосты. Для измерения весьма малых сопротивлений (меньше 1 Ом) используются двойные мосты. Данный тип мостов относится к равновесным. Существуют также неравновесные и автоматические мосты.

Определение емкости  конденсатора или других устройств  емкостного характера так же может осуществляться различными способами. Простейший из них – метод амперметра – вольтметра, он во многом аналогичен такому же методу измерения сопротивления, с той только разницей, что схема питается синусоидальным переменным напряжением от генератора низкой или высокой частоты (или от сети).

Измерение малых по величине емкостей удобнее производить методом  резонанса, а измерение больших  емкостей (например, электролитических  конденсаторов) проще всего производить  путем разряда конденсатора на известное сопротивление R.

Емкости конденсаторов  можно измерять также с помощью  мостов переменного тока.

Измерение индуктивностей несколько сложнее. Оно может  быть определено методом амперметра – вольтметра путем измерения  напряжения и тока измерительными приборами. При малых значениях индуктивности можно воспользоваться резонансной схемой. Для измерения индуктивности можно также использовать мосты переменного тока, специальные измерительные приборы – куметры, позволяющие определить не только величину индуктивности, но и такую характеристику, как добротность катушки, и характеризующие качество работы катушки в электронных схемах.

В цепях постоянного  тока для измерения мощности применяются электродинамические ваттметры, а в цепях однофазного тока — электродинамические, ферродинамические и индукционные ваттметры.

Измерение энергии в  цепях постоянного тока чаще всего осуществляется электродинамическими счетчиками. Измерение энергии в цепях переменного тока осуществляется индукционными счетчиками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Метод измерения магнитных величин.

 

 

   В большинстве  случаев магнитные величины измеряют  косвенным методом, т.е. фактически  измеряется не магнитная, а  электрическая величина, в которую   магнитная величина преобразуется  в процессе измерения. Интересующая нас магнитная величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла.

Второе уравнение Максвелла  в интегральной форме имеет вид:

= I_макро +I_см ,

 где Н- напряженность магнитного поля;  I_макро – макроток;  I_см – ток смещения.

  Уравнение показывает, что циркуляция вектора напряженности  магнитного поля по произвольному  замкнутому контору L равна алгебраической сумме макротоков и тока смещения сквозь поверхность, натянутую на этот контур.