Электроизмерительные приборы

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Покрытия звезд и планет

Значение статического электричества в науке и технике

Тепловые машины и развитие техники

Гроза как электрическое явление

Введение:

В 1733 1737 годах французский ученый Шарль Дюфей создал электроскоп. В 1752-1754 гг. Его работы были продолжены М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом в процессе изучения атмосферного электричества. В середине восьмидесятых годов 18 века К. Кулон изобрел торсионные весы, электростатическое измерительное устройство.

В первой половине XIX века, когда основы электродинамики были уже заложены (законы Био-Саварда и Фарадея, принцип Ленца), были построены гальванометры и некоторые другие устройства, были изобретены основные методы электрических измерений баллистические (Э. Ленц, 1832), мост (Кристи, 1833), компенсация (И. Поггендорф, 1841). В середине 19-го века отдельные ученые в разных странах создают измерения электрических величин, которые они принимают в качестве стандартов, проводят измерения в единицах, воспроизводимых этими измерениями, и даже проводят сравнения измерений в разных лабораториях.

В России в 1848 году академик Б.С. Якоби предложил использовать медную проволоку длиной 25 футов (7,61975 м) и весом 345 зерен (22,4932 г) в качестве стандартной единицы сопротивления, спирально намотанную на цилиндр из изоляционного металла. Во Франции стандартной единицей сопротивления была железная проволока диаметром 4 мм и длиной 1 км (единица Бреге). В Германии такой стандарт был столбик ртути с длиной 1 м и сечением 1 при 0 С . Вторая половина XIX века была периодом роста новой отрасли знаний в области электротехники. Создание генераторов электрической энергии и их использование в различных практических целях побудило крупнейших электротехников второй половиныXIX века. заниматься изобретением и разработкой различных электроизмерительных приборов, без которых дальнейшее развитие теоретической и практической электротехники стало немыслимо.

В 1871 г. А. Г. Столетов первым использовал баллистику для магнитных измерений и исследовал зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля, создавая тем самым основу для правильного подхода к расчету магнитных цепей. Этот метод до сих пор используется в магнитных измерениях. В 1880 1881 гг. Французский инженер Деспр и физиолог д'Арсонваль построили серию высокочувствительных гальванометров для чтения зеркал. В 1881 году немецкий инженер Ф. Уппенборн изобрел электромагнитное устройство с эллиптическим сердечником, а в 1886 году он также предложил электромагнитное устройство с круглой катушкой и двумя цилиндрическими сердечниками. В 1894 году немецкий инженер Т. Брюгер изобрел логометр. 

В развитии электротехники в конце второй половины XIX и начале XX вв. Значительные услуги принадлежат МОДоливо-Добровольскому. Он разработал электромагнитные амперметры и вольтметры, индукционные устройства с вращающимся магнитным полем (ваттметр, фазометр) и ферродинамический ваттметр. 

Принцип измерения электрических величин был впервые предложен основоположником русской науки М. В. Ломоносовым. Который экспериментально пришел к выводу, что «электричество можно взвешивать». Первый электроизмерительный прибор был построен в России современником Ломоносова Г.В. Рихманом. Это был электрометр со шкалой и стрелкой, принцип действия которого лежит в основе конструкции большинства современных приборов. 

Электрические измерительные приборы это технические устройства, с помощью которых измеряются электрические величины. Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим критериям.

По характеру измеряемой величины: для измерения тока амперметры, миллиамперметры, гальванометры; для измерения напряжения вольтметры, милливольтметры, гальванометры; для измерения мощности ваттметры, киловаттметры; для измерения энергии счетчики; для измерения фазового сдвига и коэффициента мощности фазометры; для измерения частоты частотомеры; для измерения сопротивления омметры и мегомметры. 

По характеру измеряемого тока: для измерений в цепях постоянного, переменного, постоянного и переменного тока, а также в трехфазных цепях.

По степени точности: приборы делятся на восемь классов точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4.0. Класс точности это отношение максимальной абсолютной ошибки к максимальному (номинальному) значению измеренного значения, выраженное в процентах. 

По принципу действия: магнитоэлектрический, электромагнитный, электродинамический, индукционный, тепловой, термоэлектрический, электростатический, электронный, электролитический, фотоэлектрический.

Устройство для создания момента реакции

Принцип действия большинства электрических измерительных приборов основан на вращении их подвижной части под действием вращающего момента. Последний создается током, связанным с определенной взаимосвязью с измеренной электрической величиной. 

Если этому вращению не противодействовать, то движущаяся часть устройства будет либо поворачиваться на максимально возможный угол, либо вступать в ускоренное движение. Противостоящий момент в большинстве устройств создаются извилистой упругой бронзовая пружиной 1, концы которых присоединено: один к оси подвижной части устройства 2, а другого к стационарной части устройства (к заглушка держателя пружины) 3. Очевидно, что чем больше ток, проходящий через устройство, тем больше крутящий момент, действующий на подвижную часть устройства. Под действием этого крутящего момента подвижная часть устройства вращается, закручивая спиральную пружину. Пружина, в свою очередь, предотвращает это вращение. Вращение будет продолжаться до тех пор, пока вращающий и противоположный моменты не будут равны: Кроме того, спиральная пружина возвращает подвижную часть устройства в исходное (нулевое) положение после отключения устройства от цепи. 

Чтобы уравновесить стрелку устройства, иногда используются гири 4 (противовесы), навинченные на стержни с тонкой резьбой, с помощью которых можно изменять расстояние гирь от оси вращения.

Для установки стрелы устройства против деления на ноль используется корректор, состоящий из поводка 5 и винта 6. Эксцентрично вращающийся выступающий винт 6 меняет положение держателя пружины 3 и одного конца спиральной пружины 1, тем самым поворачивая стрелку 7 в нужном направлении. Многие устройства имеют две противоположные пружины. Они размещаются либо рядом, либо на концах оси движущейся системы. 

Приборные весы. Шкала прибора служит для считывания значений измеряемой величины. Кроме того, шкала обычно обозначается символами, соответствующими характеристикам данного устройства (вид измеряемой величины, вид тока, класс точности, принцип действия и т. д.). В многодиапазонных устройствах шкала имеет определенное количество условных делений, по которым измеренное значение определяется путем пересчета. значение в желаемых единицах. Шкалы других приборов калибруются непосредственно по значениям измеряемой величины, это шкалы прямого считывания. Они различают равномерную и неоднородную шкалы.

Преимущество униформы заключается в согласованности шкалы по всей шкале, что обеспечивает легкость считывания измеренного значения в любой части шкалы. Обычно в стрелочных индикаторах стрелка находится на определенном расстоянии от шкалы, и для считывания показаний приборов необходимо спроецировать положение стрелки на шкале. В этом случае положение проекции стрелки зависит от угла между лучом зрения на стрелке и плоскостью шкалы, т. е. от положения глаза относительно стрелки и шкалы. Этот угол должен быть правильным. На практике трудно получить такой угол, поэтому получается так называемая ошибка параллакса (параллакс это видимое смещение объекта из-за изменения точки наблюдения). Чтобы устранить эту ошибку параллакса, на шкалах самых точных приборов укреплена плоская зеркальная пластина. Считывание производится одним глазом, и глаз располагается относительно стрелки и шкалы, так что стрелка и ее изображение в зеркале объединяются. 

Успокаивающие средства. Подвижная часть устройства с противостоящей спиральной пружиной может рассматриваться как разновидность колебательной системы. Действительно, когда устройство подключено к цепи, его подвижная часть под действием толчка, создаваемого быстро увеличивающимся крутящим моментом, поворачивается, но не может сразу остановиться в положении, в котором вращающий и противоположный моменты равны (так же, как маятник не может остановиться, пройдя через положение равновесия). Движущаяся часть устройства будет производить затухающие колебания, и для считывания показаний потребуется некоторое время, чтобы полностью остановить стрелку. Для быстрой остановки движущейся части устройства используются специальные устройства демпферы. Наиболее распространенными амортизаторами являются воздушная и магнитная индукция. 

Воздушная заслонка представляет собой дугообразный цилиндр, уплотненный с одного конца. Поршень 2 расположен внутри цилиндра. Он жестко связан с подвижной частью устройства и не касается стенок цилиндра. Зазор между поршнем и цилиндром невелик, и при быстрых движениях поршня давление внутри цилиндра не успевает сравниться с атмосферным. В цилиндре создаются утолщение воздуха и разрежение, которые препятствуют движению поршня и тем самым быстро успокаивают движущуюся систему. Когда поршень движется медленно, часть воздуха может свободно входить и выходить из цилиндра через зазор, не мешая поворотам движущейся части устройства. 

Иногда воздушная заслонка имеет форму закрытой коробки с прорезью. Этот паз служит для перемещения рычага /, на котором закреплена пластина 2. Последний не касается стенок коробки и выполняет ту же роль, что и поршень. Когда пластина перемещается в коробке, обе конденсации (с одной стороны пластины) и разрежения (с другой стороны) действуют одновременно, предотвращая вибрации. 

Демпфер магнитной индукции представляет собой легкую алюминиевую пластину A, перемещающуюся между полюсами постоянного магнита M, жестко соединенного с подвижной системой устройства. Когда пластина вибрирует в магнитном поле постоянного магнита, в соответствии с законом Ленца, в ней индуцируются токи, предотвращающие эти колебания, поэтому вибрации движущейся системы и стрелки быстро прекращаются. Астатические измерительные приборы используются для устранения влияния внешних магнитных полей на показания электромагнитных и электродинамических устройств.

Астатическое устройство представляет собой комбинацию двух измерительных механизмов, движущиеся системы которых объединены в одном устройстве и действуют на одной оси со стрелкой. В этом случае измерительные механизмы расположены таким образом, что под действием внешнего поля крутящий момент одного из них увеличивается, а другой уменьшается на ту же величину, а общий крутящий момент, действующий на всю движущуюся систему устройства, остается. без изменений. 

Символы на весах электроизмерительных приборов

Принцип действия устройств электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемой измеряемым током, со стальным сердечником, размещенным в этом поле. Неподвижная катушка 1 состоит из катушки с намотанной изолированной медной проволокой или медной лентой. Когда измеренный ток протекает через обмотку катушки, в ее плоском гнезде 2 создается магнитное поле. Снаружи катушки на упорных подшипниках из агата установлена ​​ось 3 с эксцентрично усиленным сердечником 4 из магнитномягкой стали со стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его в паз, поворачивая таким образом ось со стрелкой устройства. Это вращение предотвращается закручивающейся спиральной пружиной 6, которая создает противодействующий момент. 

Соседние концы сердечника под действием магнитного поля катушки намагничиваются с тем же именем и отталкиваются, вызывая вращение движущейся системы, соответствующее измеренному току. Очевидно, что приведенные выше рассуждения, касающиеся устройств с плоской катушкой, также справедливы для устройств с круглой катушкой. Электромагнитные устройства используются в качестве амперметров и вольтметров. В последнем случае обмотка выполняется с большим количеством витков из тонкой медной проволоки. Использование стальных сердечников в электромагнитных устройствах приводит к различным показаниям при измерении в цепях постоянного и переменного тока, поскольку в цепях переменного тока добавляются потери из-за гистерезиса и вихревых токов.

Поэтому электромагнитные устройства, как правило, калибруются либо на постоянный ток, либо на переменный ток. Чтобы уменьшить погрешность от гистерезиса, сердечники некоторых устройств (класс 0.2) изготовлены из специального сплава пермаллоя с особенно низким значением коэрцитивной силы. Для исключения влияния внешних полей в некоторых электромагнитных устройствах используются астатические измерительные механизмы. Чтобы успокоить колебания движущейся системы, воздушные амортизаторы используются в электромагнитных устройствах с плоской катушкой, а в устройствах с круглой катушкой магнитной индуктивностью. 

Преимуществами электромагнитных устройств являются: простота конструкции; способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для постоянного и переменного тока, низкая стоимость и возможность широкого использования в качестве панельных приборов. Недостатками этих устройств являются неравномерная шкала, влияние внешних магнитных полей на показания приборов, низкая чувствительность. 

Принцип действия устройств магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии проводника с током (рамка 3) с магнитным полем постоянного магнита М. Постоянный магнит в форме подковы М, стальные полюсные наконечники N и S, стальной цилиндр 2 образует магнитную цепь (полюсные наконечники и стальной цилиндр служат для уменьшения магнитного сопротивления этой цепи). Благодаря форме полюсных наконечников в большей части воздушного зазора между цилиндром и наконечником создается равномерно направленное радиальное однородное магнитное поле, в котором подвижная рама 3 может вращаться. Рама устройства (обмотка) чаще всего изготавливается из изолированного провода на легкой алюминиевой раме, закрепленной на двух полуосях. Измеренный ток проходит в рамку через токонесущие спиральные пружины 5, которые одновременно служат для создания противодействия. Когда ток протекает через рамку, на ее стороны действует пара сил, находящихся в воздушном зазоре (токи в этих сторонах рамки имеют противоположное направление), создавая вращающий момент и поворачивая эту рамку в ту или иную сторону вокруг оси. 

Принцип калибровки магнитоэлектрического устройства в качестве вольтметра основан на прямой пропорциональной зависимости между током в рамке и измеренным напряжением, приложенным к нему.

Для переменного тока эти устройства без дополнительных устройств выпрямителей непригодны, поскольку направление отклонения стрелки устройства зависит от направления тока в кадре. Следовательно, в цепи переменного тока движущаяся часть устройства ничего не показывает. Поэтому, если деление шкалы на ноль находится не в ее середине, а на левом краю, то рядом с клеммами устройства располагаются знаки «+» и «-», к которым должны быть подключены провода соответствующей полярности. Если такое устройство включено неправильно, стрелка упирается в ограничитель, пытаясь уйти в противоположном направлении за нулевое деление шкалы. Специальные демпферы не сделаны в магнитоэлектрических устройствах.

Их роль играет алюминиевая закрытая рама, на которую намотана рама. Когда рамка вибрирует, в ней индуцируются токи, предотвращающие эти вибрации, и движущаяся система устройства быстро успокаивается. Изменения температуры окружающей среды могут повлиять на изменение сопротивления инструмента, плотности магнитного потока в воздушном зазоре и упругих свойств противостоящих пружин. Однако два последних обстоятельства примерно компенсируют друг друга. Например, повышение температуры вызывает ослабление магнитного потока в воздушном зазоре, то есть крутящий момент уменьшается, а уменьшение упругости пружин уменьшает встречный крутящий момент примерно на ту же величину. Изменение сопротивления устройства из-за изменения температуры окружающей среды существенно влияет на показания амперметров с шунтами, но почти не влияет на показания вольтметров. В вольтметре сопротивление каркаса значительно меньше дополнительного сопротивления, а последнее изготовлено из манганиновой проволоки, которая имеет незначительный температурный коэффициент. Поэтому сопротивление всего устройства практически не изменяется. Чтобы устранить ошибку температуры, некоторые устройства используют специальные схемы для так называемой температурной компенсации. 

К преимуществам магнитоэлектрических устройств относятся: равномерная шкала; высокая точность при низкой чувствительности; высокая чувствительность с низкой точностью (гальванометр); низкая чувствительность к внешним магнитным полям; низкое энергопотребление. 

Чувствительность отношение линейного или углового движения указателя к изменению измеренного значения, вызвавшего это движение.

Недостатками таких устройств являются: пригодность только для постоянного тока (без выпрямителей), высокая чувствительность к перегрузкам, относительно высокая стоимость.

Ферродинамические инструменты

Небольшое значение крутящего момента электродинамического устройства может быть значительно увеличено путем введения магнитопровода из ферромагнитных материалов. Такие устройства получили название ферродинамические. 

Ферродинамическое устройство состоит из стального сердечника 2, который снабжен неподвижной катушкой 7, состоящей из двух секций. Движущаяся катушка 3 может вращаться в воздушном зазоре между сердечником и цилиндром 4 из нержавеющей стали. Такое волокно очень похоже на магнитоэлектрическое волокно, в котором роль постоянного магнита играет катушка с током. Введение стального сердечника приводит к значительному увеличению чувствительности и ослаблению влияния внешних магнитных полей, но в то же время возникают потери на гистерезис и вихревые токи, которые снижают точность работы приборов. Ферродинамические устройства изготавливаются с классами точности 1,0 и 1,5. 

К преимуществам ферродинамических устройств относятся: простота конструкции; способность выдерживать большие перегрузки; пригодность для постоянного и переменного тока. К недостаткам ферродинамических устройств относятся: низкая чувствительность; неравномерный масштаб. Устройства этого типа системы обозначены следующим образом. 

Логометры это электрические измерительные устройства, в которых положение движущейся системы определяется соотношением токов, протекающих через две отдельные обмотки.

Логометры могут быть разных систем. Наиболее широко используются коэффициенты магнитоэлектрических, электродинамических и электромагнитных систем. 

В отличие от обычных приборов, у ратиометров нет устройства для создания противодействия. Когда устройство выключено, положение его движущейся системы безразлично, а когда устройство включено, на движущуюся систему действуют два противоположно направленных момента. Движущаяся система поворачивается к большому моменту, пока оба момента не станут равными. 

В магнитоэлектрическом коэффициентометре неподвижная часть состоит из постоянного магнита со стальными полюсными наконечниками и цилиндра из мягкой стали. Две жестко соединенные рамы, установленные на оси со стрелкой, могут вращаться вокруг цилиндра. Токи в рамках создают два противоположно направленных момента. Магнитное поле в воздушном зазоре намеренно сделано неравномерным (нерадиальным). Это может быть достигнуто путем формирования полюсных наконечников. В этом случае крутящие моменты оказываются зависимыми от положения движущейся системы. Когда движущаяся система поворачивается к большому моменту, момент одного кадра увеличивается, а момент другого кадра уменьшается. Следовательно, вращение происходит до тех пор, пока моменты не станут равными при заданном соотношении токов внутри. Более того, при одновременном и одинаковом изменении токов внутри каркаса крутящие моменты меняются одинаково, оставаясь при этом равными. Следовательно, положение движущейся системы ратиометра не зависит от абсолютных значений токов внутри, а определяется соотношением токов в них. 

Магнитоэлектрические отношения часто используются в качестве омметров и мегомметров для непосредственного измерения сопротивления. В соотношениях электродинамических и ферродинамических систем токи взаимодействуют в рамках с полем стационарной катушки.

Если ратиометры работают в цепях переменного тока, то положение движущейся системы определяется не только соотношением токов в движущихся катушках, но и соотношением сдвигов фаз между этими токами и током неподвижной катушки. Это позволяет использовать коэффициенты электродинамических и ферродинамических систем в качестве измерителей фаз, частотомеров и т. д. логометры получили широкое практическое применение в качестве панельных, портативных и регистрирующих приборов. 

Термоэлектрические устройства

Термоэлектрическое устройство представляет собой комбинацию термопары с нагревателем и магнитоэлектрического измерителя (индикатора). Такие устройства предназначены для измерения слабых переменных токов. Измеренный ток проходит через нагреватель P и нагревает его. Термопара T-переход прикреплена к нагревателю или находится рядом с ним. ЭДС термопары создает ток, проходящий через магнитоэлектрический измеритель (устройство).

Таким образом, показания термоэлектрического устройства пропорциональны мощности, потребляемой для нагрева предварительного нагревателя (т. е. эффективному значению квадрата тока в нем). Поэтому масштаб такого устройства почти квадратичный. Обозначение устройства: В наиболее точных устройствах (до 100 150 мА) для ограничения потерь тепла нагреватель вместе с термопарой помещается в вакуумный стеклянный цилиндр. Это значительно повышает чувствительность термоэлемента. 

Заключение

Детекторные устройства представляют собой комбинацию выпрямителя, называемого детектором, и магнитоэлектрического измерителя. Эта комбинация вызвана необходимостью измерения низких токов и напряжений переменного тока. Устройства с самой высокой чувствительностью и точностью представляют собой магнитоэлектрические устройства, но они не подходят для переменного тока, поэтому измеренный переменный ток или напряжение выпрямляется с помощью специального выпрямителя, а затем измеряется с помощью магнитоэлектрического устройства. 

Схема с полуволновым выпрямителем  используется только для вольтметров, поскольку последовательное соединение детектора с нагрузкой значительно меняет сопротивление цепи и проводит ток только в одном направлении. 

Однако использование полуволновых схем снижает значение крутящего момента. Наиболее распространенным является мостовая схема с двухполупериодным выпрямителем. Если все четыре детектора выбраны здесь одинаковыми, тогда сопротивление переменного тока в обоих направлениях также будет одинаковым. Ток течет через устройство в обеих половинах периода в одном и том же направлении, удваивая значение крутящего момента. Измерительные приборы широко используются для измерения переменного тока и напряжения и часто используются в комбинированных приборах амперометрах (ампер-вольтметрах).

В отличие от приборов переменного тока во всех других системах, детекторные приборы измеряют среднее значение, а не среднеквадратичное значение, переменный ток и напряжение. Шкалы этих устройств откалиброваны в эффективных значениях, поэтому детекторные устройства не подходят для измерений в цепях несинусоидальных токов.