Электромагнитные измерительные приборы

Электромагнитные ИМ. В электромагнитных ИМ (рис. 5.14) 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 на лепесток 2, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей, т. е. втянуть лепесток внутрь катушки. Подвижная часть ИМ поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту. Энергия магнитного поля катушки с током w_э= LI²/2, где L — индуктивность катушки. Вращающий момент

М = ∂w_э/∂α = (I²/2)(∂L/∂α). (5.32)

Угол отклонения подвижной части ИМ определяют из равенства М=Мα:

α = (0,5/ W) I²(∂L/∂α). (5.33)

Шкала прибора квадратична, поэтому она в начале сжата, а в конце растянута. Поскольку α является функцией I², 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

m(t) = 0,5i² (∂L/∂α) (5.34)

Рис. 5.14. Устройство электромагнитного ИМ

Прибор реагирует на среднее значение вращающего момента:

где I — среднеквадратическое значение тока; Т — период переменного тока.

Из (5.35) следует, что отклонение подвижной части ИМ пропорционально среднеквадратическому значению измеряемого тока. Успокоение в приборе воздушное или магнитоиндукционное.

Электромагнитные приборы конструктивно выполняют как с плоской, так и с круглой катушками.

Достоинства электромагнитных приборов — простота и надежность, хорошая перегрузочная способность и одинаковая пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов; недостатки — большое собственное потребление энергии, невысокая точность (при измерениях в цепях постоянного тока сказывается явление гистерезиса в ферромагнитном лепестке), малая 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 частот недопустимо из-за больших дополнительных частотных погрешностей.

Электромагнитные амперметры и вольтметры. Диапазон измерения токов весьма широк. Для стационарных измерений используют однопредельные амперметры, для переносных — многопредельные амперметры с секционированными катушками. Переключение одинаковых секций 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 ТрТ. Первичная обмотка трансформатора тока с меньшим числом витков включается последовательно в цепь измеряемого тока I₁, а к зажимам вторичной обмотки с большим числом витков подсоединяется амперметр А (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Схема включения амперметра с измерительным трансформатором тока:

Л₁, Л₂ — зажимы первичной обмотки; И₁, И₂ — зажимы вторичной обмотки.

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

I_x = I₁ = I₂ K_Iном (5-36)

Шкала амперметра может быть отградуирована в значениях измеряемого тока. В паспорте 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 В. 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.

Измерительная цепь электромагнитного вольтметра представляет собой последовательное соединение неподвижной катушки и добавочного резистора. Ток полное го 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 ТрН (рис. 5.16). Первичную обмотку трансформатора напряжения с большим числом витков подключают параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение U₁ u 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.

Измеряемое напряжение определяют посредством умножения показаний вольтметра на номинальный коэффициент трансформации К_Uном, т. е.

Ux = U₁ = U₂ % К_Uном. (5.37)

Рис. 5.16. Схема включения вольтметра с измерительным трансформатором напряжения: А, X — зажимы первичной обмотки; а, х — зажимы вторичной обмотки

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 и 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.