Электростатические измерительные приборы принцип работы уравнения шкалы

Электростатические измерительные приборы принцип работы уравнения шкалы

Электростатические измерительные приборы.

Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами.

Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке приведена схема с изменяющейся площадью электродов.

Вращающий момент в приборах электростатической системы определяется уравнением:

При работе измерительного механизма на переменном напряжении вращающий момент определяется как:

С- емкость между подвижным и неподвижным электродами.

Уравнение шкалы прибора имеет вид:

Достоинства электростатических приборов.

Приборы электростатического типа имеют высокое входное сопротивление, малую, но переменную входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон. Данные приборы могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока. Показания приборов соответствуют среднеквадратическому значению измеряемой величины, и показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала.

Недостатки электростатических приборов.

Приборы имеют квадратичную шкалу, малую чувствительность из-за слабого электростатического поля и невысокую точность. Кроме того, приборы требуют применения экрана и не исключают возможность электрического пробоя.

Что такое электроизмерительный прибор: точность и принцип действия

Класс устройств, которые применяются для измерения электрических величин, называются электроизмерительными приборами. Наиболее известные из них – амперметры, вольтметры и омметры.

Сфера применения

Электроизмерительный прибор является необходимым устройством в связи, энергетике, промышленности, на транспорте, в медицине и научных исследованиях. Применяется это устройство и в быту, например для учета потребленной электроэнергии.
А если применить специальные преобразователи величин неэлектрических в электрические, то диапазон применения электроизмерительных приборов становится значительно шире.

Классификация электроизмерительных приборов

Один из существенных признаков систематизации подобных устройств — воспроизводимая или измеряемая физическая величина. Согласно ему приборы подразделяются:

— на измеряющие силу электрического тока – амперметры,

— измеряющие электрическое напряжение – вольтметры,

— измеряющие электрическое сопротивление – омметры,

— измеряющие частоту колебаний электротока – частотомеры,

— измеряющие различные величины – мультиметры или авометры, тестеры,

— для воспроизведения указанных сопротивлений – магазины сопротивлений,

— измеряющие мощность электрического тока – варметры и ваттметры,

— измеряющие потребление электрической энергии – электросчетчики и пр.

Другие признаки систематизации

Существуют и другие признаки, по которым классифицируют такой вид устройств, как электроизмерительный прибор. Это может быть:

1. Назначение: меры, измерительные приборы и преобразователи, измерительные системы и установки, прочие вспомогательные устройства.

2. Система предоставления полученного результата: регистрирующие (графическое изображение на фотопленке или бумаге либо в виде компьютерного файла) или показывающие.

3. Способ измерения: приборы сравнения или непосредственной оценки.

4. Способ использования и конструктивные особенности: переносные, щитовые (закрепляются на специальной панели или щите), стационарные.

По принципу действия классификация электроизмерительных приборов выглядит следующим образом:

  • электромеханические, которые, в свою очередь, подразделяются:
  • электронные;
  • электрохимические;
  • термоэлектрические.

Система обозначений

За рубежом заводы-изготовители устанавливают свои обозначения на выпускаемых измерительных устройствах. В России и некоторых бывших республиках Советского Союза традиционна унифицированная система знаков. Основана она на принципе работы конкретного прибора. Основные электроизмерительные приборы в обозначении всегда имеют прописную букву русского алфавита, которая указывает на принцип действия устройства. А также число, которое обозначает условный номер модели. Иногда можно встретить прописную букву М, которая обозначает, что прибор модернизированный или К (контактный). Есть и другие, обозначения. Например, Д (электродинамические приборы), Н (самопишущие приборы), Р (меры, устройства, измеряющие параметры элементов электросетей, измерительные преобразователи), И (индукционные приборы), Л (логометры) и пр.

Показатели точности

Одна из главных характеристик прибора для электроизмерений – класс точности. Их существует несколько. А определяется он по зависимости от допустимого предела погрешности, вызванной конструктивными особенностями отдельно взятого устройства.

Точность электроизмерительных приборов не может быть равна погрешности относительной или абсолютной. Последняя не является определителем точности, а относительная имеет зависимость от значения величины, подвергшейся изменению, то есть для различных участков шкалы будет иметь разные значения.

Поэтому для характеристики точности электроприбора применяется приведенная погрешность (ɣ). Определяется она отношением погрешности абсолютной конкретного прибора (∆x) к максимуму (или пределу) измеряемой величины (xпр). Полученная величина, выраженная в процентах, и будет классом точности конкретного прибора:

Любой электроизмерительный прибор на шкале обязательно имеет указание на класс точности. Согласно ГОСТу он может быть 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0. На этом основании приборы можно классифицировать следующим образом:

— класс точности 0,05 и 0,1 — образцовые, использующиеся для поверки точных приборов (например, лабораторных);

— класс точности 0,2 и 0,5 – лабораторные, используются в лабораториях для производства измерений и поверки технических приборов;

— класс точности 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0 – технические, применяются для технических измерений.

Электроизмерительные приборы: принцип действия

Работа большей части электроизмерительных приборов основана на магнитоэлектрическом эффекте. Электроны, двигаясь по проводнику электрической цепи, образуют вокруг себя магнитное поле. В нем и перемещается стрелка измеряющего устройства, реагируя на силу окружающего поля. Чем магнитное поле слабее, тем меньше отклонение стрелки и наоборот.

Если в непосредственной близости от проводника, через который не протекает электрический ток, подвешена стрелка, то реагировать она может только на магнитное поле Земли. Но если через проводник пропустить ток, стрелка будет уже реагировать на магнитное поле электрического тока. Таким образом, механическое отклонение стрелки провоцируют электроны, двигаясь через проводник. И следовательно, чем больше электрический ток, тем сильнее образованное им поле и тем дальше от начального положения отклоняется стрелка. Этот незатейливый принцип является основополагающим для большинства электроизмерительных приборов.

Один электроизмерительный прибор отличается от другого не измерительным отклонением стрелки (приборов с цифровым индикатором это не касается), а внутренними цепями и способами создания электромагнитного поля. Как известно, для движения в электрической сети электронов необходима нагрузка. Поэтому это движение имеет некоторые различия в омметрах, вольтметрах и амперметрах, имеющих измерительные клещи. Приборы с такими захватами «вытягивают» магнитное поле из пластинок, их образующих. В вольтметре для получения магнитного поля применяется резистор, который получает нагрузку при подаче на цепь напряжения. Омметр имеет индивидуальный источник питания и использует устройство, которое подвергает измерению, для образования магнитного поля.

Описанные выше приборы проводят измерения одинаковым способом, притом что подача нагрузки и источники питания у них разные.

Измерительное смещение стрелки, провоцируемое магнитным полем движущихся электронов, указывает на какое-либо деление шкалы. Их обычно несколько, и у каждой свой предел измерения напряжения, сопротивления и тока. На некоторых приборах для удобства пользователя продуман селекторный переключатель.

Как работают цифровые измерители

Цифровые электроизмерительные приборы имеют высокий класс точности (погрешность варьируется от 0,1 до 1,0 %) и широкий предел измерений. Они быстродейственны и могут совместно работать с электронно-вычислительными машинами, что позволяет передавать результаты измерений без каких-либо искажений на различные расстояния.

Эти устройства считаются приборами сравнения и непосредственной оценки. Их работа основана на принципе перевода измеряемой величины в код, благодаря чему пользователь имеет цифровое представление информации. Ещё какие электроизмерительные приборы относятся к цифровым? Это устройства, которые, измеряя непрерывную электрическую величину, автоматически конвертируют её в дискретную, кодируют и выдают результат в цифровой форме, удобной для считывания пользователем.

Устройства, расположенные в одном корпусе

Это приборы, которые для неодновременного измерения нескольких величин используют один механизм для измерения. Или же они имеют несколько преобразователей с общим для всех отсчетным устройством (шкалой). Она градуируется в единицах измеряемых величин. Чаще всего комбинированные электроизмерительные приборы совмещают в себе устройства, измеряющие силу постоянного или переменного тока и электрического напряжения (ампервольтметры); сопротивления, силы постоянного и переменного тока, напряжение (авометры или ампервольтомметры). А также существуют универсальные цифровые электроизмерительные приборы, которые измеряют напряжение постоянного и переменного тока, индуктивность и количество импульсов.

Примером такого устройства может служить новая разработка «Актаком ADS-4031». Прибор от компании «Актаком» гармонично сочетает в себе функциональный генератор, цифровой осциллограф, частотомер, RLC-метр и цифровой мультиметр. Кроме основных пяти совмещенных устройств, осциллографический тестер благодаря дополнительным приспособлениям может использоваться для ряда других измерительных задач.

Производство и разработка электроизмерительных приборов

На территории России работают и активно продвигают на рынок свою продукцию как новые предприятия, так и заводы, ведущие свою историю со времен СССР. Рассмотрим их более подробно.

ОАО «Электроприбор»

Один из таких долгожителей — Чебоксарский завод электроизмерительных приборов. Сегодня он называется ОАО «Электроприбор». Его цеха выпускают аналоговые и цифровые электроизмерительные устройства и шунты. В прайсах завода – амперметры, вольтметры, ватт- и варметры, многофункциональные устройства для измерений. А также измерительные преобразователи напряжения, тока, частоты и мощности. В современных реалиях завод принял к производству линейку вспомогательных изделий – шунтов, которые способны расширять диапазон измерения по напряжению и току. Выпускает «Электроприбор» трансформаторы и добавочные сопротивления.

Пользуются большим спросом приборы с электронными преобразователями, измеряющими частоту реактивной или активной мощности, а также ее коэффициент. Не менее популярны индикаторы, приборы для оснащения специализированных учебных кабинетов, различные цифровые приборы и комплектующие. В конце прошлого века предприятие получило сертификат, подтверждающий систему менеджмента качества ИСО 9001, соответствующую международному стандарту.

Чебоксарский завод более 55 лет занимает лидерские позиции среди производителей электроизмерительных приборов.

ОАО «НИИ Электромера»

65 лет назад, согласно Постановлению Совета министров СССР, был образован ВНИИЭП — Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов. Кроме научно-исследовательских работ по разработке новейших образцов техники здесь изготавливали небольшие серии высокоточных, уникальных приборов.
Разрабатывая системы электроизмерительных приборов, предназначенных для автоматизации экспериментов и промиспытаний сложной техники, институт создал измерительно-управляющие комплексы.

В конце прошлого столетия ВНИИЭП преобразован в ОАО «НИИ Электромера».

ООО «Белтехприбор»

Одно из современных предприятий – ООО «Белтехприбор». Здесь постоянно расширяют номенклатуру выпускаемой продукции. Сегодня контрольно-измерительные приборы и низковольтное оборудование поставляется на отечественные предприятия машиностроительного, электромеханического, топливно-энергетического и нефтеперерабатывающего профиля.

Электростатические измерительные приборы принцип работы уравнения шкалы

Элекродинамические измерительные приборы.

Электродинамический измерительный механизм работает по принципу взаимодействия магнитных потоков двух катушек. Электродинамический механизм состоит из двух катушек. Одна из них подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, протекающие по этим катушкам и магнитные потоки ими образуемые при своем взаимодействии создают вращающий момент.

Устройство электродинамического механизма и векторная диаграмма, поясняющая его работу, приведены на рисунке:

Электромагнитная энергия, запасенная в данной системе определяется выражением:

где: Lн и Lп — индуктивности, соответственно, неподвижной и подвижной катушек.

Iн и Iп — токи неподвижной и подвижной катушек.

Мн.п. — коэффициент взаимной индуктивности между неподвижной и подвижной катушками.

Вращающий момент, возникающий в данном механизме, определяется как:

Если учесть, что Lн и Lп, а также Iн и Iп не зависят от пространственного положения катушек, после дифференцирования можно записать:

При этом условии угол перемещения подвижной части будет определятся как:

При включении в цепь синусоидального тока по катушкам будут протекать токи: по неподвижной — , по подвижной .

Мгновенное значение вращающего момента:

.

Среднее за период значение вращающего момента:

— угол сдвига между векторами токов (см. векторную диаграмму).

Тогда уравнение шкалы для данного механизма будут иметь вид:

Если чувствительность прибора обозначить как:

уравнение шкалы будет иметь вид:

.

От сюда видно, что: Р, т.е. данный механизм пригоден для измерения активной мощности цепи и применяется в ваттметрах.

Приборы электродинамической системы имеют малую чувствительность и большое самопотребление. Применяются в основном при токах 0.1…10А и напряжениях до 300 В.

Электромагнитные измерительные приборы.

В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферромагнитный (чаще пермоллоевый) лепесток. Устройство измерительного механизма электромагнитного типа показано на рисунке:

Вращающий момент в данной системе определяется как:

,

где — производная энергии по углу перемещения сердечника.

— производная индуктивности катушки по углу перемещения сердечника.

При включении прибора в цепь переменного тока среднее за период значение вращающего момента определяется выражением:

где m(t)- мгновенное значение вращающего момента.

Im — максимальное значение тока, протекающего по катушке.

Уравнение шкалы прибора выглядит следующим образом:

Из уравнения видно, что шкала не равномерна и носит квадратичный характер. Для уменьшения неравномерности шкалы прибора необходимо, чтобы чувствительность была также неравномерна в зависимости от угла поворота. Это достигается выбором формы лепестка.

Чувствительность электромагнитного измерительного механизма определяется выражением:

.

Достоинства электромагнитных механизмов.

Пригодность для работы в цепях постоянного переменного тока; большая перегрузочная способность; возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений; простота конструкции.

Недостатки электромагнитных механизмов.

Неравномерная шкала; невысокая чувствительность; большое самопотребление мощности; подверженность влиянию изменения частоты; подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры.

Промышленностью выпускаются приборы на токи 0…100А, на напряжения 0…600В, с классами точности 1 и ниже и частотным диапазоном до 1000 Гц.

Электростатические измерительные приборы.

Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами.

Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке а приведена схема с изменяющейся площадью электродов, а на рисунке б- с изменяющимся расстоянием между электродами.

Вращающий момент в приборах электростатической системы определяется уравнением:

.

При работе измерительного механизма на переменном напряжении вращающий момент определяется как:

.

С- емкость между подвижным и неподвижным электродами.

Уравнение шкалы прибора имеет вид:

.

Достоинства электростатических приборов.

Приборы электростатического типа имеют высокое входное сопротивление, малую, но переменную входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон. Данные приборы могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока. Показания приборов соответствуют среднеквадратическому значению измеряемой величины, и показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала.

Недостатки электростатических приборов.

Приборы имеют квадратичную шкалу, малую чувствительность из-за слабого электростатического поля и невысокую точность. Кроме того, приборы требуют применения экрана и не исключают возможность электрического пробоя.

Ферродинамическими называются приборы, у которых неподвижная катушка электродинамического механизма намотана на магнитопроводе. Это защищает от внешних электромагнитных полей и создает больший вращающий момент.

Принцип действия ферродинамического механизма следующий:

Радиальное в воздушном зазоре магнитное поле неподвижной катушки, взаимодействуя с полем подвижной катушки, создает вращающий момент, мгновенное значение которого равно:

Sп, nп, iп — соответственно площадь, число витков и мгновенное значение тока в подвижной катушке.

В(t)- мгновенное значение магнитной индукции в воздушном зазоре.

Ток в неподвижной катушке определяется как:

.

Среднее значение вращающего момента за период будет равно:

Механизм рассчитывается таким образом, чтобы рабочий участок изменения индукции на кривой намагничивания был линеен. С учетом этого можно записать:

КB— коэффициент пропорциональности.

Принимая во внимание вышесказанное, уравнение для вращающего момента может быть записано как:

Уравнение шкалы прибора:

Если принять, что чувствительность прибора равна:

Уравнение шкалы прибора:

.

Достоинства электродинамических приборов.

К достоинствам приборов данного типа относятся: независимость от внешних магнитных полей, достаточно высокая, в сравнении с приборами электродинамической системы, чувствительность и малое потребление мощности.

В цепях синусоидального тока показания приборов электродинамической системы пропорциональны действующим значениям измеряемых величин.

Индукционные измерительные приборы. Счетчики электрической энергии.

На основе индукционного измерительного механизма выполняются, как правило, счетчики электрической энергии. Устройство и векторная диаграмма прибора индукционной системы показаны на рисунке:

Механизм состоит из двух индукторов выполненных в виде стержневого и П-образного индукторов, между которыми находится подвижный неферромагнитный (алюминиевый) диск. На индукторах намотаны обмотки, по которым протекают соответственно токи I1 и I2, возбуждающие магнитные потоки Ф1 и Ф2. С осью диска связан счетный механизм, который считает число оборотов диска. Для предотвращения холостого вращения диска (для предотвращения самохода) в непосредственной близости от него укреплен постоянный магнит (тормозной магнит). Принцип действия прибора следующий:

При подключении прибора в сеть переменного тока токи I1 и I2 возбуждают магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые совпадают по фазе с соответствующими токами (см. векторную диаграмму). Магнитные потоки, пересекая плоскость диска, индуцируют в нем переменные Э.Д.С. Е1 и Е2 которые отстают от своих потоков на угол . Под действием этих Э.Д.С. в диске возникают два вихревых тока Iд1 и Iд2 совпадающих по фазе с соответствующими Э.Д.С. (сопротивление диска считаем чисто активным).

В результате втягивания контура тока Iд1 потоком Ф2 и выталкивания контура тока Iд2 потоком Ф1, возникают два противоположно-направленных момента, действующих на диск. Их мгновенные значения:

к1 и к2— коэффициенты пропорциональности.

Уравнения для магнитных потоков можно записать как:

Вихревые токи, наводимые в диске соответствующими потоками, будут определяться как:

Среднее значение моментов можно рассчитать по формулам:

Так как , а уравнение для суммарного вращающего момента, действующего на диск, будет равно:

Токи, наводимые в диске, могут быть определены как:

и .

f- частота питающий цепи, к3 и к4- коэффициенты пропорциональности.

или:

;

Максимальный вращающий момент достигается при .

Для создания тормозного момента и обеспечения равномерного вращения диска в конструкции предусмотрен постоянный тормозной магнит.

В результате взаимодействия поля магнита и вращения диска, возникает вихревой ток:

.

w- угловая скорость вращения диска, к5- коэффициент пропорциональности.

Взаимодействие iв с Фп вызывает тормозной момент, равный:

или .

Достоинства приборов индукционной системы.

Приборы имеют большой вращающий момент, мало подвержены влиянию внешних магнитных полей и имеют большую перегрузочную способность.

Недостатки приборов индукционной системы.

К недостаткам следует отнести невысокую точность, большое самопотребление, зависимость показаний от частоты и температуры.

Однофазный счетчик электрической энергии.

Если катушку 1 включить параллельно источнику энергии, а катушку 2 последовательно потребителю, тогда:

Из векторной диаграммы видно, что при .

Тогда можно записать:

.

При неизменной мощности нагрузки Р, вращающий и тормозной моменты равны друг другу.

, или . Если это равенство представить в виде: , то после интегрирования за промежуток времени от t1 до t2 получим:

.

— постоянная прибора; N- число оборотов за время t=t2-t1

Величина, называемая постоянной счетчика, определяется следующим выражением:

.

Величина, называемая номинальной постоянной счетчика, определяется как:

.

k- передаточное число счетчика – число оборотов на единицу энергии.

Погрешность счетчика, обусловленная трением оси в опорах и другими неучтенными факторами, рассчитывается по формуле:

.

Однофазные счетчики выпускают на частоты 50 и 60 Гц, на рабочий ток до 40 А и на напряжения 110, 120, 127, 220, 230, 240 и 250 В. Классы точности счетчиков ниже 1.

Совокупность двух или трех однофазных измерительных механизмов образуют трехфазный счетчик.

Промышленностью выпускаются счетчики типов:

Счетчики активной энергии – СА 3- для трех проводных цепей и СА 4 для четырех проводных цепей.

Счетчики реактивной энергии – СР 3 для трех проводных цепей и СР 4 для четырех проводных цепей.

Счетчики реактивной энергии для однофазных цепей не выпускаются.


источники:

http://www.syl.ru/article/300031/chto-takoe-elektroizmeritelnyiy-pribor-tochnost-i-printsip-deystviya

http://library.ispu.ru:8001/metrolog/lecture09.htm