какие бывают и отличия между ними, принцип действия и как правильно подключаться

Необходимость применения вольтметра возникает у большинства домовладельцев, автолюбителей, не говоря уже о радиолюбителях. Определить наличие напряжения в домашней сети при отсутствии света в доме, измерить вольтаж аккумуляторной батареи в случае её разряда, настроить собранную радиолюбителем конструкцию — во всех этих ситуациях без его использования не обойтись.

Типы и виды вольтметров

Все вольтметры можно разделить по: принципу действия, назначению, способу применения и конструкции.

По принципу действия устройства делятся на группы:

• Вольтметры электромеханические.
• Электронные вольтметры.

Рассмотрим конкретно каждую группу.

Электромеханические и электронные вольтметры

Эти измерительные приборы являются устройствами прямого преобразования. Измеряемая величина в них преобразуется напрямую в показания на шкале устройства отсчёта. Она предназначена для визуальной оценки измеряемого напряжения.

Шкала выглядит как последовательность отметок с числами и составляет неподвижную часть прибора. Расстояние между двумя соседними отметками — цена деления шкалы. Шкалы могут быть линейными и нелинейными, односторонними (отметка «0» расположена у начала) и двусторонними (отметка «0» расположена в середине). На шкале обычно наносится число, обозначающее класс точности прибора.

Подвижная часть устройства состоит из рамки, находящейся между полюсов постоянного магнита. По обмотке рамки протекает ток. С подвижной рамкой связана стрелка, по величине угла отклонения которой можно по шкале оценить значение измеряемого параметра. Этот угол напрямую зависит от тока, протекающего через обмотку рамки, а значит и от величины напряжения, которое измеряется.

Такие приборы используют для измерения магнитоэлектрический метод. Он наиболее часто используется в электромеханических приборах для измерения различных физических величин.

Следует отметить, что такие приборы отдельно используются довольно редко. Как правило, они являются составной частью более сложных по схемному исполнению устройств.

Кроме, магнитоэлектрического способа измерения в электромеханических приборах используют и другие: электромагнитный, электродинамический, ферродинамический, термоэлектрический, способ выпрямления.

Применение этих приборов исходя из требований, предъявляемых к измерителям напряжения, более предпочтительно, чем электромеханических. А требования эти таковы — уменьшение методической погрешности измерения.

Для измерения напряжений в различных точках схемы вольтметр подключают параллельно измеряемой цепи. Поэтому его использование не должно искажать реальную картину. Он не должен шунтировать участок схемы, следовательно, его входное сопротивление должно быть большим (в идеале стремиться к бесконечности).

Вольтметры электронные можно разделить на две группы. Одну составляют аналоговые приборы, другую цифровые. Различия между ними заключается в форме предоставления информации о результатах измерения.

Возможные аналоги

Входное напряжение, величину которого необходимо измерить, поступает на масштабирующее устройство. Оно выполнено в виде многопредельного резисторного делителя высокого класса точности. Количество резисторов соответствует количеству диапазонов измерения напряжения.

После резисторного делителя сигнал поступает на усилитель постоянного тока (УПТ). Его назначение — усилить входное напряжение, прошедшее через делитель, до величины, требуемой для нормальной работы устройства индикации. УПТ также необходим для повышения входного сопротивления прибора и согласования его с низкоомной обмоткой рамки указателя магнитоэлектрической системы.

Устройство электромеханического прибора, по которому в аналоговых вольтметрах производится отсчёт измеряемой величины напряжения, был рассмотрен выше.

Высокое входное сопротивление этого прибора определяется в основном схемой УПТ. В ней широко используется применение транзисторов, включённых по схеме эмиттерного повторителя сигнала, или полевых транзисторов.

Точность аналоговых вольтметров определяется классом точности резисторов входного устройства и классом точности головки микроамперметра, по стрелке которого производится отсчёт измеренного напряжения.

Для измерения напряжений малой величины применение в схеме прибора усилителя постоянного тока не всегда приводит к достаточной точности измерений.

В милливольтметрах измерения производятся на переменном токе. Постоянное входное напряжение преобразуется в переменное с помощью собственного модулятора. Усилитель переменного тока обладает лучшими характеристиками в отношении линейности, дрейфа нуля, коэффициента усиления, мало зависящего от температуры. После усиления переменное напряжение детектируется. Стабильное выпрямленное постоянное напряжение поступает на стрелочный электромеханический прибор.

Если вольтметром необходимо измерить переменное напряжение, то его схема изменится. Существуют две разновидности схем.

В одной из них входное напряжение детектируется и затем усиливается усилителем постоянного тока.

В схемах с другим построением усиливается сначала входное переменное напряжение усилителем переменного тока. После этого сигнал выпрямляется детектором.

В зависимости от требований, предъявляемых к результатам измерений, выбирается либо одно построение схемы, либо другое.

Первый вариант используется там, где необходимо произвести измерение в широком диапазоне частот (от 10Гц до 1000МГц).

Применение второго варианта построения имеет место при измерении очень малых переменных напряжений (единицы микровольт).

Цифровые вольтметры

Измерители этого вида в процессе обработки представляют входное напряжение в виде ступенек (дискретных значений). Его значение отображается на индикаторе прибора в цифровом виде.

Входное устройство (ВУ) производит определение масштаба входного сигнала, его фильтрацию от помех. При измерении переменного напряжения производится его выпрямление. Таким образом, схема ВУ содержит делитель напряжения, фильтр сетевых помех, усилитель сигнала.

Фильтр необходим для повышения точности измерений, потому что сигнал помехи может восприниматься в виде полезного сигнала и после её дискретизации на выходном индикаторе отобразятся цифры, не соответствующие измеряемой величине полезного входного сигнала.

В «продвинутых» моделях дополнительно имеются устройства, осуществляющие выбор полярности и пределов измерения автоматически.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет представление напряжения на входе прибора в виде интервала времени, длительность которого зависит от его величины. Этот интервал заполняется импульсами, которые вырабатывает собственный генератор вольтметра. Счётчик по командам устройства управления производит их подсчёт и на цифровом индикаторе прибора появляется цифровое значение величины, пропорциональное количеству импульсов.

Поскольку электронные компоненты ВУ имеют значительное входное сопротивление, цифровые вольтметры очень незначительно влияют на сопротивление участка цепи, на которой производится измерение. Точность их показаний намного выше, чем у всех предыдущих вольтметров.

Работать с прибором стало значительно проще. Нет необходимости производить дополнительный пересчёт полученного значения с учётом выбранной шкалы и установленного множителя (как у аналоговых вольтметров). Но требования, предъявляемые к качеству питающего напряжения очень высоки.

Основные характеристики приборов

Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше его влияние на измеряемую цепь. Поэтому приборы с более высоким входным сопротивлением обладают большей точностью при проведении измерений.

Для того чтобы оценить возможности прибора, его преимущества по сравнению с другими, сделать окончательный вывод о возможности его приобретения необходимо внимательно ознакомиться с его техническими параметрами, к которым относятся:

• внутреннее сопротивление вольтметра;
• диапазон измеряемых вольтметром напряжений;
• диапазон частот переменного напряжения;
• погрешность измерения прибора.

Диапазон необходимо учитывать исходя из того, с какими величинами напряжений придётся иметь дело. Большинство вольтметров позволяют проводить измерение напряжений от нескольких десятков милливольт до сотен вольт. Этот диапазон вполне приемлем для многих пользователей. Исключение составляют милливольтметры с расширенным диапазоном и киловольтметры.

Погрешность показывает возможное отклонение измеряемой величины от эталонной. Определяется на этапе заводских испытаний прибора. Выражается в процентах или долях процента.

Все эти параметры представлены в описании на конкретный прибор.

Самодельные устройства

Как сделать вольтметр своими руками, для чего он нужен, как устроен, как подключается вольтметр, как пользоваться вольтметром — вот неполный перечень вопросов, которые возникают у начинающих радиолюбителей и простых пользователей. Принцип действия вольтметра или принцип работы вольтметра был рассмотрен ранее при рассмотрении разных его типов и видов.

При совсем небольших затратах можно самостоятельно его изготовить. Основной его частью является стрелочный измерительный прибор. На шкале присутствует обозначение напряжения — латинская буква «V». Конечно, желательно иметь вольтметр с необходимым диапазоном измерения. В левой части шкалы должна быть отметка «О», а в правой — число, которое показывает предельное значение напряжения, измеряемого этим прибором.

Это значение определяется величиной добавочного резистора, находящегося в корпусе готового прибора и током полного отклонения стрелки микроамперметра.

Часто при работе приходится измерять значения напряжений в широком диапазоне. Для обеспечения допустимой точности приходится использовать одну общую шкалу с набором добавочных сопротивлений. Их количество зависит от величин напряжений, которые необходимо измерять при работе.

Использование добавочных сопротивлений дают возможность измерять напряжения, величины которых больше последнего числа шкалы. Для измерения напряжений меньшего значения с достаточной точностью необходимо найти прибор с числом максимального значения шкалы меньшей величины или переделать существующий путём изменения величины добавочного сопротивления в корпусе прибора.

Входное сопротивление стрелочного вольтметра оценивается показателем относительного (удельного) сопротивления. Единица его измерения — кОм/В. То есть для разных значений измеренного напряжения величина входного сопротивления прибора будет разной. Отсюда вывод — наибольшей точности измерения соответствует правая часть шкалы. Внутреннее сопротивление вольтметра здесь имеет большее значение и его подключение оказывает меньшее негативное воздействие на работу схемы. Необходимо выбирать прибор с большей величиной удельного сопротивления.

Если приходится измерять переменное напряжение, то при небольшом усложнении схемы самодельного прибора можно решить и эту задачу. Входное напряжение необходимо выпрямить, сделать его однополярным.

Ток для нормальной работы микроамперметра прибора должен протекать по обмотке рамки прибора только в одном направлении (клеммы прибора имеют маркировку «+» и «-«). Только в этом случае стрелка прибора отклонится. Выпрямление может быть однополупериодным или двухполупериодным. Это зависит от выбранной схемы выпрямителя. При определении реальной величины напряжения показания стрелочного прибора разделить примерно на 3 (выпрямление однополупериодное) или на 1,5 (выпрямление двухполупериодное).

Несколько советов начинающим

Эти советы помогут новичкам, которым впервые приходится использовать вольтметр в своей работе. Их немного:

• Подключение вольтметра.
• Соблюдение полярности.

Полярность подключаемых измерительных щупов вольтметра должна соответствовать полярности напряжения, указанного на схеме.

Вольтметр всегда надо подсоединять параллельно измеряемой цепи. Этим он отличается от амперметра, который включается в разрыв. Для двухполупериодной схемы выпрямления переменного тока полярность измерительных щупов можно не учитывать. Щупы надо держать так, чтобы руки касались только изолированной их части.

Лекция №3 — Электронные вольтметры

ЛЕКЦИЯ №5

ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерениях практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д.

Достоинства электронных измерительных приборов:

1. высокая чувствительность обусловлена применением усилителей;

2. малое потребление энергии из цепи, в которой производят измерение, что определяется высоким входным сопротивлением данных приборов;

3. широкий диапазон частот, в котором чувствительность неизменна.

Недостатки:

1. сложность, обусловленная большим числом деталей и элементов;

2. необходимость в источниках питания электронных устройств, входящих в прибор;

3. сравнительно невысокая надежность, обусловленная большим числом элементов.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированный в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен МГц).

Существуют множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 5.1, где ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм; U_x– измеряемое напряжение.

Рис. 5.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления

УПТ k_УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ, характеризующейся изменением k_УПТ и самопроизвольным изменением выходного сигнала усилителя (дрейф «нуля»). Поэтому в таких вольтметрах k_УПТ≈1, а основное назначение УПТ – обеспечить большое входное сопротивление вольтметра.

Данная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров, поскольку при незначительном усложнении – добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 5.2), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 5.2,а измеряемое напряжение u_х, сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. В то же время указанные недостатки

УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными.

Рис. 5.2. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис. 5.2,б, благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, – трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 – 10 МГц).

Различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения.

Рис. 5.3. Схема (а) и временная диаграмма сигналов преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 5.3,а) входом, где u_вх и u_вых – входное и выходное напряжение преобразователя. Если вольтметр имеет структуру рис. 5.3,

а, то для преобразователя u_вх=u_х. В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального u_хmax положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (рис. 5.3,б). Пульсации напряжения u_вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда u_вх>u_вых, и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда u_вх<u_вых.

Универсальные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 5.4, где В – переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение 1) или вольтметра постоянного тока (положение 2).

Рис. 5.4. Структурная схема универсального вольтметра

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений

R_х. В таких вольтметрах имеется преобразователь П_R, выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: U_вых=f(R_x). На основании этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3.

Импульсные вольтметры. Для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы применяют импульсные вольтметры. Особенности работы импульсных вольтметров определяются малой длительностью τ измеряемых импульсов (от 10-100 нс) и значительной скважностью

(до 10⁹), где Т – период следования импульсов.

Импульсные вольтметры могут быть выполнены по структурной схеме рис. 5.2,а, при этом используют преобразователи амплитудных значений с открытым входом (рис. 5.3,а). Большая скважность импульсов и малая их длительность предъявляют жесткие требования к преобразователям амплитудных значений. Поэтому в импульсных вольтметрах применяют компенсационные схемы амплитудных преобразователей (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Компенсационная схема амплитудного преобразователя

Входные импульсы u_вх заряжают конденсатор С₁. Переменная составляющая напряжения на этом конденсаторе, вызванная подзарядом его измеряемыми импульсами и разрядом между импульсами (аналогично рис. 5.3,б), усиливается усилителем У переменного тока и выпрямляется с помощью диода D₂. Постоянная времени цепи RC₂ выбирается достаточно большой, поэтому напряжение на конденсаторе С₂ в промежутке между импульсами изменяется незначительно. С выхода преобразователя при помощи резистора

R_о.с. обратной связи на конденсатор С₁ подается компенсирующее напряжение. При большом коэффициенте усиления усилителя это приводит к значительному уменьшению переменной составляющей напряжения на конденсаторе С₁, вследствие чего в установившемся режиме напряжение на конденсаторе практически равно амплитуде измеряемых импульсов, а выходное напряжение пропорционально этой амплитуде: .

Селективные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.

Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выделенных сигналов.

Физически реализуемый полосовой фильтр не обладает строго прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Это может привести к тому, что через такой фильтр пройдут соседние гармонические составляющие с некоторым коэффициентом передачи. В этом случае селективный вольтметр измеряет действующее значение суммы гармонических составляющих, прошедших через фильтр, с учетом реальных коэффициентов передачи для каждой составляющей.

Рис. 5.6. Структурная схема селективного вольтметра

Измеряемый сигнал u_х через избирательный входной усилитель ВУ подается на смеситель См, предназначенный для преобразования частотного спектра измеряемого сигнала. На выходе смесителя появляется сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу, но с частотами спектра , где — частота гармонических составляющих входного сигнала; — частота сигнала синусоидального генератора Г (гетеродина). Усилитель промежуточной частоты УПЧ настроен на некоторую фиксированную частоту . Поэтому на выход УПЧ пройдет только та составляющая выходного сигнала смесителя, частота которой . Этот сигнал соответствует гармонической составляющей измеряемого сигнала с частотой . Действующее значение этой гармонической составляющей измеряется вольтметром действующего значения ВДЗ. Изменяя частоту генераторов , можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих сигнала u_х.

Функцию полосового фильтра в этой схеме выполняет УПЧ. Благодаря фиксированному (неперестраиваемому) значению частоты настройки УПЧ этот усилитель имеет большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольтметра.

Электронный вольтметр типа Д-У

 

 

 

1 – Вход 1 (~ U)

ВД – Входной делитель обеспечивает высокое входное сопротивление, расширяет предел измерения, предохраняет схему от перегрузок.

Д – Детектор — устройство, с помощью которого переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное, а затем выделяется среднеквадратичное значение напряжения

ВД – Входной делитель.

5 – Вход 2 ( – U)

УПТ- повышает чувствительность вольтметра, усиливает исследуемую величину до напряжения, при котором срабатывает измерительный механизм индикаторного устройства. Обеспечивает равномерное усиление во всём диапазоне и минимальный дрейф нуля.

И – Магнитоэлектрическая система индикации

Достоинства:

· Измеряет и постоянное и переменное напряжение.

· Широкий диапазон (до единиц ГГц)

Недостаток:

· Низкая чувствительность

Электронный вольтметр типа У-Д

 

1 – Вход 1 (~ В)

ВД – Входной делитель обеспечивает высокое входное сопротивление, расширяет предел измерения, предохраняет схему от перегрузок.

ШПУ – Широкополосный усилитель предназначен для равномерного усиления переменного напряжения в широком частотном диапазоне, повышает чувствительность схемы.

Д — Детектор — устройство, с помощью которого переменное напряжение сначала выпрямляется, а затем выделяется среднеквадратичное значение напряжения.

И – Магнитоэлектрическая система индикации

Достоинства:

· Высокая чувствительность, за счёт использования ШПУ.

Недостатки:

· Измеряет только переменное напряжение.

· Узкий частотный диапазон.

 

Основные технические характеристики вольтметров для измерения переменного напряжения.

o Предел измерения

o Погрешность измерения напряжения.

o Частотный диапазон.

o Основная погрешность измерения в зависимости от частоты.

o Входное сопротивление.

o Измеряемая форма напряжения.

Тема 4.4. Цифровой вольтметр.

 

Достоинства:

· Высокая точность

· Высокая чувствительность

· Высокое быстродействие

Недостаток:

· Сложность конструкции

 

 

— U_x

 

 

 

~ U

 

Рис. 9. Структурная схема цифрового вольтметра и временные диаграммы

 

Принцип действия данного вольтметра заключается в том, что измеряемое напряжение первоначально преобразуется во временной интервал, а затем числовой код эквивалентный измеряемому напряжению.

Исследуемое напряжение U_х подаётся на вход компаратора (сравнивающее устройство) (рис а). На его другой вход подаётся линейно-нарастающее пилообразное напряжение с генератором компенсирующего U (рис б). В компараторе происходит сравнение измеряемого напряжения с пилообразным. Когда линейно-нарастающее напряжение будет равно измеряемому, импульс на выходе компаратора заканчивается (рис в). Таким образом, на вход электронного ключа поступают прямоугольные импульсы. Одновременно на электронный ключ подаются однополярные остроконечные импульсы, со стабильным периодом следования с генератором образцовой частоты (рис г). Электронный счётчик считает количество остроконечных импульсов, которое прошло через открытый электронный ключ (длительность прямоугольного импульса) и преобразует это число в значение измеряемого напряжения, оно отражается на цифровом индикаторе (рис д).

Вывод: измеряемое напряжение зависит от количества импульсов, сосчитанных электронным счётчиком.

где k – коэффициент, зависящий от скорости нарастания пилообразного напряжения.

t_х — длительность импульса на выходе компаратора.

За время t_х проходит определенное количество импульсов с генератора образцовой частоты.

Т – период остроконечных импульсов.

Причины, вызывающие погрешность измерения цифровым вольтметром:

· Нелинейность линейно-нарастающего пилообразного напряжения (искажение формы)

· Нестабильность периода следования остроконечных импульсов с генератора образцовой частоты.

 

Контрольные вопросы

 

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

15. Электромагнитные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин.

Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой со стальным сердечником, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской или круглой катушкой.

Достоинством приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока.

К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.

Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока.

16. Электродинамические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек одной, неподвижно закрепленной, и другой, сидящей на оси и могущей поворачиваться.

Достоинствами электродинамических приборов являются пригодность для измерения постоянного и переменного тока, равномерность шкалы у ваттметров и относительно высокая точность по сравнению с другими приборами, предназначенными для измерений в цепях переменного тока.

К недостаткам относится сильное влияние внешних магнитных полей на точность измерений, чувствительность к перегрузкам и относительно высокая стоимость.

Электродинамические приборы применяют обычно в качестве точных лабораторных приборов, а также в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии в цепях постоянного тока.

17.Ферродинамические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения

Работа ферродинамических приборов основана на том же принципе, что и приборов электродинамической системы. Для усиления магнитного поля в ферродинамическом измерительном механизме применен магнитопровод из ферромагнитного материала.

Ферродинамические приборы используют в качестве щитовых амперметров, ваттметров и вольтметров, работающих в условиях тряски и вибраций (например, на э. п. с. переменного тока). Кроме того, их применяют в качестве самопишущих приборов, так как они имеют значительный вращающий момент, преодолевающий трение в записывающих устройствах.

Достоинства: незначительное влияние внешних магнитных полей, большой вращающий момент, прочная конструкция, устойчивость к вибрациям и ударам, небольшая потребляемая мощность.

Недостатки: дополнительные погрешности вследствие влияния гистерезиса и вихревых токов, зависимость показаний от частоты, невысокая точность щитовых приборов – обычно 1,5; 2,0.

18 Электростатические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения

Принцип действия: основой электростатических приборов является электростатический измерительный механизм с отсчетным устройством.

Они применяются, главным образом, для измерения напряжений переменного и постоянного тока. Находят применение также электрометры — электростатические приборы специальной конструкции, требующие вспомогательных источников питания. Электрометры обладают повышенной чувствительностью к напряжению.

Достоинствами электростатических приборов являются:

малое собственное потребление мощности, что объясняется малыми токами утечки и малыми диэлектрическими потерями в изоляции, малой емкостью измерительного механизма, большой диапазон измеряемых напряжений, возможность измерений на постоянном и на переменном токе, независимость показаний от частоты в широком диапазоне и формы измеряемого напряжения, независимость показаний от внешних магнитных полей.

К недостаткам электростатических приборов можно отнести:

малую чувствительность по напряжению, влияние внешних электростатических полей, что требует экранирование измерительного механизма, неравномерную шкалу (при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 15-25 % до 100 % от ее номинального значения).

Какие достоинства и недостатки имеют электромагнитные измерительные приборы

Электрический прибор имеет электрический измерительный механизм с недвижной катушкой, по обмотке которой протекает электронный ток, и один либо несколько ферромагнитных сердечников, установленных на оси.

Электрические измерительные приборы употребляют в амперметрах, вольтемтрах, частотометрах и фазометрах.

Электрические приборы изготавливают или с плоской, или с круглой катушкой. Плоскую недвижную катушку (рис. 1, а) наматывают обычно из толстой проволоки 1 на неферромагнитный каркас 2 так, что в ней появляется зазор. Рядом с зазором располагают ферромагнитную пластинку 7, ось пластинки размещена асимметрично, на оси укрепляют стрелку 8 прибора, перемещающуюся повдоль шкалы 3 прибора. На оси укреплены противодействующая пружина 6 и дюралевый сектор 5, который может поворачиваться в поле неизменного магнита 4.

Электрический прибор с круглой катушкой устроен последующим образом. Из толстой проволоки намотана круглая катушка 10 (рис. 1, б) с воздушным центральным зазором. Снутри зазора бездвижно размещена ферромагнитная пластинка 11, а на оси закреплена 2-ая, но уже подвижная ферромагнитная пластинка 12. На оси пластинки 12 закреплены противодействующая пружинка 13 и стрелка 14 прибора. Для сотворения противодействующего момента закрепляют на оси дюралевый сектор и устанавливают неизменный магнит — на рисунке не показаны.

Рис. 1. Электрический измерительный механизм: а — с плоской катушкой, б — с круглой катушкой

Плюсы электрических измерительных устройств

Угол отличия стрелки электрического измерительного прибора находится в зависимости от квадрата тока. Это гласит о том, что приборы электрической системы могут работать в цепях неизменного и переменного тока.

При протекании по катушке переменного тока подвижный сердечник перемагничивается сразу с конфигурацией направления магнитного поля, и направление крутящего момента не изменяется, другими словами изменение знака тока не оказывает влияние на символ угла отличия. Показание прибора в цепи переменного тока пропорционально действующим значениям измеряемых величин.

Электрические измерительные приборы ординарны по устройству, дешевы, в особенности щитовые. Они могут конкретно определять огромные токи, потому что катушки у их недвижны и их просто сделать из проводов с большой площадью сечения.

Индустрия изготовляет амперметры электрической системы для конкретного включения на токи до 150 А.

Электрические измерительные приборы выдерживают не только лишь краткосрочные, да и долгие перегрузки, если таковые появляются в процессе измерения.

Недочеты электрических измерительных устройств

К недочетам электрических измерительных устройств можно отнести: неравномерность шкалы и относительно низкую чувствительность при измерении малых токов, другими словами сравнимо низкую точность измерения сначала шкалы, зависимость показаний устройств от воздействия наружных магнитных полей, маленький частотный спектр измерений, огромную чувствительность устройств к колебаниям частот тока и огромное их собственное потребление (достигающее 2 Вт у амперметров на токи до 10 А и 3 — 20 Вт у вольтметров зависимо от напряжения).

У многих устройств шкала близка к равномерной.

Электрические измерительные приборы подвержены воздействию наружных магнитных полей, потому что имеют очень слабенькое собственное магнитное поле. Дело в том, что катушки изготовляют без ферромагнитных сердечников, потому создаваемое в их магнитное поле замыкается по воздуху, а понятно, что воздух представляет собой, среду с очень огромным магнитным сопротивлением. Для устранения воздействия магнитных полей обширно употребляют разные магнитные экраны либо изготовляют приборы в астатическом выполнение

В астатических измерительных устройствах заместо одной катушки с сердечником используют две недвижные катушки и два сердечника, соответственно насаженных на одну ось со стрелкой. Обмотки катушек соединены меж собой поочередно и так, что при прохождении через их измеряемого тока в их создаются магнитные потоки, направленные навстречу один другому.

Если измерительный прибор оказывается во наружном магнитном поле, то оно увеличивает магнитное поле у одной катушки и уменьшает у другой. Как следует, повышение крутящего момента у одной катушки компенсируется таким же уменьшением крутящего момента у 2-ой. Так компенсируется воздействие наружного однородного магнитного поля. Если наружное магнитное поле неоднородно, то происходит только частичная компенсация.

4.4. Электромагнитные приборы

4.4.1. Устройство и принцип действия электромагнитного им

Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками [6]. На рис. 4.6 показана конструкция электромагнитного измерительного механизма втяжного действия. При прохождении тока I по намагничивающей катушке 1 создается магнитное поле. Ферромагнитный сердечник 2, закрепленный на

оси 3, при этом стремится располо-

житься в месте с наибольшей нап-

5 ряженностью поля, т. е. втягивается

4 в зазор катушки. В электромагнит-

3 ном приборе с осью 3 связана

стрелка 4, которая перемещается

2 по шкале 5. Электромагнитная

энергия, создаваемая катушкой с

1 током, определяется следующим

Рис. 4.6 образом: W_e= LI²/2, где L — индук-

тивность катушки 1, зависящая от положения ферромагнитного сердечника 2. Выражение для вращающего момента представляется как

При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора

Из выражения (4.8) следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока угол отклонения подвижной части ИМ зависит от квадрата действующего значения тока.

4.4.2. Области применения, достоинства и недостатки

Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры. В однопредельном амперметре катушка включается непосредственно в цепь тока, как показано на рис. 4.7 а, в вольтметре последовательно с катушкой включается добавочный резистор (рис. 4.7 б).

Рис. 4.8

В многопредельных амперметрах рабочую катушку выполняют из нескольких секций, которые соединяются между собой с помощью переключателя различным образом. На рис. 4.8 показана схема трехпредельного амперметра. В многопредельных вольтметрах последовательно включаются несколько добавочных резисторов, которые переключаются в зависимости от предела.

Промышленностью выпускаются электромагнитные амперметры с номинальным током от долей ампера до двухсот ампер. Большое распространение получили щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты класса точности 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они могут использоваться на повышенных частотах (амперметры до 8 кГц). Лабораторные приборы выпускаются классов точности 0,5 и 1,0 [6]. Кроме рассмотренных измерительных механизмов, применяют также и электромагнитные логометрические механизмы.

Электромагнитный логометрсодержит две катушки и два ферромагнитных сердечника, укрепленных на одной оси. Конструкция выполнена так, что при протекании токов I₁и I₂по катушкам движение одного из сердечников увеличивает индуктивность соответствующей катушки, а второго — уменьшает. Это приводит к тому, что вращающие моменты будут направлены в противоположные стороны, т. е. один момент будет вращающим, а второй — противодействующим. Уравнение преобразования электромагнитного логометрического измерительного механизма можно записать как:

F() = I₁/I₂^.[(dL₂/d)/(dL₁/d)].

Электромагнитные логометры применяются в фазометрах, фарадомерах, частотомерах [4].

Электромагнитные приборы обладают рядомдостоинств, к которым можно отнести: 1) возможность использования как на постоянном, так и на переменном токе; 2) простоту конструкции и дешевизну; 3) надежность в эксплуатации; 4) широкий диапазон пределов измерений; 5) способность выдерживать большие перегрузки и др. [8].

Недостаткамиявляются: 1) большое собственное потребление энергии; 2) малая чувствительность; 3) сильное влияние внешних магнитных полей; 4) неравномерность шкалы. Следует отметить, что изменяя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20-25 % верхнего предела измеряемой величины.

19) Индукционные измерительные приборы. Принцип действия, достоинства, недостатки, область применения.

Эта система характеризуется применением нескольких неподвижных катушек, питаемых переменным током и создающих вращающееся или бегущее магнитное поле, которое индуктирует токи в подвижной части прибора и вызывает ее движение.

Индукционные приборы применяются только при переменном токе в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии (реже амперметров и вольтметров). В настоящее время индукционные ваттметры заводами электроизмерительных приборов не выпускаются. Они заменены, ферро-динамическими ваттметрами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ; показания последних меньше зависят от температуры и частоты. На фиг. 333 показан электромагнит 1 и алюминиевый диск 2, могущий поворачиваться на оси. Проходящий по обмотке электромагнита переменный ток создает переменный магнитный поток, индуктирующий в алюминиевом диске э. д. с.

Индукционные системы измерения.

Область применения.

Применяются в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах.

Ферродинамические приборы выпускаются классом точности не выше 0,2 и 0,5.

Достоинства: надёжны в исполнении, многолетний срок эксплуатации счётчика, независимость от перепадов ЭЭ, дешевле электронных.

Недостатки: класс точности достаточно низок – 2 и 2,5; практически отсутствует защищённость от хищения ЭЭ.

20) Измерительные трансформаторы тока.

Трансформатор тока— трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику тока, а вторичная обмотка замыкается на измерительные или защитные приборы, имеющие малые внутренние сопротивления.

Измерительный трансформатор тока— трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке.

Трансформаторы тока широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защитыэлектроэнергетических систем, в связи, с чем на них накладываются высокие требования по точности. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением, часто составляющим сотни киловольт.

Схемы подключения измерительных трансформаторов тока

В трёхфазных сетях с изолированной нейтралью (сети с напряжением 6-10-35 кВ) трансформаторы тока нередко устанавливаются только на двух фазах (обычно фазы A и C). Это связано с отсутствием нулевого провода в сетях 6 —35 кВ и информация о токе в фазе с отсутствующим трансформатором тока может быть легко получена измерением тока в двух фазах. В сетях с глухозаземлённой нейтралью (сети до 1000В) или эффективно заземлённой нейтралью (сети напряжением 110 кВ и выше) трансформаторы тока в обязательном порядке устанавливаются во всех трёх фазах.

В случае установки в три фазы вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются по схеме «Звезда» (рис.1), в случае двух фаз — «Неполная звезда» (рис.2). Для дифференциальных защит силовых трансформаторов с электромеханическими реле трансформаторы подключают по схеме «Треугольник» (для защиты обмотки трансформатора, соединённой в звезду при соединении защищаемого трансформатора «треугольник — звезда», что необходимо для компенсации сдвига фаз вторичных токов с целью уменьшения тока небаланса). Для экономии измерительных органов в цепях защиты иногда применяется схема «На разность фаз токов» (не должна применяться для защиты от коротких замыканий за силовыми трансформаторами с соединением треугольник — звезда).

Важными параметрами трансформаторов тока являются коэффициент трансформации и класс точности.