Измерение электрических и магнитных величин реферат

Обновлено: 01.07.2024

Измерения играют большую роль в жизни человека. Благодаря измерениям люди избавились от многих неправильных выводов и заключений, которые были сделаны ранее на основании наблюдений за явлениями природы: так, было установлено, что неподвижные звезды в действительности смещаются относительно друг друга, что географический и магнитный полюсы не совпадают, что Земля не есть шар и т. д. Измерения и измерительные приборы дополняют наши органы чувств и позволяют нам воспринимать невидимый свет, познавать и оценивать электрические и магнитные поля. Можно привести еще много примеров, показывающих значение измерений в точных науках, в познании окружающей нас природы.

С помощью измерений осуществляется связь формул теории с экспериментом.

Что касается роли измерений в технике, то достаточно напомнить, что основной современный технический принцип — взаимозаменяемость деталей — неосуществим без широко развитой и технически совершенной измерительной базы. Все вопросы, связанные с качеством продукции, экономичностью производства, борьбой с браком и т. д., также в конечном счете определяются измерениями.

Из всех видов измерений электрические измерения имеют особое значение, так как электрические и магнитные величины, как правило, непосредственно не воспринимаются органами чувств человека. Поэтому обнаружение электрических и магнитных величин, количественное определение их, а также изучение электрических и магнитных явлений возможно только при помощи средств измерения электрических и магнитных величин.

Посредством магнитных измерений решается весьма широкий круг
научных и прикладных задач, к которым можно отнести: исследование
свойств магнитных материалов; исследование всевозможных электромагнитных механизмов и приборов для выявления распределения магнитных потоков и МДС; испытание постоянных магнитов; измерение
магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов; контроль качества магнитных материалов и изделий из них; определение физических свойств материалов по их магнитным характеристикам (магнитная
дефектоскопия); изучение магнитного поля Земли и других планет; разведка полезных ископаемых; изучение структуры сильных магнитных
полей, создаваемых различными установками; исследование слабых
магнитных полей космического пространства и полей биологических
объектов и т. д.

Измерительная техника является важнейшим фактором научного и технического прогресса практически во всех областях народного хозяйства.

Измерительная информация широко используется для регулирования и автоматического управления различными объектами и технологическими процессами.

Интенсивное развитие средств электронной техники значительно расширило возможности электроизмерительной техники.

Одно из современных направлений электроизмерительной техники, базирующееся на достижениях электроники, — создание цифровых измерительных приборов. Измерительную информацию можно представить в непрерывной и дискретной форме в виде непрерывных или дискретных сигналов.

Новые горизонты открыло перед электроизмерительной техникой появление ЭВМ, использующих новейшие достижения электронной техники..

Говоря о роли и значении измерительной техники в научном и техническом прогрессе, нельзя забывать, что для успешного выполнения этих задач необходимо поддержание единства измерений, обеспечивающих требуемую точность и сопоставимость результатов измерений. Единством измерений называется такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью.

Развитие электроизмерительной техники весьма эффективно способствует углублению знаний, новым открытиям и всестороннему прогрессу во всех отраслях науки и техники.

1. Основные понятия

В данной главе мы ознакомимся с основными понятиями и определениями.

Измерения являются одним из основных способов познания природы, служат предпосылкой и составной частью исследований и открытий.

Измерения – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов и индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом.

Различают 2 метода измерения:

метод непосредственной оценки;
метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерения. Отсчетное устройство показывающего средства заранее проградуировано в единицах измеряемой физической величины. Метод прост, но точность его невысока.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерения напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента. Этот метод по сравнению с методом непосредственной оценки более точен, но несколько сложен.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течении известного интервала времени.

Все единицы измерения, используемые в электротехнике, могут быть выведены из четырех основных. Для того чтобы число основных единиц было минимальным, были выбраны три единицы, применяемые в механике: метр (м), килограмм (кг) и секунда (с) и добавлена к ним четвертая основная единица из электротехники – единица силы электрического тока ампер (А).

Из этих четырех основных единиц могут быть образованы все другие электрические единицы.

С 1946 г. ампер определяют следующим образом: это сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным тонким проводникам (проволокам), расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2*10 Н на 1 м длины.

Единица электрической мощности – ватт – получается прямым приравниванием единице механической мощности:

Вольт, единица электрического напряжения, связана с ампером через электрическую мощность:

Ом – единица электрического сопротивления, определяется согласно закону Ома по силе тока и напряжению:

Все другие электрические единицы измерения также являются производными. Обзор электрических величин и единицы их измерения представлены в таблице 1.3

Таблица 1.3 - Электрические величины и их единицы измерения

Величина	Обозначение в формулах	Наименование единицы	Символ	Равнозначные выражения
Сила тока	I, i	Ампер	А	−
Мощность	Р	Ватт	Вт
апряжение	U, u	Вольт	В	−
Сопротивление	R	Ом	Ом
Энергия, работа	W	Джоуль	Дж	1Дж= 1Вт 1с=1Н 1м
Емкость	С	Фарада	Ф	=
Индуктивность	L	Генри	Гн

Магнитные измерения относятся к области измерительной техники, занимающейся измерением магнитных величин для определения характеристик магнитных полей, веществ и материалов.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений, определяются в основном несколько магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H, намагниченность J, магнитный момент М_м.

Одной из основных характеристик магнитного поля является вектор магнитной индукции В, который может быть определен по силе F, с которой поле действует на заряд q, перемещающийся в поле со скоростью v:

Единицей магнитной индукции в международной системе СИ является тесла (Тл).

Поток вектора магнитной индукции B через поверхность s называют магнитным потоком

Единица магнитного потока в системе СИ — вебер (Вб). Единица напряженности магнитного ноля в системе СИ — ампер на метр (А/м).

Основными задачами, рассматриваемыми в данной курсовой работе являются:
Ознакомление с общими сведениями магнитных измерений.
Принципы построения приборов, измеряющих магнитные измерения.
Ознакомление с общими сведениями о магнитных эталонах.

Файлы: 1 файл

ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН. ЭТАЛОННАЯ БАЗА МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.docx

В настоящее время магнитные измерения получили широкое распространение. Это объясняется успешным развитием многих областей в современной науке, техники и промышленности, которое неразрывно связано с производством и применением различных ферромагнитных металлов и сплавов.

Расширение экспериментальных исследований в области физики магнитных явлений сопровождается разработкой новых, более прецизионных методов измерения. В связи с этим разрабатываются новые методы и установки, усовершенствуются известные методы. В настоящее время выпускают магнито- измерительные средства самого различного назначения. Эти приборы основаны на различных принципах работы, разрабатываются и выпускаются предприятия различных ведомств. В некоторых случаях магнито-измерительные приборы закупаются у зарубежных фирм. Актуальной задачей является обеспечение единства и достоверности измерений, осуществляемых с помощью этих средств [3].

Решение данной задачи связано с созданием эталонов магнитных единиц и образцовых магнито-измерительных средств, используемых для градуировки и рабочих приборов. Дальнейшее совершенствование рабочих приборов связано с совершенствованием эталонов и образцовых средств измерений.

Целью данной курсовой работы является изучение магнитных измерений, принципов построения приборов и способы измерения магнитного потока, магнитной индукции и напряженности магнитного поля.

Основными задачами, рассматриваемыми в данной курсовой работе являются:

Ознакомление с общими сведениями магнитных измерений.
Принципы построения приборов, измеряющих магнитные измерения.
Ознакомление с общими сведениями о магнитных эталонах.
1 Общие сведения о магнитных измерениях

1.1 Определение задач магнитных измерений

Область электроизмерительной техники, которая занимается измерениями магнитных величин, обычно называют магнитными измерениями. С помощью методов и аппаратуры магнитных измерений в настоящее время решаются самые разнообразные задачи. В качестве основных можно назвать следующие:

измерение магнитных величин (магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и т. д.);
определение характеристик магнитных материалов;
исследование электромагнитных механизмов;
измерение магнитного поля Земли и других планет;
изучение физико-химических свойств материалов (магнитный анализ);
исследование магнитных свойств атома и атомного ядра;
определение дефектов в материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия) и т.д.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений, определяются обычно всего несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H, намагниченность М, магнитный момент T и др. Причем во многих способах измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. Магнитная величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла, связывающее магнитное поле с полем электрическим; эти поля являются двумя проявлениями особого вида материи, именуемого электромагнитным полем.

Используются в магнитных измерениях и другие (не только электрические) проявления магнитного поля, например механические, оптические.

1.2 Магнитные величины и их основные характеристики

Единицы магнитных величин воспроизводятся с помощью соответствующих эталонов. У нас в стране имеется первичный эталон магнитной индукции и первичный эталон магнитного потока. Для передачи размера единиц магнитных величин от первичных эталонов рабочим средствам измерений используют рабочие эталоны, образцовые и рабочие меры магнитных величин и образцовые средства измерений. Примером передачи размера единиц может служить градуировка или поверка приборов для измерения магнитных величин, которая проводится с помощью мер магнитных величин и образцовых средств измерений.

В качестве меры магнитной индукции (напряженности магнитного поля) могут быть использованы катушки специальной конструкции (например, кольца Гельмгольца, соленоид), по обмоткам которых протекает постоянный ток, постоянные магниты.

В качестве меры магнитного потока обычно используют взаимоиндуктивную меру магнитного потока, состоящую из двух гальванически не связанных между собой обмоток и воспроизводящую магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический ток.

1.3 Методы магнитных измерений

В основе классификации методов магнитных измерений лежит физическая сущность явлений, используемых для измерительного процесса, т.е. преобразование магнитной величины в электрический сигнал.

В связи с этим различают индукционные методы измерения магнитных величин; методы, основанные на взаимодействии двух магнитных полей; методы, основанные на влиянии магнитного поля на физические свойства веществ.

Методы измерения магнитных величин лежат в основе испытаний магнитных материалов. Все ферромагнитные материалы делятся на магнитно-твёрдые (МТМ) и магнитно-мягкие (МММ). Первые используются в качестве источников постоянных магнитных полей (постоянные магниты ПМ). Для них к настоящему времени сложились три направления испытаний: исследование свойств МТМ, производственный контроль образцов МТМ, производственный контроль постоянных магнитов. При исследовании свойств МТМ необходимо получать достаточно полную информацию о свойствах материала: начальная кривая намагничивания, предельная петля магнитного гистерезиса, кривые возврата для различных точек размагничивающего участка и др. Измерение индукции производится, как правило, индукционными и гальваномагнитными преобразователями. Измерение напряжённости поля обычно сводится к измерению тока в намагничивающих устройствах или получению информации о тангенциальной составляющей напряжённости поля от индукционных или гальваномагнитных преобразователей. Перемагничивание МТМ может быть осуществлено постоянным и переменным полем. При намагничивании материала постоянным полем получаются статические характеристики. При непрерывном циклическом изменении поля получаются динамические характеристики, которые в инфранизком диапазоне частот перемагничивания могут быть приближены к статическим с необходимой точностью.

Для обеспечения правильности процесса производства МТМ и соответствующей коррекции технологического режима контролируются наиболее важные отдельные параметры материала, в частности, коэрцитивная сила Н_с. Алгоритм получения Н_с сводится к фиксации нулевых значений магнитной индукции или намагниченности и отсчёту напряжённости поля.

В основе классификационных признаков контроля постоянных магнитов лежат вид контролируемых параметров, способ получения информации. Различают контроль по магнитному потоку в системе, близкой к рабочей; контроль по размагничивающему участку. По способу, получения выходной информации различают устройства с непосредственным отсчётом и дифференциальным способом измерения – получением информации в виде разности характеристик образцового и испытуемого ПМ.

Магнитно-мягкие материалы характеризуются магнитными параметрами, измеряемыми в постоянном и переменном полях. Основными измеряемыми характеристиками, в постоянных полях для МММ являются: основные кривая намагничивания, предельная петля гистерезиса и её параметры (В_г, Н_с), начальная и максимальная магнитные проницаемости. ГОСТ 8.377 устанавливает в качестве основного балластический метод исследования свойств материала. В настоящее время в связи с разработкой промышленностью унифицированных электронных устройств широкого применения получил распространение метод непрерывного медленно изменяющего поля [№8.377-80].

В переменных полях основными характеристиками МММ являются основная динамическая кривая намагничивания, динамическая петля гистерезиса, комплексная магнитная проницаемость и удельные потери. Кроме того, в зависимости от частотного диапазона испытания существует ещё целый ряд определяемых характеристик и параметров. Наиболее часты испытания МММ в частотном диапазоне 50 Гц – 10 кГц. Основными методами испытания в этом диапазоне частот являются: индукционный с использованием амперметра, вольтметра, ваттметра; индукционный с использованием фазочувствительных приборов (феррометрический); индукционный с использованием потенциометра переменного тока; индукционный с использованием феррогафа (осциллографический); индукционный с использованием стробоскопических преобразователей; параметрический (мостовой).

Индукционные методы характеризуются измерением ЭДС, индуктированных в измерительных катушках. Использование амперметра и вольтметра даёт возможность определения динамической относительной проницаемости. Являясь наиболее простым, этот способ измерения обладает большой погрешностью (до 10 %) и не обеспечивает возможности определение потерь в образцах. Использование ваттметра стандартизировано для определения потерь в образцах из МММ. испытаний погрешность измерения (5-8 %), широкий частотный диапазон испытания (до 10 кГц). К недостаткам следует отнести малый объём информации и увеличения погрешности при перемагничивании до индукции свыше 1,2 Тл из-за отклонения формы кривой от синусоидальной.

В основу феррометрического способа измерения положено определение мгновенных значений периодических несинусоидальных величин с помощью фазочувствительных приборов. Связь среднего значения производной функции и мгновенного значения самой функции является здесь основой использования инерционных приборов для регистрации динамических характеристик МММ.

К преимуществам феррометрического способа измерения относятся: малая погрешность (2-5 %); возможность определения большого числа магнитных характеристик, в том числе и расчёта потерь. Недостатками способа являются ограниченность размеров образцов и частотного диапазона; длительность процесса измерений и обработки результатов; относительно высокая стоимость устройств.

Осциллографическим способом пользуются для измерения и визуального наблюдения основной динамической кривой намагничивания, семейства симметричных петель гистерезиса, потерь в образцах на частотах от 50 до
500 Гц. К недостаткам способа следует отнести необходимость замеров на экране осциллографа, что связано с увеличением объективных и субъективных погрешностей отсчёта.

Наиболее точным из индукционных методов испытания МММ является потенциометрический, основанный на измерении сигналов, пропорциональных В и Н, с помощью потенциометров переменного тока. Этим способом определяются зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля, составляющие комплексной магнитной проницаемости, полные потери. Достоинствами способа являются высокая точность измерения и широкий диапазон измеряемых величин. К недостаткам относятся: длительность процесса измерения, высокая стоимость используемой аппаратуры и её сложность.

Сущность стробоскопического способа измерения заключается в том, что исследуемые периодически изменяющиеся сигналы произвольной формы умножаются на так называемый строб-импульс. При этом перемножение в каждом последующем периоде происходит со сдвигом во времени на некоторый интервал (шаг считывания) по отношению к предыдущему. В результате можно произвести и затем воспроизвести считывание всего периода исследуемого сигнала по точкам. Это даёт возможность подобно феррометрическому способу использования для регистрации быстроизменяющихся процессов инерционных самопишущих и цифропечатающих приборов. Основным достоинством стробоскопического способа измерения является возможность получения документальной информации о характеристиках ФММ в процессе перемагничивания последних. Параметрический метод испытания магнитных материалов заключается в определении индуктивности и сопротивления катушки с испытуемым магнитопроводом путём уравновешивания мостовой схемы. В основном этот метод предназначен для определения характеристик в области слабых полей. Преимуществами его являются: высокая точность измерения, широкий частотный диапазон испытания. К недостаткам относятся: зависимость результатов измерения от индуктивных и емкостных помех, создаваемых элементами схемы измерения; увеличение погрешности на низких частотах испытания; сложность и длительность процесса испытания.

Существуют и другие методы испытания МММ в динамическом режиме перемагничивания, однако технико-эксплуатационные характеристики устройств на их основе не эффективны в условиях массовых испытаний.

Задачи магнитных измерений. Область электроизмерительной техники, которая занимается измерениями магнитных величин, обычно называют магнитными измерениями. С помощью методов и аппаратуры магнитных измерений решаются в настоящее время самые разнообразные задачи. В качестве основных из них можно назвать следующие:

- измерение магнитных величин (магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и т. д.);

- определение характеристик магнитных материалов;

- исследование электромагнитных механизмов;

- измерение магнитного поля Земли и других планет;

- изучение физико-химических свойств материалов (магнитный анализ);

- исследование магнитных свойств атома и атомного ядра; определение дефектов в материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия) и т. д.

Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений, определяются обычно всего несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H, намагниченность М, магнитный момент т и др. Причем во многих способах измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. Интересующая нас магнитная величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла, связывающее магнитное поле с полем электрическим; эти поля являются двумя проявлениями особого вида материи, именуемого электромагнитным полем.

Меры магнитных величин. Единицы магнитных величин воспроизводятся с помощью соответствующих эталонов. У нас в стране имеется первичный эталон магнитной индукции и первичный эталон магнитного потока. Для передачи размера единиц магнитных величин от первичных эталонов рабочим средствам измерений используют рабочие эталоны, образцовые и рабочие меры магнитных величин и образцовые средства измерений. Примером передачи размера единиц может служить градуировка или поверка приборов для измерения магнитных величин, которая проводится с помощью мер магнитных величин и образцовых средств измерений.

В качестве меры магнитной индукции (напряженности магнитного поля)могут быть использованы катушки специальной конструкции (например, кольца Гельмгольца, соленоид), по обмоткам которых протекает постоянный ток, постоянные магниты.

Принципы построения приборов для измерения магнитных величин. В настоящее время известно много разнообразных приборов и способов для измерения магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля. Как правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из двух частей — измерительного преобразователя, назначением которого является преобразование магнитной величины в величину иного вида (электрическую, механическую), более удобную для дальнейших операций, и измерительного устройства для измерения выходной величины измерительного преобразователя.

Измерительные преобразователи, входной величиной которых является магнитная величина, называют магнитоизмерительными и в соответствии с видом выходной величины делят на три основные группы: магнитоэлектрическиепреобразователи (выходная величина электрическая), магнитомеханические(выходная величина механическая) магнитооптические (выходная величина оптическая).

В каждой из этих групп много разновидностей преобразователей, основой для создания которых служат те или иные физические явления. В качестве основных, наиболее широко используемых явлений могут быть названы следующие:

- явление электромагнитной индукции;

- силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита или контура с током;

- явление изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле;

- явления, возникающие при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем.

Вторая часть прибора для измерения магнитных величин может быть либо обычным прибором для измерения электрической величины, либо прибором со специальными характеристиками.

1. Применение баллистического гальванометра

В лабораторной практике при исследованиях электрических машин, аппаратов, трансформаторов, при испытаниях магнитных материалов, применяемых в производстве на электротехнических заводах, часто возникает необходимость измерения магнитных величин, как то: магнитного потока, магнитной индукции, магнитодвижущей силы, напряженности магнитного поля, магнитной проницаемости, а также потерь на гистерезис и вихревые токи в ферромагнитных материалах.

В большинстве случаев магнитные величины измеряют косвенным методом — путем измерения тех или иных электрических величин (тока, э.д.с., количества электричества), функционально связанных с измеряемой магнитной величиной. Измерения магнитных величин в настоящее время составляют большой самостоятельный раздел измерительной техники с глубоко развитой теорией.

Некоторые методы и аппаратуру для магнитных измерений используют не только в лабораториях, специализированных в области магнитных измерений, но также и в более универсальных лабораториях, занимающихся испытаниями и исследованиями электрических машин и аппаратов. К числу широко распространенных магнитных измерений относятся:

а) измерения при помощи баллистического гальванометра;

б) измерения с помощью флюксметра;

в) определение потерь в стали ваттметровым методом;

г) измерения переменных магнитных потоков при помощи потенциометра.

В основу действия данного прибора положен принцип, согласно с которым первый наибольший отброс указателя баллистического гальванометра пропорционален числу потокосцеплений магнитного потока с витками измерительной рамки.

Весьма удобным прибором для измерения постоянного магнитного потока является флюксметр, называемый иногда веберметром или милливеберметром.

Флюксметр представляет собой прибор магнитоэлектрической системы, в котором подвод тока к подвижной рамке осуществляется не через пружинки, а через безмоментные спирали, т. е. в его измерительном механизме отсутствует противодействующий момент. Вследствие этого указатель флюксметра при отсутствии тока в обмотке рамки может занимать любое положение относительно шкалы.

Флюксметр, как и большинство гальванометров магнитоэлектрической системы, имеет бескаркасную рамку, однако он рассчитывается так, чтобы при внешнем сопротивлении, меньшем 20 ом, подвижная часть оказывалась в режиме переуспокоения. Как и у баллистического гальванометра, подвижная часть флюксметра выполняется со сравнительно большим моментом инерции.

Флюксметр является прибором менее чувствительным, чем баллистический гальванометр, и поэтому не может применяться для измерения слабых магнитных полей.

При измерении достаточно сильных полей флюксметр имеет ряд преимуществ по сравнению с баллистическим гальванометром

1. Малиновский В.Н., Электрические измерения. -М.: Энергоатомиздат, 1988г.

2. Малиновский В.Н., Семенов В.Ф., Цепляев К.Н., Демидова-Парфенова P.M. Электрические измерения.(с лабораторными работами), -М.: Энергоатомиздат, 1982г. .

3. Котур В.И., Скомская М.А., Электрические измерения и электроизмерительные приборы, -М.: Энергоатомиздат, 1986.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра метрологии и стандартизации

1 Электродинамические измерительные приборы

Самыми точными среди других подгрупп электромеханических преобразователей, применяемых в цепях переменном тока, являются электродинамические преобразователи. В настоящее время многие из них выпускаются с классами точности 0.05 и сохраняют свои показания при переходе с постоянного тока на переменный.

Наиболее широкое применение электродинамические преобразователи находят в качестве ваттметров постоянного и переменного тока, амперметров постоянного и переменного токов, фазометров, частотомеров и фарадометров.

Принцип действия электродинамических преобразователей основан на взаимодействии магнитных полей токов, протекающих по неподвижной и подвижной катушкам (или системам катушек).

Электродинамический преобразователь, конструкция которого и схема соединения катушек приведены на рисунке 1,а,б соответственно, включает в себя в общем случае систему неподвижных и подвижных катушек, отсчетное устройство, упругие элементы у преобразователей с механическим противодействующим моментом, успокоитель и средства защиты от внешних магнитных полей.

Рисунок 1 – Электродинамический преобразователь

Неподвижные катушки 1, как правило, выполняют из двух секций, разнесенных в пространстве. Это создает конструктивные удобства при размещении подвижной части и, кроме того, позволяет изменением расстояния между секциями изменять конфигурацию магнитного поля, что используется для линеаризации функции преобразования преобразователя. Выполняются неподвижные катушки, как правило, из медного провода. Подвижная катушка 2 выполняется из медного или алюминиевого провода и размещается внутри неподвижной. Токопроводящими проводниками подвижной катушки служат упругие элементы (спиральные пружины 3), создающие механический противодействующий момент, или безмоментные проводники в логометрах.

По форме катушки выполняют круглыми или прямоугольными. Первые из них более технологичны в производстве и имеют добротность на 15 - 20 % выше по сравнению с прямоугольными. Это повышает чувствительность преобразователя. Прямоугольные же катушки используются с целью уменьшения размеров прибора.

Наиболее широкое распространение в практике электрических измерений нашли электродинамические амперметры и вольтметры переменного тока, ваттметры постоянного и переменного тока и, реже, фазометры, частотомеры и фарадометры.

Амперметры. В электродинамических амперметрах используются последовательное и параллельное включения подвижной 2 и неподвижной 1 катушек. Последовательное включение катушек (рисунок 2,а) применяется в амперметрах, предназначенных для измерения малых (до 0,5 А) токов. В этом случае токи I1 и I2 в неподвижной и подвижной катушках равны между собой и фазовый сдвиг между ними равен нулю, т.е. cos = 1. Выражение для уравнения шкалы для такого амперметра запишется следующим образом:

Рисунок 2 – Амперметры на основе электродинамических преобразователей

Ваттметры. В электродинамических ваттметрах подвижная и неподвижная катушки включаются независимо друг от друга (рисунок 3).

Рисунок 3 – Ваттметры на основе электродинамического преобразователя

Фазометры. Электродинамические фазометры создаются на базе логометрического преобразователя. Электрическая схема фазометра показана на рисунке 4,а.

Неподвижная катушка 5-6 преобразователя образует последовательную (токовую) цепь прибора. Подвижные катушки 1-2 и 3-4 образуют параллельную цепь. Последовательно с подвижной катушкой 3-4 включен резистор R1, имеющего активное сопротивление, а последовательно с катушкой 1-2 - комплексное индуктивное сопротивление, образованное резистором R и индуктивностью L . При такой схеме включения фазометра и индуктивном характере нагрузки ZH векторная диаграмма фазометра будет соответствовать рисунку 4,б.

Рисунок 4 – Фазометр на основе электродинамического преобразователя

Электродинамические фазометры позволяют измерять фазовые сдвиги в пределах от 0 до 180° (чаще градуируются от плюс 90 до минус 90° с нулем в середине шкалы). Промышленностью выпускаются фазометры с классами точности до 0,1. Достаточно высокая точность их обеспечивается благодаря достоинствам, присущим электродинамическим преобразователям.

Основными недостатками рассмотренных фазометров является то, что они могут работать на фиксированных частотах и напряжениях. Изменение напряжения U требует изменения элементов схемы фазометра R и R1 (для выполнения условия I1 = I2), а значит, и характер шкалы прибора при этом изменится. Изменение частоты также приводит к изменению характера шкалы из-за изменения реактивного сопротивления цепи катушки 1-2, а значит, и соотношения токов I1 и I2.

2 Электромагнитные измерительные приборы

Отличительной особенностью электромагнитных приборов, обусловливающей их широкое применение для измерений в цепях переменного и постоянного токов в качестве щитовых амперметров и вольтметров, являются их высокие эксплуатационные качества: простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность, устойчивость к электрическим перегрузкам, широкий диапазон измеряемых величин. Основным недостатком этих приборов является невысокая точность (отечественные электромагнитные приборы выпускаются с классами точности до 0,5).

Все электромагнитные приборы в зависимости от конструктивного исполнения и характера движения их подвижной части могут быть разделены на резонансные и нерезонансные. Каждая из этих групп приборов в свою очередь делится на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные (в поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки используются постоянные магниты). Так как резонансные электромагнитные приборы в настоящее время используются очень редко, то в настоящем пособии они не рассматриваются. Здесь рассмотрены лишь неполяризованные нерезонансные электромагнитные преобразователи, наиболее широко применяемые в электроизмерительной технике. Основу этих приборов составляют электромагнитные измерительные механизмы, отличающиеся как по конструктивному исполнению, так и по своим свойствам и параметрам.

Принцип действия всех электромагнитных преобразователей основан на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего в катушке, с ферромагнитным сердечником.

Электромагнитные ИП могут быть выполнены так, что в результате взаимодействия магнитного поля катушки с током и ферромагнитного сердечника последний будет намагничиваться одноименно с другим неподвижным сердечником и отталкиваться от него (так называемые преобразователи отталкивающего действия), или же таким образом, что в результате воздействия магнитного поля катушки с током на ферромагнитный сердечник он будет втягиваться в магнитное поле катушки (преобразователь втяжного действия).

Все конструктивные разновидности электромагнитных ИП можно свести к двум основным типам (рисунок 5).

Рисунок 5 – Электромагнитные измерительные преобразователи

Преобразователи с плоской катушкой (рисунок 5,а) состоят из катушки 2, в магнитном поле которой находится ферромагнитный сердечник 1 в форме усеченного диска или язычка, эксцентрически закрепленный на оси подвижной части. При протекании по катушке тока ферромагнитный сердечник втягивается в магнитный зазор катушки, поворачивая при этом ось 3 с закрепленным на ней успокоителем 4 и стрелку 5 в сторону увеличения показаний. Регулировка угла отклонения подвижной части осуществляется с помощью магнитного шунта 6. Преобразователи с плоской катушкой менее технологичны в изготовлении, чем механизмы с круглой катушкой, однако они обладают повышенной чувствительностью, меньшими габаритами и массой.

Преобразователи с круглой катушкой (рисунок 5,б) состоят из катушки 1, подвижного 2 и неподвижного 3 ферромагнитных сердечников, форма которых определяется необходимостью получения требуемого характера шкалы преобразователя. При протекании по катушке тока подвижный и неподвижный сердечники намагничиваются одноименно. Подвижный сердечник отталкивается от неподвижного, поворачиваясь вместе с осью 4 и закрепленной на ней стрелкой 6. Причем сила отталкивания оказывается прямо пропорциональной значению тока, протекающего по катушке. Противодействующий момент создается с помощью спиральной пружины 5. Успокоение подвижной части осуществляется воздушным (крыльчатым) успокоителем, состоящим из закрытой камеры 7 и легкого алюминиевого крыла 8, жестко связанного с осью 4 подвижной части. Достоинством таких преобразователей является их простота, высокая технологичность изготовления и возможность получения требуемого характера шкалы (за счет выбора формы сердечников. Конструктивно сердечники могут быть цилиндрическими, призматическими или иметь другую форму). Чувствительность таких преобразователей оказывается ниже, чем у преобразователей с плоской катушкой.

Из проведенного рассмотрения можно сделать некоторые выводы о свойствах, достоинствах и недостатках электромагнитных преобразователей:

- электромагнитные преобразователи могут применяться для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов, так как направление отклонения подвижной части не зависит от направления тока в обмотке. При применении их для измерений в цепях переменного тока они измеряют среднеквадратические значения тока или напряжения;

- точность электромагнитных преобразователей сравнительно невысокая вследствие влияния потерь в сердечниках (на гистерезис и вихревые токи), внешних магнитных полей, температуры окружающей среды и частоты измеряемых электрических величин;

- чувствительность электромагнитных преобразователей за исключением преобразователей с замкнутым магнитопроводом невысока, следовательно, собственное потребление мощности от источников преобразуемых сигналов у них довольно значительное;

- функция преобразования электромагнитных преобразователей по своему характеру является квадратичной, однако соответствующим выбором формы и местом расположения сердечника, т.е. закона изменения индуктивности при изменении угла поворота подвижной части, можно получить практически равномерную шкалу на участке от 20 до 100 % от ее верхнего предела;

- электромагнитные преобразователи наиболее просты по своей конструкции, имеют низкую стоимость и надежны в работе;

- электромагнитные преобразователи способны выдерживать длительные электрические перегрузки, так как токоподводящими элементами у них являются медные проводники соответствующего сечения, а не упругие элементы, создающие противодействующий момент МПР и первыми выходящие из строя при перегрузках в преобразователях других групп;

- диапазон рабочих частот для электромагнитных преобразователей ограничен сверху частотами порядка нескольких десятков килогерц из-за возникновения большой частотной погрешности на высоких частотах вследствие влияния вихревых токов в сердечнике и других металлических деталей преобразователя, а также вследствие изменения индуктивного сопротивления катушки при изменении частоты. Для уменьшения дополнительных частотных погрешностей сердечники и магнитопроводы электромагнитных преобразователей выполняются из магнитомягких материалов с высоким удельным сопротивлением (пермаллоев).

Существуют также электромагнитные логометрические преобразователи, которые применяются в фазометрах, частотомерах, фарадометрах и т.п. Их основные свойства аналогичны свойствам преобразователей с механическим противодействующим моментом.

Электромагнитные приборы находят широкое применение в практике электрических измерений главным образом в виде различных щитовых и лабораторных амперметров и вольтметров переменного тока. Кроме того, на базе логометрических преобразователей создаются фазометры, частотомеры и фарадометры.

Амперметры. Электромагнитные амперметры образуются путем непосредственного последовательного включения преобразователя в цепь измеряемого тока. Они используются для измерения сравнительно небольших токов, так как при больших токах сильное влияние на показания приборов оказывают магнитные поля токопроводящих проходов. Щитовые амперметры, как правило, изготавливаются однопредельными. Лабораторные приборы могут иметь несколько пределов измерений, которые изменяются путей секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно. Для расширения пределов измерения амперметров на большие токи используются измерительные трансформаторы тока.

Вольтметры. Вольтметры образуются путем последовательного включения электромагнитного преобразователя и добавочного резистора RД. При этом для уменьшения температурной погрешности из-за изменения сопротивления цепи протекания измеряемого тока отношение сопротивления добавочного резистора RД, выполняемого обычно из манганина, к сопротивлению медного провода катушки не должно быть меньше определенного значения, задаваемого допустимой температурной погрешностью. Поэтому в вольтметрах, предназначенных для измерения малых напряжений, приходится уменьшать сопротивление катушки за счет уменьшения числа ее витков, что ведет к снижению чувствительности приборов. Для избежания этого, расширение пределов измерения вольтметров в сторону малых напряжений осуществляется, как правило, не за счет изменения RД, а путем секционирования катушек и перехода с последовательного включения секций на параллельное. Расширение пределов измерений в сторону больших напряжений осуществляется до 600 В с помощью добавочных резисторов, а на более высокие напряжения - с помощью измерительных трансформаторов напряжения. Из-за различного характера частотной зависимости добавочного сопротивления RД и сопротивления катушки у вольтметров могут появляться дополнительные (по сравнению с амперметрами) частотные погрешности.

Электромагнитные фазометры, частотомеры и фарадометры на базе логометрических преобразователей сколько-нибудь широкого применения в электроизмерительной технике не получили и поэтому в данном пособии не рассматриваются.

1 Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов. Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. - М.: Высш. шк., 2001.

2 Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения - Мн.: Выш.шк., 2006.

3 У. Болтон. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002.-386 с (пер. с англ.).

4 Дерябина М. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.

5 Резин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи. Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.

6 Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.

7 М. Тули. Справочное пособие по цифровой электронике. - М. Энерго-атомиздат, 2000. (пер. с англ.).

8 Электрические измерения /Под ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина. - Л.: Энергия, 2000.

9 Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат, 2003.

Читайте также: