19. Прилади електромагнітної системи
Принцип дії приладів електромагнітної системи (надалі ЕМ – прилади) пояснюється рис. 30 на якому наведені типові написи на шкалі. Обертальний момент створюється за рахунок того, що струмi(t), що протікає по котушці, виконаної, як соленоїд з щілинним отвором, створює електромагнітне поле, яке втягує всередину котушки фігурну пластину, виготовлену з електротехнічної сталі. Цей момент пропорційний квадрату сили струму і тому тому постійну і змінну складові. Частота першої гармоніки змінної складової дорівнює подвоєної частоти першої гармоніки вимірюваної сили струму. Через інерційність рухомої частини змінна складова фільтрується, і середній крутний момент дорівнює
,
де T - період вимірюваного струму - постійний коефіцієнт.
Як видно з цього виразу, ЕМ - прилади дозволяють вимірювати чинне значення змінного струму, а також силу постійного струму, про що свідчить відповідний знак на шкалі.
З принципу дії ЕМ - приладів випливає, що на його показання можуть сильно впливати зовнішні магнітні поля. Щоб зменшити їхню дію, в ЕМ-приладах передбачається диференціальна конструкція, як це показано на рис. 30. Компенсація дії зовнішнього поля відбувається за рахунок того, що моменти, які воно створює при дії на обидві сторони рухомої частини, діють у протилежних напрямках, а моменти, що створюються вимірюваним струмом, діють в одному напрямку. Ця компенсація буде неповною, якщо зовнішнє поле неоднорідне обсягом рухомого механізму приладу.
На рис. 30 показаний ЕМ амперметр. ЕМ вольтметр виходить приєднанням до ЕМ амперметру послідовно додаткового опору.
В силуквадратичній залежності крутного моменту від сили струму шкала ЕМ - приладів нерівномірна. Рівномірності шкали на робочій частині досягають шляхом підбору форми пластин, що втягуються в котушку.
Метрологічні та експлуатаційні властивості ЕМ – приладів невисокі. Струм повного відхилення стрілки не менше 5 мА, межа основної наведеної похибки не менше 0,5%, частотний діапазон становить 0 Гц і 403000 Гц. Власний опір ЕМ - вольтметрів становить (100 2000) Ом.
Достоїнством ЕМ - приладів є відсутність струмопідводів до рухомої частини, низька трудомісткість у виготовленні та низька вартість матеріалів і, отже, знижена ціна в порівнянні з іншими приладами, що мають рівні метрологічні властивості.
Основне застосування - як щитові прилади, в тому числі, на транспортних засобах.
Пристрій та принцип дії компенсаторів постійного струму
Потенціометрами або компенсаторами називаються прилади для вимірювання методом порівняння ЕРС, напруги або величини, функціонально з ними пов'язаних.
Існують потенціометри постійного та змінного струму, автоматичні та ручні. Ручні потенціометри постійного струму часто використовують для перевірки зразкових і щитових приладів безпосереднього перетворення (амперметрів і вольтметрів).
У
Відповідно до ідеї методу вимірювану напругу Ux необхідно порівняти з падінням напруги, створюваним робочим струмом I на частини R вимірювального резистора Rі. На практиці як Rі використовують магазин резисторів, що забезпечує високу точність завдання необхідного значення R.
Процес вимірювання напруги складається з двох операцій: встановлення робочого струму I і врівноваження вимірюваної напруги Ux напругою, створюваним робочим струмом на R. Для встановлення робочого струму перемикач гальванометра ставлять у положення НЕ і за допомогою резистора Rp домагаються відсутності струму в гальванометрі. Це буде мати місце в тому випадку, якщо падіння напруги на частині установчого резистора Ry дорівнює ЕРС нормального елемента:
Таким чином, за відсутності струму в ланцюзі гальванометра робочий струм обчислюється за формулою
I=(69)
Після цього переходять до другої операції: перемикач гальванометра встановлюють положення X і за допомогою магазину резисторів Rі встановлюють таке значення опору R, при якому відбувається врівноваження вимірюваної напруги падінням напруги I R. Це відбудеться тоді, коли струм через гальванометр знову буде відсутній. В результаті врівноважування
Після підстановки виразу для робочого струму I (69) у формулу (70) отримаємо
Ux = R. (71)
Щоб уникнути обчислень за формулою (71) при кожному акті вимірювань, зручно вибрати значення Ry таким чином, щоб відношення було числом, представленим у вигляді 10 -n де n - ціле. Якщо, наприклад, n=4, то =10 -4 і співвідношення (71) набуває вигляду
У цьому визначення Ux значно спрощується. Практично етапобчислення виключається повністю, оскільки на шкалах магазину резисторів Rі, за допомогою якого встановлюється необхідне значення R, наносяться числові позначки, що відразу дають значення Ux у вольтах.
На жаль, ЕРС нормального елемента Ен хоч і слабко, але залежить від температури. Тому значення відношення може дещо відрізнятися від необхідного "круглого" значення 10-n. Для усунення такої відмінності служить невеликий змінний резистор, який разом із постійним резистором входить до складу Ry. Перед виміром значення Ry дещо коригується, щоб компенсувати догляд відношення за рахунок температурних змін Ен.
За допомогою компенсаторів можна вимірювати ЕРС і напруги з дуже високою точністю, оскільки резистори Rі та Ry можуть мати похибки, що не перевищують 0,001%. Значення ЕРС нормального елемента відоме також з не меншою точністю. Класи точності компенсаторів постійного струму лежать у межах від 0,0005 до 0,5. Верхня межа виміру вбирається у 1,5-2,5 B. Нижня межа може становити одиниці нановольт. Якщо замість нормального елемента використовується стабілізоване джерело постійного струму, то верхня межа вимірювання може бути підвищена до кількох вольт. Для вимірювання вищих напруг застосовуються схеми з дільником напруги. При цьому, однак, втрачається одна з основних переваг компенсаційного методу виміру - відсутність споживання потужності від об'єкта виміру.
Компенсатори використовуються також для точних непрямих вимірів струмів та опорів. Для вимірювання струму Ix ланцюг включає в себе зразковий резистор, опір R0 якого відомо з великою точністю, і компенсатором вимірюється падіння напруги U на цьому опорі. Струм обчислюється за формулою Ix=Для вимірювання опорурезистора Rx послідовно з ним включається зразковий резистор R0 і цього ланцюга встановлюється струм I. Падіння напруги на Rx і R0 вимірюється компенсатором. З рівнянь
слідує формула для обчислення значення вимірюваного опору Rx:
Rx=
Чутливість компенсаторів постійного струму визначається так
Sк = Sсх.к. Sg=
де Sсх.к. - чутливість схеми компенсатора струму; Sg – чутливість гальванометра до струму.
Межу основної похибки для компенсаторів постійного струму визначають як
100=с=
=.
Компенсатори постійного струму бувають двох типів: високоомні та низькоомні. У перших опір робочого ланцюга досягає 10 кОм на один вольт напруги живлення. Гальванометри в них застосовують також із відносно великим критичним опором. Тому такі прилади призначені для вимірювання відносно великих ЕРС до 2,5 В. Для вимірювання малих ЕРС, наприклад, термоЕРС, застосовують низькоомні компенсатори, робочий струм у яких зазвичай становить від 1 до 25 мА, а гальванометр, що застосовується, має невеликий критичний опір