Магнітоелектричні прилади

Такі омметри виготовляються переносними з живленням від сухих елементів. У процесі експлуатації напруга на затискачах сухих елементів змінюється і може відрізнятись від тієї, яка була при градуюванні приладу. Тому перед кожним вимірюванням в омметрі з послідовною схемою при натиснутій кнопці Кн потрібно встановлювати показ “0” зміною опору Rд, а в омметрі з паралельною схемою потрібно встановити показ “0” при непідключеному Rх. Це є недоліком таких омметрів. Цього недоліку не мають омметри, які використовують механізм-логометр.

В логометричному механізмі (рис.2.9) в проміжку обертаються дві рамки, жорстко скріплені між собою. Протидійних пружин в цьому механізмі немає. Струм підводиться до рамок через безмоментні струмопідводи, які являють собою тонкі стрічки з відпаленого сплаву.

 

 

Рисунок 2.9

 

Проміжок між осердям та полюсними наконечниками в цьому механізмі нерівномірний, отже, магнітне поле у проміжку також нерівномірне. Струми І1 та І2, які протікають в рамках, створюють два обертальних моменти, які направлені назустріч один одному. Під дією різниці між двома моментами рухома частина повертається. Оскільки поле нерівномірне, то при повороті рухомої частини один з моментів збільшується, а інший – зменшується і при певному куті повороту моменти стають рівними один одному, а рухома частина зупиняється. При відсутності струмів у рамках рухома частина може знаходитись у будь-якому з можливих положень або, як кажуть, займати байдуже положення.

Енергія магнітного поля кожної із рамок дорівнює:

WeM1 = Y1(a)×І1; WeM2 = Y2(a)×І2,                         (2.27)

де Y1(a) та Y2(a) – магнітні потокозчеплення рамок, які залежать від кута повороту a .

Оскільки поле у проміжку механізму неоднорідне, то залежності магнітних потокозчеплень Y1 та Y2 від кута повороту a різні. Моменти, які створюються рамками:

                        (2.28)

 

При рівновазі , звідки

 

                                (2.29)

або

a = F(I1/I2).                                          (2.30)

Таким чином, кут відхилення рухомої частини логометра визначається відношенням струмів у рамках (в перекладі з грецької “логос” – відношення).

Схема логометричного омметра наведена на рис. 2.10. Для цієї схеми маємо:

a = F(I1/I2) =

або

                                          (2.31)

де R1 та R2 – опори рамок, Rн та Rд – додаткові опори.

 

З виразу (2.31) видно, що відхилення a залежить від Rх і не залежить від напруги живлення.

Існують омметри з логометричними вимірювальними механізмами, напруга живлення в яких виробляється електромеханічними генераторами, які приводяться до роботи вручну. Використовуються вони для вимірювання великих опорів (наприклад, опорів ізоляції, які мають значення в десятки та сотні МОм).

 

Рисунок 2.10

 

5. Випрямні прилади

 

Магнітоелектричні прилади, як уже відмічалось, мають багато переваг: висока точність та чутливість, мала споживана потужність, мало зазнають впливу зовнішніх магнітних полів та температури. Але вони не можуть безпосередньо вмикатись для вимірювання змінного струму. Цю перешкоду на шляху застосування магнітоелектричного механізму для вимірювань на змінному струмі можна обійти застосуванням перетворювачів змінного струму у постійний.

У залежності від виду перетворювача розрізняють випрямні, термоелектричні та електронні прилади.

Випрямні прилади являють собою поєднання випрямляча з магнітоелектричним вимірювальним механізмом. У сучасних приладах у випрямлячах використовуються напівпровідникові діоди. Найбільше застосовувані кремнієві діоди, які мають малу власну ємність і можуть працювати в діапазоні практично від 0 Гц і до 105 Гц.

Випрямлячі, які використовуються у випрямних приладах, бувають однопівперіодні та двопівперіодні.

Схема приладу з однопівперіодним випрямленням змінного струму наведена на рис. 2.11, а, а на рис. 2.11, б зображений графік струму через вимірювальний механізм.

Рисунок 2.11

 

На рис.2.11,а суцільними стрілками показаний шлях струму за один із півперіодів змінного струму. На рис.2.11,б цьому відповідає струм на інтервалі від 0 до Т/2, або від Т до 3/2Т і т.д., де Т – період змінного струму (або напруги). Протягом другого півперіоду струм йде шляхом, указаним штриховими стрілками. При цьому припускаємо, що діоди VD1 та VD2 мають характеристики ідеальних вентилів, тобто опір відкритого діода (в провідному напрямі) дорівнює нулю, а закритого – нескінченності. Опір R = Rм, де Rм – опір вимірювального механізму ВМ.

При використанні двопівперіодного випрямляча (рис.2.12, а) струм через рамку вимірювального механізму проходить протягом обох півперіодів (рис.2.12, б); в додатному півперіоді струм на рис.2.12, а протікає шляхом, позначеним суцільними стрілками, а в від’ємному півперіоді – штриховими стрілками, але через вимірювальний механізм ВМ струм в обидва півперіоди йде в одному напрямі.

Рисунок 2.12

Внаслідок інерційних властивостей вимірювального механізму положення рухомої частини механізму (і вказівника) визначається середнім за період значенням обертального моменту Моб.ср., який, в свою чергу, пропорційний середньому значенню струму Іср., що протікає через рамку :

       (2.32)

де Моб.(t) – миттєве значення обертального моменту. Рівняння перетворення приладу має вигляд:

                                                (2.33)

Для синусоїдної форми вимірюваних електричних величин випрямні прилади градуюються, як правило, у діючих значеннях. Для визначення діючих значень несинусоїдних кривих струму за показами випрямного приладу потрібно робити перерахунок показів з урахуванням коефіцієнта форми кривої.

Весь попередній розгляд роботи випрямного приладу був оснований на тому, що характеристики діодів приймались ідеальними. При використанні реальних діодів необхідно враховувати нелінійність  вольт-амперної характеристики діода (особливо на початковій її ділянці), розкид опорів діодів як у прямому, так і у зворотному напрямах, частотну залежність опорів діодів та інші фактори. Тому вимірювальні кола реальних випрямних приладів складніші від розглянутих тут.

Для розширення меж випрямних приладів за струмом використовуються, як і в звичайних магнітоелектричних приладах, шунти (рис.2.13, а), а за напругою – додаткові опори Rд (рис.2.13 ,б) та подільники напруги.

 

Рисунок 2.13

 

До переваг випрямних приладів відносяться висока чутливість, компактність, доволі широкий частотний діапазон. Випрямні прилади часто виробляються комбінованими. До недоліків відносяться: мала точність (1,5; 2,5; 4,0), залежність показів від форми кривої.

 

6. Термоелектричні прилади

 

Термоелектричні прилади являють собою поєднання термоелектричного перетворювача та магнітоелектричного вимірювального механізму. Термоелектричний перетворювач перетворює вимірюваний змінний струм і в постійну е.р.с. Е, яка діє на вимірювальний механізм ВМ (рис.2.14).

Рисунок 2.14

Термоперетворювач являє собою нагрівач 1 та термопару 2. Термопара може мати безпосередній електричний контакт з нагрівачем (рис.2.14,а) і може мати тільки тепловий контакт з нагрівачем через електроізолювальний матеріал (рис.2.14, б та в), який має високу теплопровідність. Контактні перетворювачі мають меншу інерційність, ніж безконтактні, але вони допускають великий витік струмів високої частоти і застосовуються на частотах не вище 5-10 МГц. Безконтактні перетворювачі можуть використовуватись на частотах до сотень мегагерц. Крім того, безконтактні термоперетворювачі можна з’єднувати в батареї (рис.2.14, в), що дозволяє підвищити чутливість приладу.

Перетворювачі малих струмів поміщають у скляну колбу, з якої викачане повітря, при цьому зменшуються втрати тепла від нагрівача, зменшується потужність, необхідна для нагрівання спаяних кінців термопари.

Струм через вимірювальний механізм прямо пропорційний е.р.с. термопари IТ = E/Rн, де Rн – опір кола термопари. Відхилення a рухомої частини механізму пропорційне цьому струмові: a = SI×IТ. Е.р.с. термопари пропорційна різниці температур гарячого спаю термопари та її холодних кінців DT: Е = К×DT, де К – коефіцієнт пропорційності. Температура холодних кінців відповідає температурі навколишнього середовища.

Різниця температур DТ пропорційна потужності, яка виділяється вимірюваним струмом  і  в нагрівачі термопари, тобто квадрату діючого значення вимірюваного струму: DT = КT×І2, де КT – коефіцієнт, який визначається характеристиками термоперетворювача. Таким чином, струм через вимірювальний механізм

IТ = E/Rн = К×DT/Rн = К×КT×І2/Rн.

Відхилення вказівника             

                        (2.34)

при постійному коефіцієнті m, який дорівнює , пропорційне квадрату діючого значення вимірюваного струму (незалежно від форми кривої струму), тобто рівняння перетворювача термоелектричного приладу є квадратичним.

Термоелектричні прилади застосовують для вимірювання змінних струмів від 100 мкА до 100 А, напруг – від 75 мВ до 600 В в діапазоні частот від 0 до 100 МГц. Багато з термоелектричних приладів мають по декілька меж. У амперметрів до 1 А на кожній межі використовується окремий термоперетворювач, при вимірюванні струмів більше 1 А для розширення меж використовуються спеціальні високочастотні трансформатори. Для розширення меж вимірювань за напругою застосовуються додаткові опори у вигляді недротових безреактивних резисторів.

Основними перевагами термоелектричних приладів є можливість вимірювання струмів та напруг високих частот, мала залежність їх показів від форми кривої. До недоліків відносяться невисока чутливість та точність (класи точності 1,0-4,0), мала перевантажувальна здатність, квадратичний характер шкали, значне споживання енергії. Застосовувати термоелектричні прилади для вимірювань на низьких частотах недоцільно, оскільки тут краще використовувати більш точні та надійні прилади інших систем.