Вольтметр переменного тока

    Принцип работы:

    Катушка (1) на нее наматывается медный провод в ней воздушный зазор, в который  входит укрепленный на оси (3) сердечник (2).

    При наличии тока в катушке (1) сердечник  стремится расположиться в месте  с наибольшей концентрацией поля, т.е. втягивается в зазор катушки.

При этом закручиваются пружинки (9), следовательно, возникает противодействующий момент. Для успокоения движения подвижной части применяют воздушные успокоители, он состоит из камеры (13) и крыла (12) . 
 
 
 
 

6 - шкала прибора;

5 – стрелка - указатель;

7 - упор (предназначен, чтобы уберечь истрелку от повреждений);

Выражение для угла отклонения можно записать на следующем основании: 
 
 

Рис.2 Электромагнитный  ИМ

      - электромагнитная энергия катушки,  по обмотке которой  протекает ток.

     Выражение для вращающего момента будет:

     

     Если  противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения

, откуда  

где , L-индуктивность катушки;   

         W-удельный противодействующий момент.

     На  практике применяют амперметры (ЭМС) с пределами измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры - от долей вольта до сотен вольт. Также приборы ЭМС используют в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и лабораторных классов 0,5 и 1,0. В некоторых случаях они  используются для измерений на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц.

Достоинства

     Простота конструкции, способность  выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений  в цепях переменного тока, на постоянном токе. 
 

Недостатки

    К недостаткам приборов данной системы  можно отнести большое собственное  потребление энергии, невысокую  точность , малую чувствительность и сильное влияние внешних  магнитных полей. 

1.3  Метод преобразования  переменного напряжения с

     использованием электродинамического механизма

Структурная схема реализующая данный метод

       
 

     Для использования данного метода, для  начала нужно преобразовать переменное напряжение в постоянное, а затем  постоянное напряжение  в ток, что  показывает структурная схема.

    Данный измерительный механизм  содержит две измерительные катушки:  неподвижную и подвижную.(Рис.3) Принцип  действия основан на взаимодействии  катушек, электромагнитные поля  которых взаимодействуют друг  с другом.

 В ЭД  измерительных механизмах элементом подвижной части, участвующим в создании вращающего момента М_вр, является рамка (2), намотанная тонким проводом. На осях (3) укреплены подвижные части механизмов. Ось (3) снабжена на концах кернами и может поворачиваться в подпятниках (4). Чтобы увеличить затухание и уменьшить время установления показаний в механизмах применяются специальные устройства- успокоители. 

Рис.3 Электродинамический  ИМ 

      В электродинамическом ИМ, в качестве успокоителя применено крыло (12), которое при повороте подвижной части, расходует энергию, перегоняя воздух в камере (13) из одной части в другую. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки (9). При наличии тока в обмотках катушек ИМ возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки подвижных и неподвижных катушек совпадали.

   Определим вращающий момент  электродинамического ИМ.

   

- электромагнитная          энергия двух контуров с токами, где L1 и L2 – индуктивности неподвижных и подвижных катушек;  М 1,2- взаимная индуктивность между ними

   Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому

Мвр-  вращающий  момент;

I1 - ток через  неподвижную катушку; 

I2 - ток через подвижную катушку;

 θ - фазовый  сдвиг между синусоидальными  токами.                    

 М - коэффициент  взаимной индуктивности катушек. 

Если противодействующий момент создается с помощью упругих  элементов, то для режима установившегося  отклонения

,

   откуда  выражение для угла отклонения  выглядит:

             На основе электродинамического  механизма в зависимости от  схемы соединения обмоток могут  выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. 

     Достоинства

     Достоинством  электродинамических вольтметров  и амперметров является высокая  точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может  быть 0,1…0,2 %, что является наилучшим  достижимым показателем для измерительных  приборов переменного тока. По другим показателям электродинамические приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы используются как образцовые лабораторные измерительные приборы.  
 
 

1.4 Метод косвенного  преобразования переменного  напряжения с    использованием магнитоэлектрического механизма

      Для использования данного метода, для  начала нужно преобразовать переменное напряжение в постоянное, а затем  постоянное напряжение  в ток, только после этого можно преобразовывать  в α , что показывает структурная  схема.

 
 

      Данный  метод реализуется при помощи магнитоэлектрического механизма.

 В этой системе измерительный  механизм состоит из проволочной  рамки с протекающим в ней  током, помещенной в поле постоянного  магнита (магнитопровода). (Рис.4)  

Поле  в зазоре, где находится рамка, равномерно, за счет особой конфигурации магнитопровода.

Подвижная часть МЭ измерительного механизма укреплена на двух растяжках (3). С подвижной частью жестко связана стрелка (5), которая при повороте подвижной части перемещается над неподвижно укрепленной шкалой(6).

       

     На  шкале установлены упоры 7, чтобы уберечь стрелку и подвижную часть от повреждений. При протекании по обмотке рамки тока возникают силы, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы магнитные потоки совпадали.

     При равенстве вращающего и противодействующего  моментов подвижная часть останавливается.

   Для получения зависимости между углом отклонения и током в рамке используем уравнение:

                                                 (1),

Где   Ф- поток, сцепляющейся с обмоткой рамки;

    I- ток в обмотке рамки

    

, где

    r- радиус рамки относительно оси вращения;

    l- длина рамки

    α- угол отклонения рамки от нейтрального положения

    ω- число витков обмотки

    S- площадь катушки.

    Подставив Ф в формулу (1), и дифференцируя его, получим

    

   Т. к.противодействующий  момент создается с помощью  упругих элементов, то для режима  установившегося отклонения:

          , откуда                 

Где: B – индукция в воздушном зазоре.

    S – площадь катушки.

    W – удельный противодействующий момент.

      U_X  – измеряемое напряжение.

    ω – число витков обмотки рамки.

    На  основе магнитоэлектрического механизма  создаются вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы, и их структурное построение главным образом определяется измерительной схемой.

Достоинства

     Измерительные приборы магнитоэлектрической системы  имеют достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление  энергии из измерительной цепи, высокую чувствительность, но работают лишь на постоянном токе. Класс точности 0,05…0,5. 

II. Преобразование переменного напряжения в постоянное. 

    Преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы) можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное:

-амплитудные (пиковые)

     -среднего квадратического

     -средневыпрямленного значения.

    Тип преобразователя - детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

2.1 Амплитудный детектор (пассивный)

     Амплитудный детектор - устройство, напряжение на выходе которого, т.е. на нагрузке, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения.( Рис.5)

       

      

       
 

Рис.5 Принципиальная схема.    Рис.6  Временные диаграммы. 

Принцип работы

     Рассмотрим  работу детектора при подаче на его  вход гармонического напряжения.

       На интервалах времени, когда  на вход детектора поступает  положительная полуволна, конденсатор  С заряжается через диод, сопротивление R₀ которого в открытом состоянии мало. Постоянная времени заряда τ_з =RoC невелика и заряд конденсатора до максимального значения U_m происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки R_н так как оно выбирается достаточно большим (50... 100 МОм).

 Постоянная  разряда τ_р = R_нC оказывается значительно больше периода Т = 2π/ω входного переменного напряжения. В результате конденсатор останется заряженным до напряжения, близкого к U_C = U_m = U_вых. ( Рис.6)

  Чем меньше период исследуемого сигнала (чем выше частота), тем точнее выполняется равенство U_C = U_m. Этим объясняются высокочастотные свойства детектора.

2.2 Детектор среднего значения

    Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:

             T-период напряжения сети