Приборы электростатической системы принцип действия уравнение шкалы (7 видео)

Приборы электростатической системы принцип действия уравнение шкалы

Электростатические измерительные приборы.

Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами.

Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке приведена схема с изменяющейся площадью электродов.

Вращающий момент в приборах электростатической системы определяется уравнением:

При работе измерительного механизма на переменном напряжении вращающий момент определяется как:

С- емкость между подвижным и неподвижным электродами.

Уравнение шкалы прибора имеет вид:

Достоинства электростатических приборов.

Приборы электростатического типа имеют высокое входное сопротивление, малую, но переменную входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон. Данные приборы могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока. Показания приборов соответствуют среднеквадратическому значению измеряемой величины, и показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала.

Недостатки электростатических приборов.

Видео:Урок 275. Электроизмерительные приборы. ГромкоговорителиСкачать

Приборы имеют квадратичную шкалу, малую чувствительность из-за слабого электростатического поля и невысокую точность. Кроме того, приборы требуют применения экрана и не исключают возможность электрического пробоя.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВВвод названия запись

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Большинство электроизмерительных приборов имеют много общего в конструкции. Поэтому можно выделить основные узлы измерительного механизма этих приборов. Это – устройства, создающие вращающий момент; устройства, создающие противодействующий момент, зависящий от угла отклонения стрелки (спиральные пружинки или растяжки); отсчетное устройство (шкала и стрелка или световой указатель); успокоительный механизм, гасящий колебания, возникающие в измерительном устройстве; вспомогательные устройства (стрелочные упоры, корректоры и т. д.).

В зависимости от устройства, создающего вращающий момент, приборы разделяют на системы: приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической систем; цифровые и т. д.

Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип работы приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии измеряемого тока, протекающего по обмотке подвижной катушки, с магнитным полем постоянного магнита. Схема устройства показана на (рис.7). Магнитное поле создается сильным постоянным магнитом 1 подковообразной формы, к ножкам которого прикреплены полюсные наконечники 2 с вогнутыми цилиндрическими поверхностями.

Между ними неподвижно укреплен железный сердечник 3. В небольшом зазоре между сердечником и полюсными наконечниками постоянного магнита может свободно поворачиваться на оси катушка 4. На оси 5, связанной с катушкой, закреплена стрелка 6, конец которой перемещается по шкале 7. Каркас катушки сделан из алюминия. При прохождении тока через рамку возникает вращающий момент, под действием которого подвижная часть прибора поворачивается вокруг своей оси на некоторый угол α.

Вращающий момент прямо пропорционален силе тока:

B – магнитная индукция поля постоянного магнита,

Видео:Урок 179 (осн). Электроизмерительные приборыСкачать

S – площадь катушки,

n – число витков катушки.

Противодействующий момент создается спиральными пружинами 8 и пропорционален углу поворота рамки:

где k₂ – коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины. При равновесии подвижной части прибора вращающий момент равен противодействующему. Из этого условия равновесия для приборов магнитоэлектрической системы следует, что угол отклонения катушки (а, следовательно, и стрелки) пропорционален протекающему по катушке току и поэтому их шкалы равномерны. Линейная зависимость между током и углом отклонения является большим достоинство приборов магнитоэлектрической системы.

Магнитоэлектрические приборы служат только для измерения постоянного тока и напряжения, так как направление поворота рамки зависит от направления тока в ней. Если по катушке пропустить переменный ток частотой 50 Гц, то направление вращающего момента станет меняться сто раз в секунду, подвижная часть не будет успевать за током и стрелка не отклонится.

Приборы электромагнитной системы

Принцип работы приборов электромагнитно системы (рис.8) основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки 1 с подвижным сердечником из ферромагнитного материала 2, внесенного в это поле.

Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален квадрату силы тока:

где С – коэффициент, зависящий от числа витков катушки, материала, формы сердечника и его положения относительно подвижной части. При равновесии подвижной части прибора угол поворота оказывается пропорционален квадрату тока.

Вследствие этого шкала приборов электромагнитной системы неравномерна.

С изменением направления тока меняется направление магнитного поля в катушке, вследствие чего сердечник перемагничивается. Поэтому приборы электромагнитной системы могут применяться в цепях как постоянного, так и переменного токов.

Видео:КАК РАБОТАЮТ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ [РадиолюбительTV 50]Скачать

Приборы электродинамической системы

Принцип работы приборов электродинамической системы (рис. 9) основан на взаимодействии двух катушек (рамок), по которым течет ток. Одна из них неподвижна, а другая подвижна. Перемещение катушек относительно друг друга обусловливается тем, что проводники, по которым протекают токи одного направления, притягиваются, а с токами противоположных направлений – отталкиваются.

Подвижная катушка 2 жестко связана со стрелкой 3, может вращаться на оси внутри неподвижной катушки 1. Вращающий момент, созданный взаимодействием магнитных полей катушек, пропорционален произведению силы тока в подвижной катушке и силе тока в неподвижной катушке :

где С₁ – коэффициент, зависящий от числа витков катушек, размеров и формы катушек и их взаимного расположения. Противодействующий момент создается спиральными пружинами 4 и пропорционален углу α:

где С₂ – коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины. Из условия равновесия несложно определить, что угол поворота стрелки пропорционален токам, протекающим через катушки

Следовательно, шкалы амперметра и вольтметра электродинамической системы неравномерны.

При перемене направления тока в катушках направление вращающего момента не меняется, поэтому эти приборы пригодны для измерений, как на постоянном, так и на переменном токе.

На практике электродинамические приборы широко применяются для измерения мощности (ваттметры). Электродинамический ваттметр (Рис.10) состоит из двух катушек.

Неподвижная катушка 1 намотана толстым проводом и имеет небольшое число витков и включается последовательно с тем участком цепи, на котором измеряется мощность. Подвижная катушка 2 имеет большое количество витков и включается в цепь параллельно потребителю H. В этом случае угол поворота будет пропорционален мощности: . То есть шкалу прибора можно проградуировать в ваттах и шкала будет равномерной. Ваттметры имеют два верхних предела измерений: по току и по напряжению. Они указываются обычно на переключателе пределов или около соответствующих клемм. Верхний предел измерений по мощности определяется как произведение верхних пределов по току и напряжению.

Приборы электростатической системы

Принцип работы приборов электростатической системы основан на кулоновском взаимодействии заряженных проводников, точнее, на действии электростатического поля, созданного между двумя неподвижными электродами, на подвижный электрод.

Конструктивно приборы этой системы представляют собой воздушный конденсатор (рис.11).

Видео:Амперметр и вольтметр: что у них внутри?Скачать

Когда к неподвижным электродам 1 приложено напряжение, подвижный электрод 2 стремится расположиться так, чтобы электроемкость была наибольшей, вследствие чего подвижная часть отклоняется от первоначального положения.

Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален квадрату напряжения:

Вследствие этого угол поворота стрелки прибора также пропорционален квадрату напряжения и шкала приборов электростатической системы неравномерна. Вращающий момент в приборах этой системы весьма мал, поэтому чувствительность прибора невелика. Этот недостаток компенсируется такими достоинствами, как возможность измерения на высоких частотах и в высокоомных цепях.

Цифровые измерительные приборы

Основой цифрового прибора является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В настоящее время имеется множество схемотехнических принципов построения АЦП, однако общим из них является сравнение измеряемой величины с набором эталонов. Основными характеристиками АЦП являются точность преобразования (число разрядов в выходном коде) и быстродействие. Можно условно разделить АЦП на два класса: последовательного счета, когда выходной код определяется равенством измеряемого напряжения с дискретно растущим эталонным напряжением, и параллельного, когда сигнал сравнивается с набором эталонных напряжений.

Широкое распространение получили цифровые измерительные прибора для измерения малых сигналов, а также для измерений в слаботочных цепях. Цифровые приборы представляют собой сочетание электронного усилителя и системы цифровой индикации. Структурная схема цифровых приборов представлена на рис.12.

При измерении электронными приборами с цифровой индикацией измеряемая величина (напряжение постоянного тока U_x, постоянный ток I_x или сопротивление R_x) подается на вход аналогового масштабного преобразователя (АМП), который преобразует ее в напряжение постоянного тока U . Сигнал U поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, где происходит его измерение. Результат измерения с выхода АЦП выдается на устройство индикации УИ, где высвечивается измеряемая величина в цифровом значении.

Приборы с цифровой индикацией дают более точный отсчет измерений, независимый от человека, проводящего измерения.

Условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы

Обозначения принципа действия прибора

1. Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой