Електромеханічні частотоміри і фазометри

Феродинамічний вимірювальний перетворювач

Феродинамічні вимірювальні механізми за суттю є різновидом електродинамічних, від яких вони відрізняються не за принципом дії, а конструктивно. Для збільшення магнітних потоків нерухомої та рухомої котушок всередині них розміщають магнітопроводи (осердя) з магнітом’якого матеріалу (рис.2.21): нерухома котушка 1 розміщається на осерді 2, всередині рухомої котушки 4 знаходиться осердя 3. Завдяки наявності магнітопроводів значно збільшується обертальний момент, зростає чутливість механізму, і може бути зменшене власне споживання потужності механізму. Внаслідок сильного власного поля механізму різко знижується вплив зовнішніх магнітних полів.

Рисунок 2.21

Але наявність магнітопроводів збільшує похибку приладів через вихрові струми та гістерезис, а також через нелінійність залежності індукції від напруженості магнітного поля.

Проміжок, у якому переміщаються бокові сторони рухомої котушки феродинамічного механізму, найчастіше виконується рівномірним. Тому dM/da = const, і рівняння перетворення має такий самий вигляд, як і для електродинамічного механізму:

(2.49)

де С – постійний коефіцієнт, який визначається характеристиками магнітопроводів.

Феродинамічні прилади випускаються у вигляді переносних та щитових приладів змінного струму (на змінному струмі гістерезис впливає на покази приладу менше, ніж на постійному). Внаслідок можливості одержання великого обертального моменту феродинамічні вимірювальні механізми широко застосовуються в самописних приладах. Діапазон частот феродинамічних приладів – 10 Гц–1,5 кГц. Класи точності – 0,2–1,5. Для побудови різних приладів широко використовуються електродинамічні та феродинамічні логометричні механізми.

В електромеханічних частотомірах використовуються електромагнітні або електродинамічні (феродинамічні) механізми. Застосовуються вони в основному в енергетичних колах для вимірювання частот у діапазоні 20–2500 Гц.

Найбільш прості за будовою та принципом дії електромагнітні резонансні (вібраційні) частотоміри. Вони бувають двох типів: з безпосереднім та опосередкованим збудженням резонансних коливань.

Резонансний електромагнітний частотомір з опосередкованим збудженням схематично показаний на рис.2.22, а. Напруга U, частоту якої необхідно виміряти, подається на котушку 2, розташовану на осерді 1 електромагніту. Якір 3 електромагніту нижнім кінцем закріплений на пружній основі 4. На цій же ж основі знаходиться планка 6, в яку закладені кінці ряду пружних пластин 5. При протіканні змінного струму по котушці якір два рази за період змінного струму притягується до осердя. Коливання якоря передаються пластинам, кожна із яких має свою резонансну частоту. Найбільшою амплітуда коливань буде у тієї пластини, у якої частота власних коливань збігається із подвійною частотою поданої напруги. На рис.2.22, б показана частина герцметра, на якій видно, що вимірювана частота становить 49,7 Гц. Загнуті кінці резонувальних пластин 5 пофарбовані, як правило, білою фарбою.

а) б)

Рисунок 2.22

Похибка резонансних частотомірів складає біля 1%. Межі вимірювання таких частотомірів невеликі, наприклад, 45–55 або 450–550 Гц. Суттєвим недоліком такого типу частотомірів є їх чутливість до механічних вібрацій. Іноді це використовується для вимірювання частот механічних коливань.

Електрична схема електродинамічного частотоміра на основі логометричного механізму та векторна діаграма струмів наведені на рис.2.23.

Логометричний механізм має одну нерухому котушку 1 та дві рухомі 2 і 3, скріплені між собою під кутом 90°. Нерухома котушка з’єднана послідовно з однією із рухомих електричним колом R₁-L₁-C₁. Параметри R₁, L₁ та C₁ підібрані так, що частота резонансу напруги цього кола дорівнює середній частоті діапазону вимірювань. При цій частоті струм I₁ збігається за фазою з напругою U.

а)б)

Рисунок 2.23

Послідовно з рамкою 2 ввімкнена ємність C₂, тому струм I₂ випереджає напругу U практично на 90°. Таким чином, на середній частоті обертальний момент, який діє на рамку 2 дорівнює

М_об2 = K₂×I₂×I₁cos90°×f₁(a) = 0, (2.50)

де K₂ – постійний коефіцієнт.

Якщо рухома частина механізму знаходиться в такому положенні, що обертальний момент, який діє на рамку 3,

М_об3 = K₃×I₁²×f₂(a) ¹ 0, (2.51)

то під дією цього моменту рухома частина буде повертатись до тих пір, поки f₂(a) не стане рівною нулю. Стрілка приладу при цьому буде показувати середню частоту діапазону.

Якщо частота напруги відхилиться від середнього значення, то вектор струму І₁ зміститься відносно вектора U на кут +j чи –j. Кут між векторами струмів І₁ та І₂ буде відрізнятись від 90°, М_об2 не буде вже дорівнювати нулю і внаслідок його дії рухома частина буде повертатися до тих пір, поки М_об3 не стане дорівнювати М_об2. В цьому положенні стрілка приладу покаже значення частоти, яке відрізняється від середнього значення.

На рис.2.24 наведена схема електродинамічного фазометра та відповідна їй векторна діаграма.

В основі приладу – електродинамічний логометр, рухомі рамки якого скріплені під кутом 60°. В рамці 2 струм І₂ збігається за фазою з напругою на навантаженні U.

У логометричному механізмі при протіканні струмів через котушки створюються два обертальні моменти:

(2.52)

(2.53)

де М₁₂, М₁₃ – взаємні індуктивності між рухомими та нерухомою котушкою, які змінюються при зміні кута повороту; при цьому

Рисунок 2.24

Нехай

Рухома частина знаходиться у рівновазі при рівності обертальних моментів: М₁₂ = М₁₃, або

(2.54)

звідки

(2.55)

Рівняння (2.55) можна записати у вигляді:

a =F. (2.56)

Таким чином, в електродинамічному логометрі a є функцією відношення проекцій векторів струмів в рухомих котушках (рамках) на вектор струму в нерухомій (див. рис.2.24, б).

Струми І₂ та І₃ при незмінній частоті пропорційні напрузі U: І₂ = C₁×U; І₃ = C₂×U, тоді

.

З урахуванням цього

a =C×F. (2.57)

З останнього виразу видно, що при постійному зсуві фаз b кут повороту рухомої частини a визначається зсувом фаз j між напругою та струмом в навантаженні. При цьому, якщо j збільшується, то чисельник дробу в виразі (2.57) збільшується, а знаменник зменшується.

Фазометри такого типу виготовляються на одне чи декілька номінальних значень напруги. Покази розглянутого електродинамічного фазометра практично не залежать від відхилення напруги на навантаженні від номінальної у межах 10–20%. Прилад має лінійну шкалу.

Недоліками такого фазометра є залежність показів від частоти та велика споживана потужність. Зведена похибка лабораторних фазометрів такого типу (наприклад, фазометра типу Д578) не перевищує 0,5%.

На основі електродинамічних механізмів будуються фазометри для вимірювань cos j в трифазних колах (найчастіше в симетричних).

Дата добавления: 2014-10-22