Методы измерения переменных токов и напряжений средней и низкой частоты (стр. 3 из 4)
,Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получаем
. (11) 
Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально квадрату измеряемого тока. Прибор пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градуировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратическим (действующим) значениям переменного тока.Достоинства электромагнитных приборов – простота конструкции и надежность. Недостатки: малая чувствительность; Значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы; значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока.
Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяют для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амерметров и вольтметров выпускают в виде щитовых приборов различных класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000, 1500 Гц.
Амерметры. Катушку амерметра изготавливают из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5А. Число витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе.
Для расширения пределов измерения переменного тока применяют измерительные трансформаторы тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы и на 400 и 1000 Гц.
Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков и включается последовательно в разрыв цепи (рис.8, а). Вторичная обмотка с большим кольчеством витков соединяется с амперметром на 5 А (иногда на 1 А). Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до 15кА. При больших значениях тока первичная обмотка представляет собой прямоугольный отрезок шины или стержень, проходящий через окно магнитопровода (рис.8, б). Сопротивления амперметров малы, поэтому нормальным режимом работы трансформатора тока является режим, близкий к режиму короткого замыкания.Вольтметры. Катушку вольтметра изготавливают из большого количества витков тонкого медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значении тока. Уравнение для электромагнитного вольтметра приобретает вид:
, (12)где Rv – сопротивление обмотки катушки.
Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В и добавочными сопротивлениями на – 450, 600 и 750 В; класс точности 1,5. Для измерений более высоких напряжений, вплоть до 15 кВ, применяют измерительные трансформаторы напряжения. Они различаются классом точности (0,1 и 0,2) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц.Первичная обмотка трансформатора (рис.9) напряжения включается параллельно измеряемой цепи. К вторичной обмотке подключается вольтметр.
2.3 Электродинамические приборы
Узел для создания вращающего момента состоит из неподвижной катушки, внутри которой помещена подвижная. Принцип действия заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи (рис.10).Неподвижная катушка разделена на две половины, по которым протекает ток I1. Подвижная катушка расположена внутри неподвижной, и по ней протекает ток I2, который подводится через спиральные противодействующие пружины или растяжки. Успокоение обычно воздушное. Энергия, запасенная в обеих катушках,
(13)где M1,2 – взаимная индуктивность между катушками.
Формула вращающего момента
(14)и уравнение отклонения указателя
. (15)Если через катушки пропустить переменные синусоидальные токи
и 
, то подвижная часть прибора будет реагировать на среднее значение вращающего момента 
,где I1 и I2– действующие значения тока; j -- фазовый сдвиг между ними.
Значит уравнение (15) для переменного тока примет вид:
(16)Из формул (15) и (16) ясно, что показания приборов электродинамической системы пропорциональны произведению токов, протекающих по катушкам; градуировка шкалы на постоянном токе справедлива и для переменных токов.
К достоинствам этих приборов относятся: возможность перемножать измеряемые величины, т.е. измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности; сложность конструкции; недопустимость перегрузки; нелинейность шкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля.
Выпускаются амперметры, вольтметры электродинамической системы для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой 50,400,1000,2000, 3000 Гц.
Амперметры. Для измерения силы тока обе катушки соединяют параллельно или последовательно (рис.11,а). При этом один и тот же ток протекает по обеим катушкам уравнение (15) будет иметь вид:
(17)где SI – чувствительность по току.
При параллельном соединении катушек пределы измерения тока будут больше чем при последовательном.
Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают с пределами измерений от 1 до 200 А. Расширение пределов (до 6кА) осуществляется при помощи измерительных трансформаторов тока.
Вольтметры. Для измерения обе катушки соединяют последовательно (рис.11, б). Уравнение (15) для вольтметра примет вид:
, (18)где Su – чувствительность по напряжению; Rk – сопротивление обмоток катушек.
При измерении переменного напряжения в цепи вольтметра будет действовать полное сопротивление 
, где Rk и Xk – активное и реактивное сопротивление катушек. На частотах свыше 500 Гц реактивное сопротивление Xk проявляется довольно заметно и поэтому градуировка шкалы нарушается.Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносные – от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерения вплоть до 30 кВ применяют измерительные трансформаторф напряжения.
2.4 Ферродинамические приборы
Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических с тем отличием, что неподвижные катушки заключены в сердечники из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако это приводит к увеличению погрешности прибора.
2.5 Электростатические приборы
Принцип действия приборов электростатической системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных тел. Конструктивно они выполняются в виде неподвижной и подвижной пластин к которым прикладывается измеряемое напряжение (рис.12).
Энергия электрического поля
. При движении подвижной пластины емкость С между ними изменяется. Формула вращающего момента будет иметь вид 
и отклонение указателя
. (19)Противодействующий момент создается спиральной пружиной (рис.12, а) или весом подвижной пластины (рис.12, б). Из уравнения (19) следует, что электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.
К достоинствам электростатических приборов относятся: большие пределы напряжений (до 1МВ); широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30Мгц). Недостатки: малая чувствительность; малая надежность; нелинейность шкалы; влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля.