Zařízení ampérmetru a voltmetru

Zpočátku byly voltmetry a ampérmetry pouze mechanické a až o mnoho let později s rozvojem mikroelektroniky se začaly vyrábět digitální voltmetry a ampérmetry. Nicméně i nyní jsou mechanické měřicí přístroje populární. Ve srovnání s digitálními jsou odolné proti rušení a poskytují jasnější představu o dynamice měřené hodnoty. Jejich vnitřní mechanismy zůstávají prakticky stejné jako kanonické magnetoelektrické mechanismy prvních voltmetrů a ampérmetrů.

V tomto článku se podíváme na návrh typického ukazovátka, aby každý začátečník pochopil základní principy fungování voltmetrů a ampérmetrů.

Ukazovátko měřící zařízení využívá při své činnosti magnetoelektrický princip. Permanentní magnet s výraznými pólovými nástavci je nehybně upevněn. Mezi těmito póly je umístěno stacionární ocelové jádro, takže se ve vzduchové prstencové mezeře mezi jádrem a pólovými nástavci magnetu vytváří konstantní magnetické pole.

Do mezery je vložen pohyblivý hliníkový rám, na kterém je velmi tenkým drátkem navinutá cívka. Rám je upevněn na nápravových hřídelích a může se otáčet společně s navijákem. Ukazatel přístroje je připevněn k rámu pomocí spirálových pružin. Proud je do cívky přiváděn přes pružiny.

Když drátem cívky prochází proud I, protože cívka je umístěna v magnetickém poli a proud v jejích vodičích protéká kolmo k siločarám magnetického pole v mezeře, bude na ni působit rotační síla z magnetického pole. . Elektromagnetická síla vytvoří krouticí moment M a cívka se spolu s rámem a šipkou otočí o určitý úhel α.

Protože indukce magnetického pole v mezeře je konstantní (magnet je konstantní), bude točivý moment vždy úměrný proudu v cívce a jeho hodnota bude záviset na proudu a na konstantních konstrukčních parametrech tohoto konkrétního zařízení (c1 ). Tento okamžik se bude rovnat:

Protimoment, který zabraňuje otáčení rámu, vznikající v důsledku přítomnosti pružin, bude úměrný úhlu natočení pružin, to znamená úhlu natočení šipky spojené s pohyblivou částí:

Rotace tedy bude pokračovat, dokud se moment M vytvořený proudem v rámu nebude rovnat momentu reakce Mpr od pružin, tedy dokud nenastane rovnováha. V tuto chvíli se šipka zastaví:

Je zřejmé, že úhel natočení pružin bude úměrný proudu rámu (a měřenému proudu), z tohoto důvodu mají zařízení magnetoelektrického systému jednotnou stupnici. Součinitel úměrnosti k mezi úhlem natočení jehly a jednotkou měřeného proudu se nazývá citlivost přístroje.

Reciproční hodnota se nazývá dělicí cena nebo konstanta zařízení. Hodnota naměřené hodnoty je určena jako součin hodnoty dílku počtem dílků odečtené na stupnici.

Aby nedocházelo k rušivým vibracím pohyblivého rámu při pohybu šipky z jedné polohy do druhé, používají tato zařízení magnetickou indukci nebo vzduchové tlumiče.

Tlumič magnetické indukce je hliníková deska, která je upevněna na rotační ose zařízení a vždy se pohybuje s ukazatelem v poli permanentního magnetu. Vzniklé vířivé proudy cívku zpomalují. Jde o to, že podle Lenzova pravidla vířivé proudy v destičce interagující s magnetickým polem permanentního magnetu, který je generuje, brání destičce v pohybu a oscilace jehly rychle utichnou. Roli takového magneticko-indukčního tlumiče plní hliníkový rám, na kterém je cívka navinuta.

Při otáčení rámu se mění magnetický tok z permanentního magnetu pronikajícího do hliníkového rámu, což znamená, že se v hliníkovém rámu indukují vířivé proudy, které při interakci s magnetickým polem permanentního magnetu mají brzdný účinek, resp. kmitání dorazu jehly.

Vzduchové tlumiče magnetoelektrických zařízení jsou válcové komory s písty umístěnými uvnitř, napojené na pohyblivé systémy zařízení. Když se pohyblivá část začne pohybovat, píst ve tvaru křídla je v komoře zabrzděn a oscilace jehly jsou tlumeny.

Pro dosažení požadované přesnosti měření by zařízení nemělo být během procesu měření ovlivňováno gravitací a výchylka jehly by měla být spojena pouze s kroutícím momentem, který vzniká při interakci proudu cívky s magnetickým polem permanentního magnetu a s brzdění rámu pružinami.

Aby se eliminoval škodlivý vliv gravitace a předešlo se chybám s tím spojeným, jsou k pohyblivé části zařízení přidána protizávaží ve formě závaží pohybujících se na tyčích.

Pro snížení tření jsou ocelové hroty vyrobeny z leštěné oceli odolné proti opotřebení nebo ze slitiny wolframu a molybdenu a ložiska jsou vyrobena z tvrdého minerálu (achát, korund, rubín atd.). Mezera mezi hrotem a axiálním ložiskem se nastavuje pomocí aretačního šroubu.

Pro přesné nastavení jehly do nulové výchozí polohy je zařízení vybaveno korektorem. Korektorem v ukazovacím zařízení je šroub vyvedený ven a spojený ovladačem s pružinou. Pomocí šroubu můžete spirálku mírně posouvat na ose a tím upravit výchozí polohu šipky.

Většina moderních zařízení má pohyblivou část zavěšenou na dvojici kotevních drátů ve formě elastických kovových pásků, které slouží k napájení cívky a vytváření protipůsobícího krouticího momentu. Nástavce jsou spojeny s dvojicí plochých pružin umístěných vzájemně kolmo.

Abychom byli spravedliví, poznamenáváme, že kromě klasického mechanismu diskutovaného výše existují také zařízení s magnety nejen ve tvaru U, ale také s válcovými magnety a s magnety ve formě hranolů a dokonce s magnety uvnitř rámu. , které samy mohou být pohyblivé.

Pro měření proudu nebo napětí se magnetoelektrické zařízení zapojuje do obvodu stejnosměrného proudu pomocí obvodu ampérmetru nebo voltmetru, rozdíl je pouze v odporu cívky a v obvodu připojení zařízení k obvodu. Při měření proudu by samozřejmě neměl celý měřený proud procházet cívkou zařízení a při měření napětí by se nemělo spotřebovávat velké množství energie. Pro vytvoření správných podmínek je použit přídavný odpor zabudovaný v těle měřicího zařízení.

Odpor přídavného rezistoru v obvodu voltmetru je mnohonásobně větší než odpor cívky a tento rezistor je vyroben z kovu s extrémně nízkým teplotním koeficientem odporu, jako je manganin nebo konstantan. Rezistor zapojený paralelně s cívkou v ampérmetru se nazývá bočník.

Odpor bočníku je naopak mnohonásobně menší než odpor měřicí pracovní cívky, takže drátem cívky prochází jen nepatrný zlomek měřeného proudu, zatímco bočníkem protéká hlavní proud. Přídavný odpor a bočník umožňují rozšířit meze měření zařízení.

Směr vychýlení šipky zařízení závisí na směru proudu procházejícího měřicí cívkou, proto je při zapojování zařízení do obvodu důležité dodržet správnou polaritu, jinak se šipka posune opačným směrem. V souladu s tím jsou magnetoelektrická zařízení ve své kanonické formě nevhodná pro zahrnutí do obvodu střídavého proudu, protože jehla bude jednoduše vibrovat, zatímco zůstane na jednom místě.

Mezi výhody magnetoelektrických přístrojů (ampérmetry, voltmetry) však patří vysoká přesnost, jednotnost stupnice a odolnost proti rušení generovaným vnějšími magnetickými poli. Nevýhodou je nemožnost měření střídavého proudu (pro měření střídavého proudu jej budete muset nejprve usměrnit), požadavek na zachování polarity a zranitelnost tenkého vodiče měřicí cívky na přetížení.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Dnes krátce odbočím od mého obvyklého tématu vizuálního programování regulátorů a věnuji se tématu měření napětí právě tam, v zásuvce!

Tento článek se zrodil z diskuzí u čaje, kdy se mezi „vševědoucími a vševědoucími“ programátory rozhořel spor o to, čemu mnozí z nich nerozumí, totiž: jak se měří napětí v zásuvce, co ukazuje střídavý voltmetr, jaká je rozdíl mezi špičkovými a efektivními hodnotami napětí .

S největší pravděpodobností bude tento článek zajímat ty, kteří začínají vytvářet vlastní zařízení. Snad to ale pomůže někomu zkušenějšímu osvěžit paměť.

Článek hovoří o tom, jaká napětí existují ve střídavé síti, jak se měří a na co si pamatovat při navrhování elektronických obvodů.
Vše je stručně a zjednodušeně matematicky zdůvodněno, aby bylo jasné nejen „jak“, ale i „proč“.

Ti, kteří nemají zájem číst o integrálech, normách GOST a fázích, mohou okamžitě přejít k závěru.

Vstup

Když se začne mluvit o napětí v zásuvce, stereotyp „220 V v zásuvce“ jim velmi často skryje skutečný stav věcí.

Začněme tím, že podle GOST 29322-2014, síťové napětí by mělo být 230V±10% na frekvenci 50±0,2Hz (sdružené napětí 400V, fázově neutrální napětí 230V). Ale zároveň GOST je tam poznámka: „Nadále se však používají systémy 220/380 V a 240/415 V„.

Souhlasíte, že to není vůbec tak jednoznačné“v zásuvce 220V“, na který jsme zvyklí. A když se začne mluvit o „fáze„“lineární„“proud„A“vrchol» napětí – obecně se kaše ukazuje jako pozoruhodná. Kolik voltů je tedy v zásuvce?

Chcete-li odpovědět na tuto otázku, začněme tím, jak se měří napětí v síti střídavého proudu.

Jak měřit střídavé napětí?

Než se ponoříme do džungle střídavých a napěťových obvodů, připomeňme si školní fyziku stejnosměrných obvodů.

Stejnosměrné obvody jsou jednoduchá věc. Pokud vezmeme nějakou aktivní zátěž (ať už je to obyčejná žárovka, jako na obrázku) a zapojíme ji do stejnosměrného obvodu, pak vše, co se děje v našem obvodu, bude charakterizováno pouze dvěma veličinami: napětím na zátěži U a proud protékající zátěží I. Výkon spotřebovaný zátěží se jednoznačně vypočítá pomocí vzorce známého ze školy: .

Nebo, pokud to vezmeme v úvahu podle Ohmova zákona, pak moc P, spotřebovanou zátěží žárovky, lze vypočítat pomocí vzorce.

S proměnným napětím je vše mnohem složitější: v každém časovém okamžiku může mít jinou okamžitou hodnotu. V důsledku toho se v různých okamžicích uvolní jiný výkon při zátěži připojené ke zdroji střídavého napětí (například žárovka zapojená do zásuvky). To je z hlediska popisu elektrického obvodu velmi nepohodlné.

Měli jsme ale štěstí: napětí ve vývodu je sinusové. A sinusoida, jak víte, je kompletně popsána třemi parametry: amplitudou, periodou a fází. V jednofázových sítích (a běžná zásuvka se dvěma otvory je přesně jednofázová síť) můžete zapomenout na fázi. Na obrázku jsou detailně znázorněny dvě periody jednofázového síťového napětí. Ten samý, co je ve vývodu.

Podívejme se, co všechna tato písmena na obrázku znamenají.

Období T je čas mezi dvěma sousedními minimy nebo sousedními maximy sinusoidy. Pro osvětlovací síť Ruské federace je toto období 20 milisekund, což odpovídá frekvenci 50 Hz. Frekvence kolísání napětí v elektrické síti je udržována velmi přesně, až na zlomek procenta.

Je zřejmé, že v libovolných dvou bodech sinusoidy, oddělených od sebe celočíselným počtem period, jsou napětí vždy rovna.

Amplituda Um – to je maximální napětí, vrchol sinusoidy. O efektivním napětí Ud Pojďme mluvit trochu níže.

Napětí v zásuvce (nebo v jednofázové síti) je popsáno vzorcem

kde t – aktuální okamžik, Um – amplituda (nebo špičková hodnota) napětí, T — perioda síťového napětí.

Pokud je vše víceméně jasné s jednofázovým střídavým napětím, zkusme vypočítat výkon, který vydává naše oblíbená žárovka, když je zapojena přímo do zásuvky.

Vzhledem k tomu, že žárovka je aktivní zátěž (to znamená, že její odpor nezávisí na frekvenci napětí a proudu), okamžitý výkon uvolněný žárovkou zapojenou do zásuvky se vypočítá podle vzorce

kde t je aktuální okamžik v čase a R – odpor žárovky s žhaveným vláknem. Znalost amplitudy střídavého napětí Um, můžeme napsat:

Je jasné, že okamžitý výkon je nepohodlný parametr a v praxi to není nijak zvlášť nutné. Proto se v praxi obvykle používá výkon zprůměrovaný za určité období.
Je to průměrný výkon, který je uveden na žárovkách, ohřívačích a dalších žehličkách pro domácnost.

Průměrný výkon se vypočítá v obecném případě pomocí vzorce:

A pro naši sinusoidu – podle mnohem jednoduššího vzorce:

Funkci můžete nahradit sami a vzít integrál, pokud mi nevěříte.

Nemyslete si, že jsem si na sílu vzpomněl jen ze zášti. Nyní pochopíte, proč jsme to potřebovali. Přejděme k další otázce.

Co ukazuje voltmetr?

U stejnosměrných obvodů je zde vše jasné – voltmetr ukazuje jediné napětí mezi dvěma kontakty.

U střídavých obvodů je vše opět složitější. Někteří (a těch není tak málo, jak jsem se přesvědčil) věří, že voltmetr ukazuje špičkovou hodnotu napětí Um, ale není tomu tak!

Vlastně voltmetry obvykle show herectví nebo efektivníto střední kvadrát, síťové napětí Ud.

Řeč je samozřejmě o voltmetrech střídavé napětí! Pokud tedy měříte síťové napětí voltmetrem, Ujistěte se, že je v režimu měření střídavého napětí.

Udělám výhradu, že existují také „špičkové voltmetry“, které ukazují hodnoty amplitudového napětí, ale v praxi se při měření napětí napájecí sítě v každodenním životě obvykle nepoužívají.

Pojďme zjistit, proč existují takové potíže. Proč prostě nezměřit amplitudu? Proč přišli s nějakou „efektivní hodnotou“ napětí?

Všechno je to o spotřebě energie. Nepsal jsem jen o ní. Jde o to efektivní (efektivní) hodnota střídavého napětí je rovna hodnotě takového stejnosměrného napětí, které za dobu rovnající se jedné periodě tohoto střídavého napětí vykoná stejnou práci jako příslušné střídavé napětí..

Nebo jednoduše řečeno, žárovka bude svítit stejně jasně, ať ji zapojíme do sítě s konstantním napětím 220V nebo do obvodu střídavého proudu s efektivní hodnotou napětí 220V.

Pro ty, kteří jsou již obeznámeni s integrály nebo ještě nezapomněli na matematiku, uvedu obecný vzorec pro výpočet efektivního napětí libovolného tvaru:

Z tohoto vzorce je také zřejmé, proč se efektivní (efektivní) hodnota střídavého napětí také nazývá „rms“.

Všimněte si, že radikální výraz je stejný „výkon zprůměrovaný za období“, stačí tento výraz vydělit odporem zátěže R.

Ve vztahu k sinusovému tvaru napětí se hrozný integrál po jednoduchých transformacích změní v jednoduchý vzorec:

kde Ud – efektivní nebo efektivní hodnota napětí (stejná, jakou obvykle ukazuje voltmetr), a Um — hodnota amplitudy.

Dobrá věc na efektivním napětí je, že pro aktivní zátěž se výpočet průměrného výkonu zcela shoduje s výpočtem stejnosměrného výkonu:

To není překvapivé, pokud si připomeneme definici hodnoty efektivního napětí, která byla uvedena výše.

A nakonec spočítejme, jaká je amplituda napětí v zásuvce “na 220V„:

V nejhorším případě, pokud máte síť 240V a dokonce i s tolerancí +10%, bude amplituda tolik!

Pokud tedy chcete, aby vaše zařízení napájená ze sítě fungovala stabilně a nevyhořela, vybírejte prvky, které vydrží špičková napětí min. 400V. Samozřejmě mluvíme o prvcích, které jsou přímo napájeny síťovým napětím.

Podotýkám, že pro nesinusový průběh je efektivní hodnota napětí vypočtena pomocí různých vzorců. Zájemci si mohou integrály vzít sami nebo se obrátit na referenční knihy. Zajímá nás napájecí síť a vždy by tam měla být sinusoida.

Fáze, fáze, fáze.

Kromě obvyklé jednofázové sítě osvětlení ~220V Každý slyšel o třífázové síti ~380V. Co je to? 380V? A tohle mezifázové efektivní napětí.

Pamatujete si, když jsem řekl, že v jednofázové síti můžete zapomenout na fázi sinusoidy? Takže toto nelze provést v třífázové síti!

Zjednodušeně řečeno, fáze je časový posun jedné sinusoidy vůči druhé. V jednofázové síti jsme mohli vždy vzít jako výchozí bod jakýkoli okamžik v čase – to neovlivnilo výpočty. V třífázové síti je nutné vzít v úvahu, jak daleko je jedna sinusoida od druhé. V třífázových střídavých sítích je každá fáze oddělena od druhé třetinou periody nebo o 120 stupně. Připomínám, že perioda se také měří ve stupních a celková perioda se rovná 360 stupňů

Vezmeme-li osciloskop se třemi paprsky a zaměříme se na tři fáze a jednu nulu, uvidíme následující obrázek.

«Modrá» fáze – začíná od nulové reference. „Červená» fáze – na třetinu období (120 stupně) později. A nakonec“zelená» fáze začíná ve dvou třetinách období (240 stupně) později“modrý“ Všechny fáze jsou vůči sobě absolutně symetrické.

Nezáleží na tom, kterou fázi vzít jako výchozí. Obrázek bude stejný.

Matematicky můžeme zapsat rovnice pro všechny tři fáze:

«Modrá» fáze:

«Červená» fáze:

«Zelená» fáze:

Pokud změříte napětí mezi některou z fází a nulou v třífázové síti, dostanete obvyklé 220V (nebo 230V nebo 240V – podle vašeho štěstí, viz GOST).

A pokud změříme napětí mezi dvěma fázemi, dostaneme 380V (nebo 400V nebo 415V – na to nezapomeňte).

To znamená, že třífázová síť má mnoho tváří. Lze jej použít jako tři jednofázové sítě s napětím 220V nebo jako jedna třífázová síť s napětím 380V.

odkud se to vzalo? 380V? A odtud to pochází.

Pokud do vzorce pro výpočet efektivního napětí dosadíme naše údaje o libovolných dvou fázích, dostaneme:

Udf – aktuální rozhraníto lineární Napětí.

Vzhledem k tomu, že amplituda každé fáze získáme amplitudu pro mezifázové napětí. Obrázek jasně ukazuje, jak se tvoří mezifázové napětí, což je naznačeno F1-F2 dvoufázových napětí F1 и F2. Fázové napětí F1 и F2 měřeno vzhledem k nulovému vodiči. Síťové napětí F1-F2 měřeno mezi dvěma různými fázovými vodiči.

Jak vidíme, efektivní mezifázové napětí je větší než amplituda sinusového napětí jedné fáze.

Amplituda mezifázového napětí je:

V nejhorším případě (síť 240V a mezifázové napětí 415V, a dokonce 10% nahoře) amplituda mezifázového napětí bude:

Počítejte s tím při práci v třífázových sítích a volte prvky určené min 650V, pokud mají pracovat mezi dvěma fázemi!

Doufám, že je nyní jasné, co ukazuje AC voltmetr?

Závěr

Velmi stručně, téměř letmo jsme se tedy seznámili s tím, jaká napětí fungují v domácích střídavých sítích. Pojďme si stručně shrnout vše výše uvedené.

• Fázové napětí je napětí mezi fází a nulovým vodičem.
• Síťové nebo sdružené napětí je napětí mezi dvěma různými fázovými vodiči stejné třífázové sítě.
• V ruských střídavých sítích existují tři, i když podobné, ale odlišné standardy (fázové/lineární): 220V/380V, 230V/400V a 240V/415V AC s frekvencí 50Hz.
• Střídavý voltmetr obvykle ukazuje herectví (aka střední kvadrátto efektivní) napětí, které je několikanásobně menší než špičkové (amplitudové) napětí v síti.
• V nejhorším případě je špičkové fázové napětí přibližně 373 V a špičkové síťové napětí je 645 V. To je třeba vzít v úvahu při navrhování elektronických obvodů.

Návrhy a přání, překlepy a jen názory můžete posílat do komentářů nebo e-mailem: [email protected].

• elektronika pro začátečníky
• sítě pro nejmenší
• vývoj elektroniky

• Výroba a vývoj elektroniky
• Vývoj pro internet věcí
• Elektronika pro začátečníky
• Energie a baterie