CC BY
5
УДК 621.785
Подпругин А.И. студент 4 курса инженерного факультета БелГАУ имени В.Я. Горина Россия, г. Белгород Кожевин С.А.
студент 4 курса инженерного факультета БелГАУ имени В.Я. Горина Россия, г. Белгород
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Аннотация: в данной статье проводится сравнительная характеристика преобразователей с плоской и круглой катушкой. Проведя анализ, были сделаны выводы о свойствах, достоинствах и недостатках электромагнитных преобразователей.
Ключевые слова: преобразователь, плоская катушка, круглая катушка.
Podprugin A.I. student 4 year Engineering BelGAUnames V.Ya. Gorina Russia, Belgorod Kozhevin S.A. student 4 year Engineering BelGAU names V.Ya. Gorina Russia, Belgorod
COMPARATIVE ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC MEASURING
INSTRUMENTS
Abstract: This article provides a comparative description of flat and round coil transducers. Having conducted the analysis, conclusions were drawn about the properties, advantages and disadvantages of electromagnetic transducers.
Keywords: transducer, flat coil, round coil.
Отличительной особенностью электромагнитных приборов, обусловливающей их широкое применение для измерений в цепях переменного и постоянного токов в качестве щитовых амперметров и вольтметров, являются их высокие эксплуатационные качества: простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность, устойчивость к
электрическим перегрузкам, широкии диапазон измеряемых величин. Основным недостатком этих приборов является невысокая точность.
Все электромагнитные приборы в зависимости от конструктивного исполнения и характера движения их подвижной части могут быть разделены на резонансные и нерезонансные. Каждая из этих групп приборов в свою очередь делится на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные (в поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки используются постоянные магниты). Основу данных приборов составляют электромагнитные измерительные механизмы, отличающиеся как по конструктивному исполнению, так и по своим свойствам и параметрам.
Принцип действия всех электромагнитных преобразователей основан на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего в катушке, с ферромагнитным сердечником.
Все конструктивные разновидности электромагнитных ИП можно свести к двум основным типам (рисунок 1-2).
Рисунок 1 - Преобразователь с плоской катушкой
Рисунок 2 - Преобразователи с круглой катушкой
Преобразователи с плоской катушкой состоят из катушки 2, в магнитном поле которой находится ферромагнитный сердечник 1 в форме усеченного диска или язычка, эксцентрически закрепленный на оси подвижной части. При протекании по катушке тока ферромагнитный сердечник втягивается в магнитный зазор катушки, поворачивая при этом ось 3 с закрепленным на ней успокоителем 4 и стрелку 5 в сторону увеличения показаний. Регулировка угла отклонения подвижной части осуществляется с помощью магнитного шунта 6. Преобразователи с плоской катушкой менее технологичны в изготовлении, чем механизмы с круглой катушкой, однако они обладают повышенной чувствительностью, меньшими габаритами и массой.
Преобразователи с круглой катушкой (рисунок 5,б) состоят из катушки 1, подвижного 2 и неподвижного 3 ферромагнитных сердечников, форма которых определяется необходимостью получения требуемого характера шкалы преобразователя. При протекании по катушке тока подвижный и неподвижный сердечники намагничиваются одноименно.
Подвижный сердечник отталкивается от неподвижного, поворачиваясь вместе с осью 4 и закрепленной на ней стрелкой 6. Причем сила отталкивания оказывается прямо пропорциональной значению тока, протекающего по катушке. Противодействующий момент создается с помощью спиральной пружины 5. Успокоение подвижной части осуществляется воздушным (крыльчатым) успокоителем, состоящим из закрытой камеры 7 и легкого алюминиевого крыла 8, жестко связанного с осью 4 подвижной части. Достоинством таких преобразователей является их простота, высокая технологичность изготовления и возможность получения требуемого характера шкалы (за счет выбора формы сердечников. Конструктивно сердечники могут быть цилиндрическими, призматическими или иметь другую форму). Чувствительность таких преобразователей оказывается ниже, чем у преобразователей с плоской катушкой.
Исходные данные для выполнения расчетной части курсовой работы:
1. Однофазный мостовой выпрямитель (схема).
2. Номинальное напряжение сети Ш = 220В.
3. Максимальное напряжение сети U1max = 230В.
4. Минимальное напряжение сети Ulmin= 210В.
5. Частота тока сети &= 50Гц.
6. Коэффициент пульсации Ел1 =U0m1/U0 = 0,1
Номинальные выпрямленные напряжение и0 и ток нагрузки 10 выпрямителя выбираются из исходных данных, определённых преподавателем.
В нашем случае и0 = 15В, 10 = 1 А.
Данному заданию соответствует схема выпрямителя (схема 1). Тогда по подразделу 2.1 найдем следующие параметры:
атах=( Шшах- И1)/ И1 = (230-220)/220 = 0,045 атт=(Ш-и1тт)/и1= (220-210)/220 = 0,045 Ян= и0/10 = 15/1 = 15Ом Р0 = и010 = 15*1 =15 Вт
Определяем сопротивление трансформатора гтр, прямое сопротивление вентиля гпр и по их значениям находим сопротивление фазы выпрямителя гф (табл. 1). Принимаем: В = 1,1 Т, | = 2А/мм2. Тогда в соответствии с таблицей 1 для схемы получим:
гтр = (2 - 2,35)(Щ / 10&Б)(&Б] / 1,би010)1/4 гтр = (2 - 2,35)(15*2 / 1*50 *1,1) (50* 1,1*2 / 1,6*15*1)1/4= 1,26Ом Для определения сопротивления вентиля в прямом направлении гпр необходимо ориентировочно выбрать тип вентиля определить прямое падение напряжения №р.
Вентиль выбирается по расчетному среднему выпрямленному току !в.п.ср и амплитуде обратного напряжения Цобр.тах. Он должен быть выбран так, чтобы его максимально допустимое обратное напряжение было
больше, чем имеющее место в выпрямителе. Ток 1в.п.ср должен быть
меньше максимально допустимого среднего тока вентиля, указанного в справочнике.
В соответствии с таблицей: ¡в.п.ср= ГО/2 = 1/2 = 0,5А.
Uo6p.max= 1,5Ш (1 + amax) = 1,5*15(1+0,045) = 23,5В Из приложения таблица П2 (с запасом) выбираем диод КД208А (Uo6p.max = 100 В, 1в.п.сртах= 1,5 А, f max= 1кГц, ипр.ср= 1 В)
Выбрав тип вентиля, находим значение Цпри определяем сопротивление вентиля гпр= ипр ср / 1в.п.ср. = 1/0,5 = 2 Ом
Выпрямитель работает на Г-образный фильтр, тогда в сопротивление фазы гфнеобходимо включить сопротивление фильтра Rф, принимаемое равным (0,1—0,25) Rн.
Rф= 0,2 Rн= 0,2*15 = 3 Ом. Тогда получим:
гф = гтр + 2гпр= 1,26+2*2 = 5.26 Ом.
Определяем основной расчетный параметрА: длясхемы:
A=I0яrф/2Ш = 1*3,14*5.26/2*15 = 0,55
ОпределивА, из графиков на рис. 13 определяем параметрыВ, D, F. В = 1,3; D = 1,9; F = 4,8.
Рисунок 1 - График для определения параметров B, D, F.
В соответствии с формулами определяем Ш, 12, 11, Ртр, иобр, 1в.п.ср, 1в, 1в.тах:
U2 = ВU0 = 1,3*15 = 19.5В
Л = 0^ГО = 0,7*1,9*1 = 1,33А
И = 0,7DГО w2/ w1 = 0,7*1.9*1*0,088 = 0,12А
w2/ w1 = U2/ U1 = 19.5/220 = 0,051
Ртр= 0,7ВDР0 = 0,7 *1.3*1,9*15 = 25.93Вт
Uобр.max= 1,41 ВU0 (1 + amax) = 1,41*1.3*15(1+0,045) = 28.7 <100 В !в.п.ср= 0,5ГО = 0,5* 1 = 0,5А Iв= 0да0 = 0,5*1,9*1 = 0,95А
Iв.max= 0^10 = 0,5*4.8*1 = 0,24А<1,5 А
£01 = 2 &= 2х50 = 100Гц < 1кГц.
Расчеты показали, что параметры выбранного диода (вентиля) подходят для расчетных значений выпрямителя.
Из графиков определяем параметр Н. Для схемы Н определяем по кривой.
ПосколькуА= 0,55 принимаем граничное значение Н = 750, Кп1 принимаем 0,13.
Рисунок 2 - График для определения параметра Н
По заданным коэффициенту пульсации Кп1 и Н определяем емкость конденсатора С0 (в мкФ) для схемы:
С0 = Н/( гфКп1) = 750/(5.260,13) = 1096 мкФ Расчетные параметры трансформатора: и1 = 220 В и2 = 19.5 В
11 = 0,12 А
12 = 1.33 А Ртр= 25.93 Вт
Расчет фильтра проведем для схемы Г-образной схемы. В соответствии с методикой Г-образного фильтра ЯС для &=50 Гц можно сделать на основании формулы:
RфRнС1/( Rф+ Ян)= 3200 q/m,
где RфиRн, Ом; С1, мкФ. Сопротивление резистора Rфопределяется с учетом КПД. Обычно КПД = 0,6 - 0,8.
При КПД = 0,8 Rф= 0,25 Ян. 0,2515 = 3.75 Ом
RфRнС1/( Яф+ Ян)= 3 153.46/(3+15) = 8.65
Рисунок 3 - схема Г-образного фильтра
Емкость конденсатора С1= 16I0q/(U0m), где Ю — ток нагрузки, мА.
Для расчета емкости конденсатора необходимо определить основной параметр сглаживающих фильтров— коэффициент сглаживания ^ определяемый как отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе, т. е. на нагрузке q = Кп.вх./ Кп.вых.
В нашем случае Кп.вх= Кп1 = 0,13. Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, т. е. для ослабления пульсации полагаем Кп.вых. = 0,02. Значение коэффициента m для мостовой схемы
m = 2.
Тогда:
q = Кп.вх./ Кп.вых. = 0,13/0,02 = 6,5 С1= 16Щ/(Шт) = 1616,5/(152) = 3.46 мкФ
Из проведенного анализа можно сделать некоторые выводы о свойствах, достоинствах и недостатках электромагнитных преобразователей:
- электромагнитные преобразователи могут применяться для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов, так как направление отклонения подвижной части не зависит от направления тока в обмотке;
- точность электромагнитных преобразователей сравнительно невысокая вследствие влияния потерь в температуре окружающей среды и частоты измеряемых электрических величин;
- чувствительность электромагнитных преобразователей за исключением преобразователей с замкнутым магнитопроводом невысока, следовательно, собственное потребление мощности от источников преобразуемых сигналов у них довольно значительное;
- функция преобразования электромагнитных преобразователей по своему характеру является квадратичной, однако соответствующим выбором формы и местом расположения сердечника;
- электромагнитные преобразователи наиболее просты по своей конструкции, имеют низкую стоимость и надежны в работе;
- электромагнитные преобразователи способны выдерживать длительные электрические перегрузки, так как токоподводящими
элементами у них являются медные проводники соответствующего сечения, а не упругие элементы;
- диапазон рабочих частот для электромагнитных преобразователей ограничен сверху частотами порядка нескольких десятков килогерц из-за возникновения большой частотной погрешности на высоких частотах вследствие влияния вихревых токов в сердечнике и других металлических деталей преобразователя.
Электромагнитные приборы находят широкое применение в практике электрических измерений главным образом в виде различных щитовых и лабораторных амперметров и вольтметров переменного тока. Кроме того, на базе логометрических преобразователей создаются фазометры, частотомеры и фарадометры.
Использованные источники:
1. Ерохин, М.Н. Детали машин и основы конструирования: учебное пособие для вузов / М.Н. Ерохин, и др. - М: КолосС, 2008. - 462 с.
2. Любин, В.Н. Детали машин и основы конструирования. Курсовое проектирование: учебное пособие для вузов / В.Н. Любин. - Белгород: Изд-во БелГСХА, 2010. - 236 с.
