Sistemas de instrumentos
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Sistemas de instrumentos de medición : clasificación de instrumentos de medición eléctricos (acción electromecánica) según el principio físico del mecanismo de medición , es decir, según el método de convertir una cantidad eléctrica en un desplazamiento mecánico de una parte móvil.
Principios generales de funcionamiento
Todos los instrumentos de medición electromecánicos están equipados con una escala graduada fija, la lectura del valor medido generalmente se realiza de acuerdo con la posición de la flecha móvil índice (a veces, según la posición del punto de luz: el haz de luz es desviado por un espejo giratorio), la posición de la flecha en la escala está determinada por la igualdad del par y el momento de resistencia. Por lo general, el par resistente es creado por un resorte helicoidal plano o un resorte de torsión (estiramiento) que trabaja en torsión. En los sistemas radiométricos y de inducción, el momento de resistencia se crea de otras formas. Los dispositivos de tipo vibración no tienen puntero móvil y su principio de indicación se basa en el fenómeno de resonancia mecánica (ver sistema de vibración). Como regla general, las variedades de sistemas de instrumentos difieren en la forma en que crean el par y las características de diseño.
Variedades de sistemas de instrumentación
- Magnetoeléctrico con un marco móvil : se crea un par entre un imán permanente fijoy un marco giratorio móvil con un devanado enrollado, a través del cual fluye la corriente durante la medición. El par del marco en un dispositivo de este tipo se describe mediante la ley de Ampère : la interacción del campo magnético de la corriente en el devanado del marco con el campo magnético de un imán permanente. La escala del dispositivo magnetoeléctrico es uniforme. Un análogo de dicho sistema es un motor de CC convencional con excitación de imanes permanentes.
- Magnetoeléctrico con un imán móvil : se crea un par entre un devanado portador de corriente fijo y un imán permanente móvil. Este sistema es análogo al sistema magnetoeléctrico de marco móvil, pero tiene una clase de precisión más baja de 4.0 e inferior, es menos común y se usa principalmente para instrumentos de señalización de vehículos debido a su resistencia a las influencias mecánicas externas: vibraciones y golpes. Un análogo de este sistema es un motor de CC invertido con excitación de imanes permanentes.
Nota: De acuerdo con su principio de funcionamiento, los dispositivos magnetoeléctricos miden el valor promedio de la corriente, y la dirección de la desviación de la flecha depende de la dirección promedio de la corriente en el bucle, por lo tanto, solo se pueden usar para medir corrientes con una constante componente y requieren el respeto de la polaridad de la conexión
[2] . Los dispositivos magnetoeléctricos no son adecuados para la medición directa de corriente alterna, ya que cuando se aplica una corriente alterna a dicho instrumento, la aguja vibrará cerca de cero con la frecuencia de la corriente alterna.
El principio de funcionamiento de los dispositivos de este tipo es la interacción de la corriente y un cuerpo ferromagnético. Una característica de tales dispositivos es la dependencia cuadrática del par de la corriente en el devanado, y tales sistemas se pueden usar para medir corrientes tanto continuas como alternas. Un análogo de tal sistema es un
motor a reacción que opera de acuerdo con
la ley de conservación del momento .
Las ventajas de los dispositivos del sistema electromagnético incluyen el bajo costo y la resistencia a las sobrecargas, lo que llevó a su uso generalizado en las instalaciones eléctricas industriales. Las desventajas de estos dispositivos son la baja precisión y la escala desigual. Aunque los instrumentos electromagnéticos son adecuados para medir la corriente continua, rara vez se usan, ya que la corriente continua se puede medir con mayor precisión utilizando instrumentos del sistema magnetoeléctrico.
- Electrodinámica : el par se crea entre dos devanados que transportan corriente: móvil y estacionario. El par es proporcional al producto de las corrientes en los devanados. La fuerza electrodinámica se basa en la interacción de los campos magnéticos de los devanados (ley de Ampère). No hay análogos de tal sistema en los motores, debido a los bajos pares.
- El sistema ferrodinámico es similar al sistema electrodinámico, pero para aumentar el par, el diseño prevé un núcleo hecho de un material ferromagnético. Un análogo de dicho sistema es un motor de CC de diseño normal.
Los sistemas electrodinámicos y ferrodinámicos se utilizan en
voltímetros y
amperímetros , pero con mayor frecuencia en
vatímetros y
varímetros .
- Inducción : el par se crea mediante un campo magnético giratorio o en funcionamiento de devanados estacionarios (para crear un campo en funcionamiento, las corrientes en los devanados deben cambiar de fase) y las corrientes de Foucault inducidas en un disco no ferromagnético giratorio (generalmente de aluminio). En el sistema de inducción, el valor medido puede ser la velocidad de rotación del disco y el número total de sus revoluciones, que es calculado y visualizado por un contador mecánico. El momento de amortiguamiento de frenado en este caso es creado por la interacción del campo magnético del imán permanente y el campo magnético de las corrientes inducidas en el disco. A veces, el sistema de inducción se indica con una flecha; en este caso, el par de frenado se crea mediante un resorte. El par en un sistema de inducción es igual al producto de los flujos magnéticos en los núcleos de los devanados y también depende del ángulo de cambio entre sus fases de sus corrientes. Un análogo de este sistema es un motor asíncrono con un rotor de jaula de ardilla. El sistema de medida inductivo se utiliza en contadores de energía eléctrica y en algunos tipos de relés (por ejemplo, en el relé de corriente RT-80 ).
- El par electrostático se crea entre los electrodos móviles y estacionarios debido a la interacción de las cargas eléctricas . El momento de rotación surge de acuerdo con la ley de Coulomb .
- Ratiométrico : el sistema difiere de los anteriores en el principio de crear un par de frenado: aquí el par de frenado se crea utilizando un devanado especial. El sistema radiométrico se subdivide de acuerdo con el principio de generación de par: cociente magnetoeléctrico, cociente electromagnético, cociente electrodinámico, cociente ferrodinámico. Una característica de los cocientes es la posición indefinida de la flecha en la escala hasta que se conecta el dispositivo, ya que el sistema móvil no tiene resortes.
- Vibrante - un sistema que utiliza el fenómeno de la resonancia electromecánica . En el dispositivo se instalan placas elásticas ("lenguas") de varias longitudes con diferentes frecuencias de resonancia mecánica de un material ferromagnético, excitadas por el campo magnético de un devanado. Cuando se aplica corriente alterna al devanado, las lengüetas oscilan con diferentes amplitudes. La amplitud de oscilación de la lengüeta con la frecuencia de resonancia natural más cercana a la frecuencia de la corriente de excitación es máxima, esto indica la frecuencia aproximada de la corriente en el devanado. Este principio de medición se utilizó en contadores de frecuencia de potencia . Actualmente, los dispositivos del sistema de vibración no están disponibles.
- Térmico : una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor provoca su calentamiento y alargamiento causado por la expansión térmica del material, que es registrado por el mecanismo de medición. Debido a la inercia térmica del elemento calentado, se promedian los rápidos cambios de corriente. Ejemplos de uso: instrumentos automotrices diseñados para medir el nivel de combustible en el tanque de combustible , la temperatura del refrigerante en un motor de combustión interna , manómetros automotrices , que muestran la presión del aceite del motor en el sistema de lubricación del motor .
Elementos adicionales
Como elementos adicionales de los dispositivos, los amortiguadores de vibraciones del sistema móvil del principio de funcionamiento hidráulico, neumático y electromagnético se utilizan para calmar rápidamente el puntero en una posición estable con respecto a la escala.
Elementos adicionales son el apantallamiento del dispositivo con una pantalla ferromagnética y el uso de dispositivos estáticos en el diseño.
Dado que los instrumentos electromagnéticos crean un pequeño campo interno durante la medición, los campos magnéticos externos pueden afectar en gran medida sus lecturas. Para ello se utilizan los llamados dispositivos astáticos con dos devanados fijos y dos núcleos conectados de forma que se suman sus momentos mecánicos. El campo magnético externo debilita el campo de un devanado y fortalece el campo del otro devanado y el par total permanece casi constante.
Un elemento adicional también son los convertidores termoeléctricos, por ejemplo, los termopares : con la ayuda de ellos, no se mide el valor de la corriente que fluye a través del conductor, sino su equivalente térmico. Conectando un dispositivo magnetoeléctrico a dicho convertidor, puede medir corrientes alternas de una frecuencia suficientemente alta con alta precisión (sin dicho convertidor, las lecturas de un dispositivo magnetoeléctrico serán cero). Los convertidores termoeléctricos también se pueden usar para el aislamiento galvánico de la parte de medición del dispositivo del circuito en el que se mide la corriente.
Para medir corrientes alternas con la ayuda de dispositivos magnetoeléctricos, también se utilizan circuitos rectificadores (los llamados "sistemas detectores"), que se utilizan principalmente en multímetros de puntero y pinzas amperimétricas . En este caso, el dispositivo mostrará el valor exacto del valor efectivo solo con una forma sinusoidal de la señal medida, si la escala del dispositivo está calibrada en valores efectivos, con una forma de señal no sinusoidal, se producirán errores significativos en las lecturas del dispositivo.
El uso de dispositivos en el diseño del dispositivo para astatismo, conversión termoeléctrica, rectificadores y amplificadores generalmente se indica mediante símbolos especiales impresos en la escala del dispositivo, que complementan el símbolo principal del tipo de sistema del dispositivo de medición.
Véase también
Notas
- ↑ GOST 23217-78 Instrumentos de medida eléctricos analógicos con lectura directa. Símbolos aplicados. . Consultado el 1 de septiembre de 2020. Archivado desde el original el 25 de octubre de 2020. (indefinido)
- ↑ Existen diseños de dispositivos magnetoeléctricos con un cero en el medio, en los que la flecha puede desviarse tanto hacia la derecha como hacia la izquierda, dependiendo de la dirección promedio de la corriente. Se utilizan, por ejemplo, para controlar la corriente de carga y descarga de la batería .
Literatura
- Ivanov I. I., Ravdonik V. S. Ingeniería eléctrica: Proc. subsidio para no electrotécnicos. especialista. universidades - M. : "Escuela Superior", 1984. - 376 p.