Instrumentos de eletrodinômetro – Amperímetro, voltímetro e wattímetro

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o eletrodinômetro é um instrumento do tipo transferência. Um instrumento do tipo transferência é aquele que pode ser calibrado com uma fonte de corrente contínua e depois usado sem modificação para medir a corrente alternada. Isso requer que os instrumentos do tipo de transferência tenham o mesma precisão para DC e AC.

Esses instrumentos também são chamados Instrumentos eletrodinâmicos ou dinamômetros.

Um instrumento eletrodinâmico é um instrumento de bobina móvel no qual o campo operacional é produzido, não por um ímã permanente, mas por outra bobina fixa. Este instrumento pode ser usado como um amperímetro ou voltímetro, mas geralmente é usado como um wattímetro.

O instrumento eletrodinâmico ou do tipo dinamômetro é um instrumento de bobina móvel, mas o campo magnético, no qual a bobina se move, é fornecido por duas bobinas fixas, e não por ímãs permanentes (por exemplo: instrumentos PMMC).

O diagrama esquemático do instrumento eletrodinâmico e um medidor prático são mostrados.

Eletrodinômetro ou instrumento eletrodinâmico

Consiste em duas bobinas fixas, que são simetricamente situadas. Teria torque em uma direção durante a metade do ciclo e um efeito igual na direção oposta durante a outra metade do ciclo.

Se, no entanto, invertermos a direção do fluxo sempre que a corrente através da bobina móvel reverter, um torque unidirecional será produzido para a metade positiva e a metade negativa do ciclo. Em instrumentos eletrodinâmicos, o campo pode ser invertido simultaneamente com a corrente na bobina móvel se a bobina fixa estiver conectada em série à bobina móvel.

1. Torque de controle

O torque de controle é fornecido por duas molas de controle. Essas molas agem como condutores da bobina móvel.

2. Amortecimento

O amortecimento por atrito ao ar é empregado para esses instrumentos e é fornecido por um par de palhetas de alumínio, presas ao eixo na parte inferior. Essas pás movem-se em uma câmara em forma de setor.

Princípio de funcionamento de instrumentos de eletrodinômetro

Podemos ter uma idéia do princípio de funcionamento do instrumento eletrodinômetro, utilizando um instrumento de bobina móvel com ímã permanente e considerando como ele se comportaria na corrente alternada.

Teria torque em uma direção durante a metade do ciclo e um efeito igual na direção oposta durante a outra metade do ciclo.

Se a frequência fosse muito baixa, o ponteiro oscilaria para frente e para trás em torno do ponto zero. No entanto, para um medidor comum, a inércia é tão grande que, nas frequências de potência, o ponteiro não vai muito longe em nenhuma direção, mas simplesmente permanece (vibra levemente) em torno de zero.

Se, no entanto, invertermos a direção do fluxo do campo sempre que a corrente através da bobina móvel reverter, o torque será produzido na mesma direção para as duas metades do ciclo.

O campo pode ser feito para reverter simultaneamente com a corrente na bobina móvel se a bobina de campo estiver conectada em série com a bobina móvel.

Por que os instrumentos PMMC não podem ser usados ​​para medições CA?

Agora vamos discutir por que os instrumentos PMMC não podem ser usados ​​para medições CA.

O instrumento PMMC não pode ser usado em correntes ou tensões CA. Se a alimentação CA for fornecida a esses instrumentos, um torque alternado será desenvolvido. Devido ao momento de inércia do sistema móvel, o ponteiro não seguirá o torque alternado que muda rapidamente e não exibirá nenhuma leitura.

Para que o instrumento possa ler quantidades CA, o campo magnético no espaço de ar deve mudar junto com a mudança na corrente. Este princípio é usado no instrumento do tipo eletrodinômetro.

Em vez de um ímã permanente, o instrumento do tipo eletrodinômetro usa a corrente sob medição para produzir o fluxo de campo necessário.

Construção de instrumentos eletrodinometros

Nesta seção, você mostrará como são feitas as seguintes partes de um instrumento de eletrodinômetro.

  1. Bobina fixa
  2. Bobina em movimento
  3. Ao controle
  4. Sistema em movimento
  5. Amortecimento
  6. Blindagem
  7. Cases e escalas

1. Bobinas fixas:

O campo é produzido por uma bobina fixa. Essa bobina é dividida em duas seções para fornecer um campo mais uniforme próximo ao centro e permitir a passagem do eixo do instrumento.

O instrumento, como mostrado na figura, em um miliamperímetro, ou pode se tornar um voltímetro pela adição de resistência em série. As bobinas fixas são enroladas com arame fino para tais aplicações.

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As bobinas de campo (fixas) geralmente são enroladas com um fio pesado que carrega a corrente principal em amperímetros e watt-metros.

O fio é trançado sempre que necessário para reduzir as perdas de corrente de Foucault nos condutores. As bobinas são geralmente envernizadas e cozidas para formar um conjunto sólido.

Estes são então fixados contra os suportes da bobina. Isso torna a construção rígida, para que não ocorram mudanças ou mudanças nas dimensões que possam afetar a calibração. Os suportes de montagem são preferencialmente feitos de cerâmica, pois as peças metálicas enfraqueceriam o campo da bobina fixa devido a correntes de Foucault.

2. Bobina em movimento

Um instrumento de elemento único possui uma bobina móvel. A bobina móvel é enrolada como uma bobina autossustentável ou em uma forma não metálica.

Um formador metálico não pode ser usado, pois as correntes de Foucault seriam induzidas pelo campo alternado. A construção leve mas rígida é usada para a bobina móvel. Note-se que as bobinas fixas e móveis são tubulares.

3. Controle

O torque de controle é fornecido por duas molas de controle. Essas molas agem como condutores da bobina móvel.

4. Sistema em Movimento

A bobina móvel é montada em um eixo de alumínio. O sistema móvel também carrega os ponteiros do tipo contrapesos e treliças. Às vezes, uma suspensão pode ser usada caso seja desejada alta sensibilidade.

5. Amortecimento

O amortecimento de fricção a ar é empregado para esses instrumentos e é fornecido por um par de palhetas de alumínio, presas ao eixo na parte inferior. Essas pás movem-se em câmaras setoriais.

6. Blindagem

O campo produzido pelas bobinas fixas é um pouco mais fraco do que em outros tipos de instrumentos. É quase 0,005 a 0,006 Wb / m2.

Nas medições de corrente contínua, até o campo magnético da Terra pode afetar as leituras. Assim, é necessário proteger um instrumento do tipo eletrodinômetro contra o efeito de campos magnéticos dispersos. Os instrumentos do tipo eletrodinômetro com núcleo de ar são protegidos contra campos magnéticos externos, envolvendo-os em um revestimento de liga de alta permeabilidade.

7. Casos e escalas

Os instrumentos padrão de laboratório geralmente estão contidos em caixas de madeira altamente polidas. Esses casos são construídos de modo a permanecerem dimensionalmente estáveis ​​por longos períodos de tempo.

O vidro é revestido com alguns. material condutor para remover completamente os efeitos eletrostáticos. O gabinete é suportado por parafusos de nivelamento aráveis. Também é fornecido um nível de bolha para garantir o nivelamento adequado.

Equação de torque de instrumentos do tipo eletrodinômetro

Deixei,

Eu1 = valor instantâneo da corrente nas bobinas fixas, (A)
Eu2 = valor instantâneo da corrente nas bobinas móveis, (A)
eu1 = auto-indutância de bobinas fixas, (H)
eu2 = auto-indutância da bobina móvel, (H)
M = indutância mútua entre bobinas fixas e móveis (H)

Ligação de fluxo da bobina 1, ψ1 = L1 Eu1 + Mi2
Ligação de fluxo da bobina 2, ψ2 = L2 Eu2 + Mi1

Energia de entrada elétrica = e1 Eu1 dt + e2 Eu2 dt = i1 1 + i2 2

Como e1 = dψ1/ dt ee1 = 2/ dt

Energia de entrada elétrica = i1 d (L1 Eu1 + Mi2 ) + i2 d (L2 Eu2 + Mi1)

Energia armazenada no campo magnético = ½ i12eu1 + ½ i22eu2 + i1 Eu2M

Mudança na energia armazenada = d (½ i12eu1 + ½ i22eu2 + i1 Eu2M)

Do princípio de conservação de energia,

Energia total de entrada elétrica = variação na energia armazenada + energia mecânica

A energia mecânica pode ser obtida subtraindo as equações acima

Portanto, energia mecânica =½ i12dL1 + ½ i22dL2 + i1 Eu2dM

Agora, as auto-indutâncias eu1 e eu2 são constantes e, portanto, dL1 e dL2 ambos são iguais a zero.

Portanto, energia mecânica = Eu1 Eu2 dM

Suponha TEu é o torque de deflexão instantâneo e é a mudança na deflexão, então,

Energia mecânica = trabalho realizado = TEu

Assim nós temos,

TEu dθ = i1 Eu2dM

TEu = i1 Eu2 (dM / dθ)

1. Operação com DC

Deixe eu1 = corrente nas bobinas fixas, I2 = corrente na bobina móvel

Torque tão desviado Td = I1 Eu2 (dM / dθ)

Isso mostra que o torque de desvio depende em geral do produto da corrente I1 e eu2 e a taxa de variação da indutância mútua.

Esse torque de desvio desvia a bobina móvel para uma posição em que o torque de controle da mola seja igual ao torque de desvio. Suponha que θ seja a deflexão constante final.

Portanto, controlar o torque Tc = kθ onde k = constante da mola (N-m / rad)

Na posição final estável Td = Tc

Eu1 Eu2 (dM / dθ) = kθ

Deflexão, θ = (I1 Eu2/ k) (dM / dθ)

Se as duas bobinas estiverem conectadas em série para medição da corrente, as duas correntes I1 e eu2 são iguais.

Diga eu1 = I2 = I

Assim, a deflexão do ponteiro é θ = (I2/ k) (dM / dθ)

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Para uso em DC, a deflexão é, portanto, proporcional ao quadrado da corrente e, portanto, o escala não uniforme e lotado nas extremidades.

2. Operação com CA

Deixei, Eu1 e eu2 ser os valores instantâneos da corrente transportada pelas bobinas. Portanto, o torque de deflexão instantâneo é:

TEu = i1 Eu2 (dM / dθ)

Se as duas bobinas estiverem conectadas em série para medição de corrente, as duas correntes instantâneas Eu1 e eu2 são iguais.

Dizer, Eu1 = i2 = i

Assim, o torque instantâneo no ponteiro é TEu = i2 (dM / dθ)

Assim, para uso em corrente alternada, o torque instantâneo é proporcional ao quadrado da corrente instantânea. Como a quantidade i2 é sempre positivo, a corrente varia e o torque instantâneo também varia. Mas o sistema móvel devido à sua inércia não pode acompanhar variações tão rápidas no torque instantâneo e responde apenas ao torque médio.

O torque médio de deflexão ao longo de um ciclo completo é dado por:

onde T é o período de um ciclo completo.

Na posição final final Td = TC

Assim, a deflexão do ponteiro é

A deflexão é, portanto, uma função da média do quadrado da corrente.

Se a escala do ponteiro for calibrada em termos da raiz quadrada desse valor, ou seja, raiz quadrada da média do quadrado do valor atual, o valor RMS da quantidade CA pode ser medido diretamente por este instrumento.

3. Corrente Sinusoidal

Se correntes Eu1 e eu2 são sinusoidais e são deslocados por um ângulo de fase j, isto é,

Eu1 = im1 pecado e eu2 = Im1 pecado (peso – j)

O torque médio de desvio


onde eu1 e eu2 são os valores RMS das correntes que fluem através das bobinas.

Em equilíbrio, Td = Tc

Como no caso da medição CA, com corrente sinusoidal também a deflexão é uma função da média do quadrado da corrente.

Se a escala do ponteiro é calibrada em termos da raiz quadrada desse valor, ou seja, raiz quadrada da média do quadrado do valor atual, o valor RMS da quantidade CA pode ser medido diretamente por este instrumento.

Tipos de instrumento eletrodinâmico

Nesta seção, você aprenderá três tipos de instrumentos de eletrodinômetro.

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  1. Amperímetro eletrodinâmico
  2. Voltímetro Eletrodinâmico
  3. Wattímetro eletrodinâmico

1. Amperímetro Eletrodinâmico

Em um amperímetro eletrodinâmico, o bobinas fixas e móveis são conectadas em série como mostrado na figura. UMA shunt está conectado através a bobina móvel para limitar a corrente.

Amperímetro eletrodinômetro

A taxa de reatância-resistência do shunt e da bobina móvel é mantida praticamente a mesma para a independência da leitura do medidor com a frequência de alimentação.

Como as correntes da bobina são as mesmas, o torque de deflexão é proporcional ao valor médio quadrático da corrente. Portanto, a balança é calibrada para ler o valor RMS.

2. Voltímetro Eletrodinâmico

O instrumento eletrodinâmico pode ser usado como um voltímetro conectando uma grande resistência não indutiva (R) do coeficiente de baixa temperatura em série à bobina do instrumento.

Voltímetro para eletrodinômetro

3. Wattímetro Eletrodinâmico

O wattímetro eletrodinâmico consiste em duas bobinas fixas 'a' e 'b' colocadas simétricas entre si e produzindo um campo magnético uniforme. Eles são conectados em série à carga e são chamados de Bobinas de corrente (CC).

Wattímetro eletrodinâmico

As duas bobinas fixas podem ser conectadas em série ou em paralelo para fornecer duas classificações de corrente diferentes. As bobinas de corrente transportam a corrente de carga completa ou uma fração da corrente de carga total. Assim, a corrente nas bobinas de corrente é proporcional à corrente de carga.

Disposição básica de um wattímetro de eletrodinômetro

A bobina móvel 'c', em série com alta resistência não indutiva Rv está conectado através do suprimento. Assim, a corrente que flui na bobina móvel é proporcional e praticamente está em fase com a tensão de alimentação. A bobina móvel também é chamada de bobina de tensão ou bobina de pressão (PC).

A bobina de tensão é transportada eixo articulado que carrega o ponteiro, o ponteiro se moveu sobre uma escala calibrada.

Dois hairsprings são usados ​​para fornecer o torque de controle e para conduzir a corrente para dentro e para fora da bobina móvel. O amortecimento é fornecido por fricção do ar.

O vídeo abaixo explica o funcionamento de um wattímetro de eletrodinômetro.

4. Equação de torque

Vamos derivar a equação de torque de um instrumento eletrodinômetro.

Deixe euf = corrente na bobina fixa
Eum = corrente na bobina móvel
i = corrente de carga
v = tensão de carga
Tdentro = valor instantâneo do torque de desvio
p = potência instantânea

Tdentro α if Eum

Desde a Euf α i e Eum α v

Tdentro α vi α p

Assim, o valor instantâneo do torque de deflexão é proporcional à potência instantânea. Devido à inércia do sistema móvel, o ponteiro lê a potência média.

Nos circuitos dc, a potência é dada pelo produto de tensão e corrente e, portanto, o torque é diretamente proporcional à potência. Assim, o instrumento indica a potência.

Para CA, o instrumento indica a potência média. Isso pode ser provado da seguinte maneira:

Tdentro α vi

Torque médio de desvio × potência média

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Let, v = Vm sin d
I = I m pecado (θ – Ф)

Torque de desvio médio α valor médio de Vm sen d × I m sen (θ – Ф) α VI cos θ

Se Td seja o torque médio, então

Td α VI cos θ α potência verdadeira = kP

onde P é a verdadeira potência ek é a constante.

Para controle de mola Tc = ks θ1

onde Tc é o torque de controle, ks é a constante da mola e θ1 é o ângulo de deflexão do ponteiro.

Para deflexão constante,

Tc = Td

ks θ1 = kP

θ1 = (k / ks) P

θ1 α P

Portanto, no caso de CA também a deflexão é proporcional à potência real no circuito. A escala do wattímetro do eletrodinômetro é, portanto, uniforme.

Vantagens dos instrumentos do tipo eletrodinômetro

As vantagens dos instrumentos do tipo eletrodinômetro são

  1. Eles podem ser usado em ac e dc Medidas.
  2. Estes instrumentos são livre de correntes de Foucault e erros de histerese.
  3. Os instrumentos do tipo eletrodinômetro são muito úteis para medição precisa dos valores RMS de tensões, independentemente das formas de onda.
  4. Devido à precisão do grau de precisão e à mesma calibração para CA e CC medições, esses instrumentos são útil como tipo de transferência e instrumentos de calibração.

Desvantagens dos instrumentos do tipo eletrodinômetro

As vantagens dos instrumentos do tipo eletrodinômetro são

  1. Como o instrumento tem uma resposta quadrática, o escala não é uniforme.
  2. Estes instrumentos têm um pequena relação torque / peso, então o erro de atrito é considerável.
  3. Mais caro do que os instrumentos do tipo bobina móvel com ímã permanente (PMMC) e ferro em movimento (MI).
  4. Adequado triagem dos movimentos contra campos magnéticos dispersos é essencial.
  5. Consumo de energia é comparável Alto por causa de sua construção.

Erros em instrumentos eletrodinometros

Os vários erros nos instrumentos eletrodinometros são,

  1. Relação torque / peso
  2. Erros de frequência
  3. Erros de corrente de Foucault
  4. Erro de campo magnético disperso
  5. Erro de temperatura

1. Relação torque / peso

Para ter um torque de desvio razoável, m.m.f. da bobina móvel deve ser grande o suficiente. portanto mmf = NI portanto, a corrente através da bobina móvel deve ser alta ou o número de voltas deve ser grande.

A corrente não pode ser muito alta porque pode causar cicatrização excessiva das molas. Portanto, um grande número de voltas é a única opção, mas aumenta o peso da bobina.

Isso torna o sistema pesado, reduzindo a relação torque / peso. Isso pode causar erros de atrito na leitura.

2. Erros de frequência

As mudanças na frequência fazem com que as auto-indutâncias da bobina móvel e da bobina fixa sejam alteradas. Isso causa o erro na leitura. O erro de frequência pode ser reduzido com constantes de tempo iguais para os circuitos de bobina fixa e móvel.

3. Erros de corrente de Foucault

Nas partes metálicas do instrumento, as correntes parasitas são produzidas. As correntes de Foucault interagem com a corrente do instrumento, para causar uma alteração no torque de deflexão, para causar o erro.

Portanto, as peças de metal devem ser mantidas o mínimo possível. Além disso, a resistividade das peças metálicas utilizadas deve ser alta, para reduzir as correntes de Foucault.

4. Erro de campo magnético disperso

Semelhante aos instrumentos de ferro em movimento, o campo operacional no instrumento eletrodinômetro é muito fraco.

Portanto, o campo magnético externo pode interagir com o campo operacional para causar uma alteração na deflexão, causando o erro. Para reduzir o efeito do campo magnético perdido, as blindagens devem ser usadas para os instrumentos.

5. Erro de temperatura

Os erros de temperatura são causados ​​devido ao auto-aquecimento da bobina, o que causa uma alteração na resistência da bobina. Assim, resistores de compensação de temperatura podem ser usados ​​no instrumento preciso para eliminar os erros de temperatura.

Gama de instrumentos eletrodinometros

A faixa do amperímetro e voltímetro do eletrodinômetro é apresentada abaixo.

Faixa Amperímetro

  1. Para bobina fixa e bobina móvel em série – 200 mA
  2. Bobina móvel desviada – 30 A

Faixa de voltímetro – até 750 V

Comparação de vários tipos de instrumentos

A comparação dos instrumentos do PMMC, ferro em movimento e eletrodinômetro é resumida na Tabela

Tipo de medidor Ao controle Amortecimento Aptidão Aplicação
PMMC Primavera Corrente de Foucault DC Amplamente utilizado para corrente dc e medições de tensão em baixa e média circuitos de impedância.
Ferro em movimento Mola ou gravidade Fricção do ar DC & AC Usado para uma indicação aproximada de correntes e tensões. Amplamente utilizado para os instrumentos do tipo indicador em painéis
Eletrodinômetro

Tipo

Primavera Fricção do ar DC & AC Usado principalmente como wattímetro. Também usado como amperímetro ou voltímetro. Amplamente utilizado como instrumento de calibração e como instrumento de transferência.

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