15.3. Магнітоелектричні вимірювальні прилади.
Робота магнітоелектричних вимірювальних механізмів заснована на принципі взаємодії котушки із струмом і магнітного потоку постійного магніту. Один з взаємодіючих елементів рухомий - котушка (рамка) із струмом або постійний магніт. Найбільш поширені вимірювальні механізми з рухомою рамкою.
По конструкції магнітної системи розрізняють механізми із зовнішнім (рис. 15.5) і внутрішньорамковим магнітом. Перший складається із зовнішнього магніту 1 з магнітотвердого матеріалу, магнітопроводу 3 і циліндрового осердя 6 з магнітом’якого матеріалу. В повітряному зазорі між полюсними наконечниками магніту і рухомим циліндровим осердям створюється практично рівномірне радіальне магнітне поле. В повітряному зазорі поміщається рамка 5 з тонкого ізольованого мідного дроту, намотаного на легкий паперовий або алюмінієвий каркас прямокутної форми. До рамки з двох сторін приклеюють алюмінієві букси, в яких закріплюють напівосі або розтяжки. Рамка може повертатися разом з віссю і стрілкою 2 навкруги циліндрового сердечника.
Струм I, що вимірюється, пропускають в обмотку рамки через дві спіральні пружини 7, які створюють також протидіючий момент. Для урівноваження рухомої частини служать противаги грузики 4. Алюмінієва стрілка і шкала утворюють відліковий пристрій.
Рис. 15.5. Магнітоелектричний вимірювальний механізм.
При протіканні по обмотці рамки постійного струму I на активні сторони обмотки рамки діє пара сил, що створює обертаючий момент:
,
(15.8)
де е - енергія магнітного поля системи, що складається з постійного магніту і рамки із струмом I; - потік постійного магніту, зчеплений з обмоткою рамки, по якій протікає струм; В - магнітна індукція в повітряному зазорі; l - активна довжина рамки, а - ширина рамки; - число витків обмотки рамки.
Твір а на l дорівнює активний площі S рамки. Відповідно
,
(15.9)
де 0 – потокозчеплення обмотки рамки при повороті її на кут = 1 рад.
Обертаючий момент вимірювального механізму з радіальним рівномірним магнітним полем в повітряному зазорі не залежить від кута відхилення рухомої частини. Під дією M рухома частина повертається навкруги осі, тим самим, закручуючи спіральні пружини. При цьому створюється протидіючий момент
M = W , (15.10)
де W - питомий протидіючий момент.
При відхиленні рамки на деякий кут обертаючий і протидіючий моменти зрівняються по значенню, подальше відхилення рамки припиниться. З умови рівності моментів виходить, що M = M або 0 I = W, звідки кут відхилення рухомої частини механізму
,
(15.11)
де SI - чутливість вимірювального механізму по струму.
З (15.11) витікає, що відхилення рухомої частини вимірювального механізму лінійно зростає із збільшенням струму I, тобто шкала рівномірна.
Підвищення чутливості вимірювального механізму може бути досягнуто за рахунок збільшення індукції B в зазорі, числа витків рамки або зменшення питомого протидіючого моменту W пружин. Збільшення індукції В за рахунок застосування нових спеціальних сплавів (альніко, альні, магніко і ін.) при виготовленні постійних магнітів, що забезпечують індукцію в зазорі 0,2—0,3 Т, практично доцільно.
При зміні напряму струму I змінюється напрям відхилення рухомої частини вимірювального механізму; при включенні останнього в ланцюг змінного струму через інерційність його рухомої частини середнє значення обертаючого моменту за період буде рівне нулю.
В магнітоелектричних вимірювальних механізмах заспокоєння рухомої частини індукційне і електромагнітне. При відхиленні рухомої частини в полі постійного магніту в алюмінієвому каркасі рамки, а також у витках обмотки рамки, замкнутої на деякий зовнішній опір, індукуються струми, що створюють спільно з полем постійного магніту гальмівний момент, який швидко заспокоює рухому частину приладу.
До переваг магнітоелектричних вимірювальних механізмів відносять: високу чутливість ВМ, який володіє сильним власним магнітним полем, тому навіть при малих струмах створюється достатній обертаючий момент; велику точність (через високу стабільність елементів ВМ, незначного впливу зовнішніх магнітних полів); незначний вплив на режим вимірювання власного споживання, оскільки потужність споживання ВМ мала; добре заспокоєння; рівномірність шкали.
До недоліків вимірювальних механізмів відносять: складність виготовлення, погану перевантажувальну здатність, обумовлену легким перегрівом пружин і зміною їх властивостей; температурні впливи на точність вимірювання.
Магнітоелектричні вимірювальні механізми використовують:
в багатомежевих, широкодіапазонних магнітоелектричних амперметрах, вольтметрах для безпосередніх вимірювань в ланцюгах постійного струму;
в гальванометрах - високочутливих вимірювальних приладах з неградуйованою шкалою для безпосередніх вимірювань малих електричних струмів10-5 – 10-12 А, напруг менше 10-4 В, зарядів, для виявлення струму або напруги в різноманітних мостових і компенсаційних ланцюгах;
в світлоструменевих осцилографах (у вібраторах) при спостереженні і записі миттєвих значень струму, напруги, потужності, частота яких може бути від одиниць герц до 10-15 кГц, а також різних неелектричних величин, перетворених в електричні;
в аналогових омметрах, електронних вольтметрах, термоелектричних амперметрах, вольтметрах, електронних частотомірах, фазометрах;
в комбінованих аналогових вольтметрах, в яких магнітоелектричні вимірювальні механізми спільно з випрямними перетворювачами використовуються при вимірюваннях змінного струму, напруги;
в логометрах (двохрамкових механізмах), що використовуються в омметрах, частотомірах і т.д.