2.2 Приборы электромагнитной системы

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками (рис. 1.8).

При протекании тока в катушке 1 создаётся магнитное поле, которое взаимодействует с подвижным сердечником 2, вытягивая или поворачивая его. При этом возникает вращающий момент М, зависящий от изменения индуктивности катушки L при повороте сердечника на угол α

М = ½ I² dL/dα

где I – действующее значение тока в катушке.

Спиральная пружина создаёт противодействующий момент М_пр

М_пр = αΩ

где Ω –удельный противодействующий момент.

Моменты направлены встречно друг другу и вращающий момент равен противодействующему М = М_пр, т.е.

½ I² dL/dα = αΩ

Следовательно, угол поворота сердечника равен

α = (I ²/2Ω)∙ dL/dα

Отсчётное устройство преобразует угол поворота сердечника в показания шкалы.

Из выражения угла поворота сердечника видно, что угол отклонения указателя пропорционален квадрату тока, следовательно шкала неравномерна. Однако это зависит от выбора конструкции подвижной части и формы сердечника. Можно практически выровнять шкалу, начиная с 20% делений.

Конструкции.

Приборы выполняются с плоской, круглой катушкой и замкнутым магнитопроводом (рис. 2.5).

Плоская катушка наматывается на каркас и внутри неё имеется щель для сердечника. Сердечник выполнен в виде эксцентрика, закреплённого на оси. Ось имеет горизонтальное расположение с установкой на керны. ИМ имеет две спиральных противодействующих пружины.

Круглая катушка имеет внутри достаточно большое пространство, в котором установлен сегментный полюсный наконечник (неподвижный сердечник), намагничивающийся полем катушки. На оси установлен сегментный подвижный сердечник, который взаимодействует с неподвижным сердечником, отталкиваясь от него и поворачивая указатель.

Рис. 2.5 Электромагнитный измерительный механизм с плоской катушкой (а), с замкнутым магнитопроводом (б) и с круглой катушкой (в): 1 – катушка; 2 – сердечник; 3 – магнитопровод; 4 и 5 – полюсные наконечники; 6 – магнитный успокоитель

ИМ с замкнутым магнитопроводом имеет магнитопровод 3, к которому крепятся полюсные наконечники 4 и 5 с раздвоенной конструкцией, что позволяет двигаться внутри них подвижному сердечнику. Вся система выполняется из магнитомягкого материала. Сердечник выполнен из немагнитного материала.

Прибор является инерционным, поэтому требует успокоителя. Успокоители выполняются воздушными и магнитными.

При работе механизма на переменном токе в окружающих металлических частях и сердечнике возникают вихревые токи, размагничивающие сердечник. Поэтому показания на переменном токе несколько меньше, чем на постоянном.

Достоинства приборов электромагнитной системы:

1. проще по конструкции и дешевле приборов других систем;

2. способны выдерживать большие перегрузки;

3. пригодны для работы на постоянном и переменном токе (универсальны).

Недостатки:

1. неравномерность шкалы;

2. влияние внешних магнитных полей на механизмы без магнитопровода;

3. невысокий класс точности;

4. узкий частотный диапазон измеряемых сигналов (сотни Гц – единицы кГц);

5. большое собственное потребление мощности.

Применение в качестве амперметров, вольтметров, фазометров, частотомеров, многопредельных и комбинированных приборов, логометров.

Точность измерений от 0,5 до 2,5.

Электромагнитный амперметр

Прибор при включении не должен создавать существенных погрешностей измерения за счёт искажения измеряемых параметров, т.е. должен иметь минимальное собственное сопротивление. Поэтому катушка наматывается медным проводом относительно большого сечения. Число витков при этом небольшое. Это сочетание можно проследить из выражения сопротивления

R = ρl/S

Выпускаются амперметры на токи до 200 А при прямом включении. При токах выше 200 А имеется сильное влияние нагрева шины и катушки. Шунты для этих приборов не применяются. Расширение пределов измерения выполняют с помощью трансформаторов тока.

Амперметры выпускают однопредельными и реже многопредельными. Кроме погрешности измерительного механизма в приборах имеются дополнительные погрешности: температурная, частотная и погрешность от гистерезиса.

Схема ИМ амперметра показана на рис. 2.6, а.

Электромагнитный вольтметр

При выполнении измерений вольтметром электромагнитной системы прибор не должен искажать значения измеряемых напряжений. Поэтому его собственное сопротивление должно быть максимально большим. Это достигается увеличенным числом витков катушки при относительно малом сечении проволоки.

Вольтметры этой системы весьма чувствительны к температуре, поэтому последовательно с ИМ включается добавочное сопротивление – безреактивный резистор из манганина – для компенсации температурной погрешности. Особенно хорошая компенсация у приборов на напряжение выше 100 В.

Расширение пределов измерения вольтметров электромагнитной системы на малых значениях измеряемого напряжения выполняется добавочными сопротивлениями (б, рис.2.6) и для всех случаев расширения пределов измерения применяются трансформаторы напряжения (в, рис. 2.6).

В ольтметры выпускаются классов точности от 1,0 до 2,5 на напряжения от 0,5 до 600 В для непосредственного включения и до 450 В с наружными трансформаторами напряжения на фиксированные частоты от 50 до 1000 Гц.

Рис. 2.6 Схемы ИМ амперметров (а) и вольтметров (б, в) электромагнитной системы