17) Магнитоэлектрические приборы

Принцип работы магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает электрический ток. Конструкция измерительного прибора показана на рис. 2.5.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка (рамка), намотанная тонким изолированным медным проводом на алюминиевом каркасе. Рамка имеет возможность вращаться, для чего она снабжена полуосями. Спиральные пружинки предназначены для создания противодействующего момента, одновременно они используются для подачи тока в рамку.

Р ис. 2.5. Устройство прибора магнитоэлектрической системы: 1 – постоянный магнит; 2 – полюсные наконечники; 3 – неподвижный сердечник; 4 – рамка; 5 – полуоси; 6 – спиральные пружинки; 7 – стрелка; 8 – балансировочные грузики

В результате взаимодействия тока, протекающего через катушку, с магнитным полем на катушку действует вращающий момент М_В = ВпsI,

где В – индукция магнитного поля; п – число витков катушки; s – площадь катушки; I – величина тока.

Кроме вращающего момента на подвижную систему прибора действует противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами. М_пр = W,

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от упругости пружины;  – угол поворота рамки.

Подвижная система прибора поворачивается до тех пор, пока не будет выполнено условие М_В = М_пр. при этом угол отклонения стрелки определяется выражением. Из полученного выражения следует, что угол отклонения стрелки пропорционален току, т.е. шкала прибора равномерна. Направление отклонения стрелки зависит от полярности, т.е. прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь, по которой протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение стрелки будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов. В цепи с током синусоидальной формы вследствие инерционности подвижной системы показания будут равны нулю при частоте переменного тока выше 10 Гц. При частотах ниже 10 Гц стрелка будет совершать колебательные движения относительно нулевого положения. Достоинства магнитоэлектрических приборов:

– равномерная шкала; – высокая чувствительность (до 310^–11 А); – высокая точность (до класса 0,05); – малое потребление мощности от измеряемой цепи (10^–5-10^–6 Вт); – защищенность от влияния внешних электрических и магнитных полей. Недостатки магнитоэлектрических приборов: – сравнительная сложность конструкции; – недопустимость даже кратковременных перегрузок (теряют упругость, деформируются и перегорают токопроводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный – и для измерений в цепях переменного тока. А мперметры. Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы изготавливают на токи от микроампер до нескольких десятков миллиампер. Для измерения больших токов применяются шунты. Шунт представляет собой резистор с малым сопротивлением, включаемый параллельно измерительному прибору (рис. 2.6).

С опротивление шунта R_ш должно быть меньше сопротивления рамки прибора R_р и подбирается так, чтобы при измерении основная часть измеряемого тока проходила через шунт, а ток, протекающий через рамку прибора, не превышал тока полного отклонения. Сопротивление шунта R_ш определяется из условия.

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления п = I / I_и, то его сопротивление R_ш = R_и/(п – 1). Обычно R_ш = 10^–2 … 10^–4 Ом. шунты обычно изготавливают из манганина, обладающего малым температурным коэффициентом сопротивления.

В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты помещают в корпус прибора, а для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты.

Магнитоэлектрические вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм с включенным последовательно добавочным резистором можно использовать как вольтметр для измерения напряжения (рис. 2.7).

В измерительной цепи вольтметра измеряемое напряжение преобразуется в ток, необходимый для отклонения подвижной части измерительного механизма. Если ток полного отклонения равен I, то величина сопротивления R_д может быть найдена из выражений:

; ;

где п = U / U_в – коэффициент расширения предела измерения вольтметра.

Добавочные резисторы изготавливают из манганинового провода. Они могут быть внутренними (до 600 В) и наружными (до 1500 В). Гальванометры. Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используют в качестве нуль-индикато-ров, фиксирующих отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится в середине шкалы.

Так как чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому гальванометры не градуируются в единицах измеряемой величины и им не присваиваются классы точности. Гальванометры, предназначенные для измерения количества электричества импульса тока и отличающиеся увеличенным моментом инерции, называются баллистическими.