7. Электромеханические приборы: магнитоэлектрический, электромагнитной, электростатической, электродинамической систем (принцип действия, уравнения шкалы, преимущества и недостатки).

В приборах магнитоэлектрической системы используется взаимодействие поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На (рис.5.2) показана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Уравнение преобразования можно получить, если подставить в фор­мулу (5.1) выражение для вращающего момента М_вр, действующего на подвижную часть магнитоэлектрического механизма

α = (BwS/W)I = S_I ∙ I, (5.2)

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре; w – число витков рамки; S – ее площадь; I – ток, протекающий по рамке.

Коэффициент пропорциональности S_I = BwS/W называется чувствительностью магнитоэлектрического механизма к току.

Из группы аналоговых приборов магнитоэлектрические приборы от­носятся к числу наиболее чувствительных и точных. Изменения темпера­туры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменного тока в постоянный.

Электростатические приборы

Принцип действия электростатических приборов основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой на оси, может переме­щаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными непо­движными пластинами . Входные зажимы, к которым подводится измеряемое напряжение, соединены с подвижной и непо­движными пластинами. Под действием электростатических сил подвиж­ная пластина втягивается в пространство между неподвижными пла­стинами.

Уравнение преобразования электростатического прибора для постоянного тока

α = (1/2W)(dС/dα)U², (5.9)

где С - емкость между пластинами, зависящая от их взаимного распо­ложения; U- измеряемое напряжение. Из (5.9) следует, что показание прибора не зависит от полярности приложенного напряжения.

В случае переменного тока уравнение остается прежним, но только переменная U является действующим значением переменного напряжения.

Достоинства: ши­рокий частотный диапазон, малое потребление энергии, независи­мость показаний от внешних магнитных полей.

Недостатки: низкая чувствительность и невысокую точность.

Электродинамические приборы

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым про­текает ток (рис.5.6).

Рисунок 5.6 – Электродинамический измерительный прибор

Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться подвижная катушка 2. Поворот осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2. Уравнение преобразования прибора для постоянных токов имеет вид

α = (1/W)(dM/dα)I₁I₂, (5.4)

где М – взаимная индуктивность катушки; I₁I₂ – токи в катушках.

Если по катушкам протекают переменные токи, то это выражение примет вид

α = (1/W)(dM/dα)I₁I₂cos(φ₁ – φ₂). (5.5)

Из этого уравнения следует, что перемещения подвижной части механизма при работе на пе­ременном токе зависят как от токов в его катушках, так и от разно­сти фаз между этими токами. Это дает возможность использовать при­боры электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и в качестве ваттметров.

В амперметрах катушки соединены последовательно (рис.5.7.а) или параллельно (рис.5.7.б). Последовательное соединение используется в приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). При больших токах (до 10 А) катушки вклю­чаются параллельно.

Рисунок 4.7 – Схема соединений катушек амперметра

В последовательной схеме амперметра I₁ = I₂ = I, φ₁ – φ₂ = 0, поэто­му уравнение преобразования (4.5) сводится к виду

α = (1/W)(dM/dα)I², (4.6)

т.е. при условии dМ/dα = const угол поворота стрелки α квадратично за­висит от тока, протекающего в катушках.

В этом случае шкала неравномерна. Поэтому расположение и форму катушек выбирают так, чтобы производная dM/dα зависела от угла между подвижной и неподвиж­ной катушками.

В параллельной схеме I₁ = kI; I₂ = kI, а разность фаз также устанав­ливается равной нулю подбором индуктивностей в цепях катушек.

Вольтметры выполняются по схеме (рис.5.8). Катушки включаются последовательно, ток через них ограничивается добавочным резистором R_доб.

Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

α = (1/W)(dM/dα)(U²/R²), (5.7)

где R - общее сопротивление цепи прибора.

Как и в случае амперметров, изменением dM/dα добиваются почти равномерного характера рабочего участка электродинамических вольт­метров.

Рисунок 5.8 – Схема включения катушек вольтметра

Обычно электродинамические вольтметры выполняются многопредельными при помощи нескольких добавочных рези­сторов.

Схема соединения катушек ваттметра и его включения в цепь для измерения мощности, потребляемой на­грузкой Z_н , приведена на (рис.5.9).

Рисунок 5.9 – Схема включения ваттметра

Ток I₁ в неподвижной катушке равен току нагрузки, а ток I₂ в подвижной катушке пропорционален приложенному напряжению:

I₂ = U/(R_доб + r),

где R_доб - сопротив­ление добавочного резистора; r — сопротивление подвижной катушки.

С учетом этого и (5.5) уравнение шкалы для ваттметра

α = (1/W(R_доб + r))(dM/dα)Р (5.8)

где Р - активная мощность нагрузки.

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за темпе­ратурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повыше­нии частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности.

Электромагнитный изме­рительный механизм представлен на (рис.5.10), где 1 - катушка; 2 - сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 - спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4 - воздушный успокоитель.

Рисунок 5.10 – Конструкция электромагнитного прибора

Под действием магнитного поля сер­дечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма по­ворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

Уравнение преобразования прибора имеет вид

α = (1/2W)(dL/dα)I², (5.10)

где L - индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.

Из (5.10) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не за­висит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы оди­наково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Достоинства: низкая стоимость, надежность, пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока.

Недостатки: большое потребление энергии, малая точность и чувствительность, сильное влияние внешних маг­нитных полей.

Заключение: у большинства электромеханических приборов входное сопротивле­ние невелико (килоомы), поэтому они пригодны для измерения напря­жения только в низкоомных цепях. В цепях с высокоомными нагрузками (мегаомы) эти приборы (за исключением электростатических) исполь­зовать нельзя, так как при их включении шунтируется нагрузка и тем самым изменяется электрический режим цепи. Кроме того, малый диапазон частот, большие входные емкости и индуктивности, зависимость входного со­противления от частоты.