2. Основні види вимірювальних механізмів

Магнітоелектричні ВМ. Існують два основні різновиди магнітоелектричних вимірювальних механізмів: з рухомою котушкою (рамкою) і нерухомим магнітом (зовнішнім або внутрішнім) та з рухомим магнітом і нерухомою котушкою.

Будову магнітоелектричного механізму з

Рис. 2.5. Магнітоелектричний ВМ з внутрішньорамковим магнітом

Рис. 2.6. Магнітоелектричний ВМ з внутрішньорамковим магнітом

рухомою рамкою зображено на рис.2.5. В таких механізмах рамка 6 повертається у вузькому проміжку, утвореному магнітопроводом 2 з полюсними наконечниками 8 та осердям 4, виготовленими з магнітом'якого феромагнітного матеріалу. Магнітний потік постійного магніту 1, замикаючись через полюсні наконечники та осердя, проходить у робочому проміжку в радіальному напрямку і утворює там рівномірно-радіальне поле.

Струм до рухомої рамки підводять з допомогою двох спіральних пружин (у механізмах на розтяжках і підвісові – з допомогою розтяжок або підвісу і так званого безмоментного струмопідводу – тонкої пружини з практично незначним протидіючим моментом).

Обертаючий момент М_о утворюється в таких механізмах внаслідок взаємодії струму і в обмотці рухомої рамки з полем постійного магніту:

, (2.18)

де В – індукція в зазорі;

S – площа рамки;

w – кількість витків обмотки рамки.

Заспокоєння коливань рухомої частини утворюється головним чином за рахунок вихрових струмів, що виникають у короткозамк-нутому контурі алюмінієвого каркасу рамки при його переміщенні в магнітному полі. Це – каркасне магнітоіндукційне заспокоєння. Заспо-коєння може здійснюватися і за рахунок струмів, що виникають в обмотці рамки від наведеної там при переміщенні рамки електрору-шійної сили. Це – обмоткове магнітоіндукційне заспокоєння, яке використовують в механізмах високої чутливості (гальванометрах). Рамки в таких механізмах виготовляють безкаркасними. Різновидом вимірювального механізму з рухомою рамкою є механізм з внутрішньорамковим магнітом (рис.2.6). Магнітна система такого механізму складається з постійного магніту 1, полюсних накладок 2 і ярма 3.

Застосовують також магнітоелектричні вимірювальні механізми з рухомим магнітом. При проходженні через нерухомі котушки ефект-ричного струму рухомий магніт такого механізму намагається зайняти положення, при якому вісь його намагнічування співпадала б з напрямком магнітного поля котушок, внаслідок чого і виникає обертаючий момент. Недоліком механізмів з рухомим магнітом є порівняно слабке власне магнітне поле, низька точність. Механізми з рухомим магнітом мають простішу конструкцію, менші розміри і більш стійкі до перевантаження порівняно з механізмами із рухомою рамкою.

Електромагнітні ВМ. Існує декілька різновидів електромагнітних ВМ. Електромагнітний механізм з плоскою котушкою подано на рис. 2.7, а. При про-ходженні електричного струму через обмотку 1 всередині котушки утворюється магнітне поле. Під дією цього поля феромагнітне осердя 2, що ексцентрично закріплене на осі, втягува­тиметься всередину котушки.

На рис. 2.7,б, зображено електромагнітний вимірю-вальний механізм з круглою котушкою, який складається з нерухомої круглої котушки 1, всередині якої знаходяться нерухоме 2 (закріплене на котушці) та рухоме 3 (закріплене на осі) осердя. Якщо в обмотці котушки проходить струм, то обидва осердя намагнічуються однойменно і відштовхуються одне від одного, утворюючи обертаючий момент.

Широко застосовуються електромагнітні ВМ з магнітопроводом (рис. 2.7,в). У таких механізмах магнітний потік, що утворюється нерухомою котушкою 1 при проходженні по ній струму, замикається головним чином через магнітопровід. Останній складається із неру-хомого осердя 2 та полюсних наконечників 3 і 5, між якими знаходиться рухомий елемент 4. Необхідне значення обертаючого моменту в таких механізмах можна дістати при значно меншому споживанні енергії.

Рис. 2.7. Різновиди електромагнітних ВМ

Обертаючий момент такого механізму:

. (2.19)

B електромагнітних ВМ з плоскою й круглою котушками застосовують повітряні заспокоювачі, а в механізмах з магнітопроводом – крапельно-рідинні.

Електродинамічні та феродинамічні ВМ. Будова електроди-намічного ВМ зображена на рис. 2.8. Механізм має нерухому котушку 1, виконану у вигляді двох секцій, між якими проходить наскрізна вісь із закріпленою на ній рухомою котушкою 2. Якщо через котушки проходять струми відповідно і₁ та і₂ то:

де L₁, L₂ – індуктивності нерухомої та рухомої котушок; М₁₂ – взаємна індуктивність між ними.

Рис. 2.8. Електродинамічний ВМ

, (2.20)

Індуктивності L₁ і L₂ не залежать від кута повороту рухомої частини, тому обертаючий момент:

. (2.21)

Залежність від кута повороту визначається формою, розмірами та взаємним розміщенням рухомої і нерухомої котушок. Бажаної форми шкали електро-динамічного ВМ досягають зміною характеру цієї залежності. Феродинамічні ВМ (рис. 2.9) за принципом дії становлять одну групу з електродинамічними, але відрізняються від них конструктивно.

Рис. 2.9. Феродинамічний ВМ

Нерухомі котушки 1, розміщені на магнітопроводі 2, виго-товленому із листового магнітом’якого матеріалу. Безкаркасна рухома рамка 3, розміщена у вузькому робочому проміжку, утвореному магнітопроводом і осердям 4.

Наявність магнітопроводу призводить до значного збільшення обертаючого моменту і зменшення впливу зовнішніх магнітних полів.

Електростатичні ВМ. В електростатичних вимірювальних механізмах для переміщення рухомої частини використовується енергія електростатичного поля рухомих і нерухомих електродів, що перебувають під напругою U та утворюють конденсатор ємністю С, значення якої змінюється при переміщенні рухомої частини.

Залежно від способу зміни ємності розрізняють два основні типи електростатичних вимірювальних механізмів: механізми із змінною активною площею електродів і механізми із змінною відстанню між електродами. У механізмах першого типу (рис. 2.10) нерухомі електроди 2 виготовляють у вигляді однієї або кількох камер, всередині яких розміщуються рухомі електроди 1. Якщо між рухомими та нерухомими електродами існує різниця потенціалів, то на рухому частину діє обертаючий момент:

, (2.22)

тобто відхилення рухомої частини електростатичного вимірювального механізму пропорційне квадрату прикладеної напруги.

На рис.2.11, зображено електростатичний ВМ із змінною відстанню між електродами. Між двома нерухомими 1 і 3 знаходиться рухомий електрод 2, підвішений на тонких бронзових стрічках. Напруга підводиться до нерухомих електродів, а рухомий електрод з'єднується електрично з одним із них. При такій схемі з'єднань однойменно заряджені електроди будуть відштовхуватись, а різнойменно – притягуватись. Обертаючий момент пропорційний квадрату прикладеної напруги та зміні ємності між електродами. Протидіючий момент утворюється за рахунок сили тяжіння рухомого електрода і пружності підвісів.

Рис. 2.10. Електростатичний ВМ зі змінною активною площею електродів

Рис. 2.11. Електростатичний ВМ із змінною відстанню між електродами

Вимірювальні механізми із змінною відстанню між електродами використовують лише в кіловольтметрах, а механізми із змінною активною площею, як більш чутливі, також і у вольтметрах.

Індукційні ВМ. Індукційними називаються вимірювальні механізми, переміщення рухомої частини яких здійснюється внаслідок взаємодії змінних магнітних потоків зі струмами, що наведеними в активному елементі рухомої частини. Найпоширеніші індукційні механізми з рухомим диском. Такий механізм має два незалежні магнітопроводи (рис.2.12), магнітні потоки яких перетинають диск і наводять у ньому вихрові струми.

Рис. 2.12. Індуктивний ВМ

Миттєве значення обертаючого моменту, що утворюється в індукційному механізмі внаслідок взаємодії потоку і вихрового струму ,має вигляд:

, (2.23)

де k₁ – коефіцієнт пропорційності.

Середнє значення цього моменту за період:

(2.24)

На основі виразу та спрощеної векторної діаграми, побудованої в припущенні, що опір диска чисто активний момент потоку Ф₁(Ф₂) і струму І₂(І₁):

(2.25)

(2.26)

Протилежність знаків для моментів М₁ та M₂ зумовлена тим, що один контур втягується, а другий виштовхується з магнітного поля. Напрямки дії обох моментів збігаються і результуючий обертаючий момент дорівнює їх сумі.

Враховуючи, що струми, наведені в активному елементі рухомої частини, відповідно дорівнюють I₁=C₁Ф₁; І₂=С₂Ф₂ (С₁ і С₂ – коефіцієнти пропорційності), результуючий обертовий момент можна подати у вигляді:

(2.27)

Застосовують індукційні ВМ головним чином як інтегруючі. В інтегруючих ВМ протидіючий момент відсутній, і при обертанні рухомої частини на неї діє лише гальмівний момент М_г. Останній утворюється внаслідок взаємодії потоку Ф_м постійного магніту із струмом І_м, що наводиться в диску при його обертанні:

(2.28)

Нехтуючи тертям, можна вважати, що рівномірна швидкість обертання диска наступить з рівновагою обертаючого та гальмівного моментів, тобто:

(2.29)

звідки протягом часу t₂=t₁:

(2.30)

а число обертів диска:

. (2.31)

Інтегруючі індуктивні ВМ застосовують в лічильниках електрич­ної енергії.