4.5. Электромагнитные измерительные механизмы и приборы

В электромагнитных измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по которой протекает измеряемый ток, и ферромагнитного сердечника, эксцентрически закрепленного на оси подвижной части. Ферромагнитный сердечник изготавливается из материалов с большой величиной магнитной проницаемости и малой величиной коэрцитивной силы (электротехническая сталь, пермаллой).

Среди конструкций измерительных механизмов в настоящее время наибольшее применение получили конструкции с плоской катушкой, с круглой катушкой и с замкнутым магнитопроводом. В первой конструкции хорошо используется внутренний объем прибора, во второй – проще технология изготовления и шкала прибора получается более равномерной, чем в первом случае. В третьем варианте при той же величине протекающего по катушке тока наличие магнитопровода увеличивает магнитный поток, а значит и вращающий момент, что обеспечивает рост чувствительности, уменьшение погрешности вследствие влияния внешних полей, а также дает возможность менять характер шкалы, изменяя положение одного полюсного наконечника относительно другого.

Противодействующий момент создается, как правило, механическим путем с помощью пружины. Успокоение обеспечивается либо воздушными успокоителями (первые две конструкции), либо магнитоиндукционным путем (в случае конструкции с магнитопроводом). Условное обозначение электромагнитных приборов представлено в табл. 4.1. По существующей классификации в названии типа прибора им присвоена буква Э (например, Э309).

При протекании по катушке тока i сердечник намагничивается и втягивается в зазор катушки, при этом электромагнитная энергия катушки будет равна

W_эм = ,

где L – собственная индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника. Мгновенный вращающий момент в соответствии с выражением (4.2) составит

M_{вр t} = = = . (4.6)

При протекающем по катушке постоянном токе I вращающий момент

M_вр = . (4.7)

Если ток синусоидальный (i = I_m sin ωt), то мгновенное значение вращающего момента

M_{вр t} = = . (4.8)

Как видно из выражения (4.8), мгновенный вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. При этом на частотах свыше 10 Гц подвижная часть измерительного механизма в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения тока. Вследствие этого, угол поворота подвижной части будет определяться средним за период T значением вращающего момента

M_вр = dt = = , (4.9)

где I - действующее значение измеряемого синусоидального тока.

Если по катушке протекает периодический ток с периодом T несинусоидальной формы, который аналитически может быть представлен в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим составляющим

i = I₀ + sin (kωt + ψ_k) ,

где I₀ – постоянная составляющая, k – номер гармоники, I_mk – амплитуда k-ой гармоники, ω = , ψ_k – начальная фаза k-ой гармоники, то согласно (4.9) получим для среднего значения вращающего момента следующее выражение:

M_вр = dt = =

= = . (4.10)

Здесь I₀, I₁, I₂, … – постоянная и действующие значения гармонических составляющих тока, I – действующее значение переменного несинусоидального тока. Поскольку противодействующий момент создается упругим элементом, то в соответствии с (4.3) и (4.7) угол поворота подвижной части (для всех трех рассмотренных видов тока)

α = . (4.11)

Из выражения (4.11) следует, что:

• зависимость угла поворота подвижной части от тока не линейна;

• поворот подвижной части одинаков как при постоянном токе, так и при переменном, имеющем действующее значение, равное значению постоянного тока;

• показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого тока.

Линейную зависимость угла поворота α от тока получают для значительной части рабочего диапазона показаний, изготавливая сердечник специальной формы, при которой является требуемой функцией α.

Область применения. Основная область применения электромагнитных измерительных механизмов – это измерение токов (амперметры) и напряжений (вольтметры) промышленной частоты.

В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в цепь измеряемого тока. Щитовые амперметры выпускают с одним диапазоном измерений, переносные, как правило, имеют несколько поддиапазонов. Переход от одного поддиапазона к другому осуществляется путем переключения секций обмотки катушки, включая их последовательно или параллельно. При измерении больших переменных токов используют измерительные трансформаторы тока.

Промышленность выпускает переносные амперметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 5 мА до 10 А на частоты до 1500 Гц; щитовые амперметры классов точности 1,0; 1,5; 2,5 на токи до 300 А со встроенными трансформаторами тока и до 15 кА с наружными трансформаторами тока.

Электромагнитный вольтметр состоит из электромагнитного измерительного механизма и включенного последовательно с ним добавочного резистора, предназначенного для обеспечения необходимого диапазона измерений. Изменение верхних пределов измерений осуществляется подключением различных добавочных резисторов, а при измерении больших переменных напряжений – с помощью измерительных трансформаторов напряжения.

Угол поворота подвижной части электромагнитного вольтметра

α = , (4.12)

где Z – полное сопротивление цепи вольтметра (катушки и добавочного резистора).

Промышленностью выпускаются переносные вольтметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 1,5 до 600 В на частоты 45 – 100 Гц и классов точности 1,0 и 2,5 на частоты до 10 кГц; щитовые вольтметры классов точности 1,0; 1,5 и 2,5 с верхними пределами измерений от 0,5 до 600 В непосредственного включения и до 450 кВ с трансформаторами напряжения на частоты от 45 до 1000 Гц.

Эксплуатационные свойства. Основными достоинствами электромагнитных приборов следует считать возможность работы как в цепях постоянного, так и переменного тока; независимость показаний от формы кривой измеряемой величины; простота конструкции и как следствие высокая надежность и низкая стоимость; способность выдерживать большие перегрузки по току, что объясняется отсутствием токоподводов к подвижной части.

К их недостаткам относят малую точность и низкую чувствительность; шкала электромагнитных приборов обычно равномерна в пределах 25 – 100%; большое собственное потребление мощности от объекта измерения приводит к тому, что шунты для расширения пределов измерения по току не применяются; узкий диапазон рабочих частот (индуктивное сопротивление катушки с ростом частоты увеличивается, что уменьшает чувствительность измерительного механизма и угол отклонения подвижной части).

На работу электромагнитных измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля (поскольку собственное магнитное поле слабое). Для устранения подобного влияния применяют магнитное экранирование (измерительный механизм помещают внутрь замкнутой оболочки из ферромагнитного материала, чаще всего – из пермаллоя), иногда используют астатическую конструкцию приборов, на которую внешние (особенно равномерные) поля действуют значительно слабее, чем на обычные механизмы. Кроме того, при измерении применяют метод взятия двух отсчетов: первый отсчет при нормальном положении прибора, а второй – при развернутом на 180⁰ в горизонтальной плоскости с последующим вычислением среднего значения.

При использовании электромагнитных приборов в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника, проявляющаяся в неодинаковости показаний при увеличении и уменьшении измеряемой величины (тока или напряжения).

Кроме того, в электромагнитных приборах возникают погрешности при изменении температуры окружающей среды и частоты протекающего тока. В амперметрах температурная погрешность связана с изменением упругости пружинок, создающих противодействующий момент, что особенно сказывается в приборах классов точности 0,2; 0,1. В вольтметрах температурная погрешность обусловлена изменением полного сопротивления цепи вольтметра. Частотная погрешность амперметров возникает вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях измерительного механизма, в которые проникает магнитный поток катушки. У электромагнитных вольтметров частотная погрешность выше, чем у амперметров, что объясняется зависимостями от частоты сопротивлений катушки и добавочного резистора.

Электромагнитные логометры применялись до недавнего времени в частотомерах, однако сильная зависимость показаний от частоты не позволяла изготовлять их с классом точности выше 1,5, поэтому в настоящее время они практически вытеснены гораздо более точными цифровыми частотомерами.