Приборы электродинамической системы

Принцип действия. Перемещение подвижной части прибора происходит в результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек (рамок), по которым протекает электрический ток (рис. 10). При этом подвижная катушка стремится изменить свое положение таким образом, чтобы направления магнитных полей совпали.

Рис. 10

Возникающий вращающий момент пропорционален силе F взаимодействия магнитных полей:

М_вр = k₁F. (12)

В свою очередь сила взаимодействия зависит от значения токов подвижной I_п и неподвижной I_н катушек и постоянной величины k₂, зависящей от конструкции прибора:

F=k₂I_пI_н.

Отсюда: М_вр = k₁k₂ I_пI_н = k₃I_пI_н.

Равновесие подвижной части прибора наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов:

М_вр = М_пр, т. е. k₃I_пI_н = D .

При изменении полярности тока изменяются направления токов в обеих катушках, а направление вращающего момента не изменяется, что позволяет применять эти приборы для измерений в цепях переменного и постоянного токов. При этом угол поворота подвижной катушки: =k₃I_пI_н/D или

=k₄I_пI_н. (13)

При измерениях переменного тока угол поворота подвижной катушки: =k₄I_пI_нcos , (14)

где – угол сдвига фаз токов.

Устройство. Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной катушек (рис. 10). Неподвижная катушка разделена на две части, расположенные на некотором расстоянии друг от друга для создания равномерного магнитного поля. На оси прибора жестко закреплены подвижная катушка, указательная стрелка с балансными грузиками, магнитоиндукционный или воздушный успокоитель и концы двух противодействующих токопроводящих пружин. Противоположные концы пружин соединены с неподвижной катушкой. Одна из пружин соединена с рычажком корректора для установки стрелки на нуль. В большинстве приборов этой системы применяют воздушные успокоители, реже – магнитоиндукционные (в приборах, защищенных от внешних магнитных полей экраном).

В зависимости от рода измеряемой величины катушки приборов электродинамической системы имеют свои особенности. У амперметров неподвижную катушку наматывают медным проводом диаметром 1–1,5 мм (несколько десятков витков), а подвижную тонким алюминиевым проводом диаметром десятые доли миллиметра (до 250 витков). У вольтметров неподвижная катушка разделена на две части, каждая содержит по 1700 витков изолированного медного провода диаметром 0,2–0,27 мм. Подвижная катушка состоит из 200 витков алюминиевого изолированного провода такого же диаметра. У ваттметров неподвижная катушка такая же, как у амперметров, а подвижная – как у вольтметров.

При измерении тока (рис. 11, а) ток в неподвижной катушке I_н равен части измеряемого тока I или:

I_н = k_нI. (15)

Ток подвижной катушки: I_п = k_пI.

Угол поворота: =k₄I_пI_н.= k₄k_пIk_нI;

= k_АI², (16)

где k_А – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции измерительного механизма амперметра.

Шкала прибора квадратична, начальные 20 % шкалы считают нерабочими. Катушки амперметра соединяют, как правило, параллельно, а при измерении малых токов до 500 мА – последовательно. При измерениях в обоих случаях прибор включают в цепь последовательно.

а) б) в)

Рис. 11

Катушки вольтметра (рис. 11, б) соединяют последовательно друг с другом и с добавочным сопротивлением R_д, а включают в цепь измерения параллельно, т. е. I_п = I_н = I.

Подвижная и неподвижная катушки обладают собственным сопротивлением r_п и r_н соответственно.

Угол поворота подвижной части прибора:

=k₄I_пI_н.= k₄I²= k_{4 ;}

= k_vU², (17)

где k_v – постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных данных вольтметра.

Шкала прибора квадратична.

Катушки ваттметра соединяют по схеме, приведенной на рис. 11, в. Добавочное сопротивление R_д, как и у вольтметра, включают последовательно с подвижной катушкой. Значение этого сопротивления во много раз больше значения сопротивления r_п. Это обеспечивает приблизительное совпадение фаз тока и напряжения подвижной катушки. Ток в неподвижной катушке I_н равен току в нагрузке I, а ток в подвижной катушке.

.

Угол поворота подвижной части:

=k₄I_пI_н.= k₄I ;

= k_WIU, (18)

где k_w – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ваттметра.

Шкала прибора линейна.

Для цепей переменного тока: = k_WIUcos .

Достоинства и недостатки. Приборы имеют высокую точность, пригодны для измерений разных физических величин в цепях переменного и постоянного токов. К недостаткам приборов относят чувствительность к перегрузкам, высокую стоимость и чувствительность к воздействию внешних магнитных полей, что требует экранирования приборов или применения более сложных астатических механизмов.

Область применения. Приборы используют в основном как переносные лабораторные; в качестве образцовых (класса точности 0,1; 0,2 и 0,5) при поверке и градуировке технических средств измерений в лабораториях КИП и узлах связи.