Магнитоэлектрические и электромагнитные измерительные механизмы
Магнитоэлектрическая система.
В измерительных механизмах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается взаимодействием измеряемого постоянного тока в катушке механизма с полем постоянного магнита. Существуют два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом, причем первые применяются значительно чаще, чем вторые.
В магнитоэлектрическом механизме с подвижной катушкой, рис. 1, последняя установлена на опорах и может поворачиваться в воздушном зазоре магнитной цепи постоянного магнита 1 (см. механизм магнито-электрической системы ).
Магнитную цепь измерительного механизма образуют магнитопровод 2, полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 4, которые изготовляются из магнитно-мягкого материала.
На подвижную катушку намотана рамка 5, состоящая из нескольких витков w (рис. 12.8). По рамке протекает ток I, пропорциональный измеряемому напряжению.
Угол между направлениями вектора магнитной индукции В в воздушном зазоре и тока I в активной части проводников (длинная сторона рамки) длиной l подвижной катушки равен 90°. Следовательно, на каждый из проводников действует электромагнитная сила
F = В·I·l, а на подвижную часть механизма — вращающий момент
Мвр = 2F·w·d/2 = w·l·B·I·d = w·S·B·I = квр·I, (12.2)
где d — диаметр каркаса катушки с числом витков w и площадью поперечного сечения S = l·d; квр = w·S·d - коэффициент пропорциональности.
Так как противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами, прямо пропорционален углу закручивания α, т. е. Мпр = кпр·α, то угол поворота катушки при равенстве моментов Мвр= Мпр прямо пропорционален измеряемому току:
Мвр= Мпр квр·I = кпр·α
I = кпр·α/квр= Спр·α, где Спр - постоянная прибора ("цена деления").
Постоянный магнит создает сильное магнитное поле в воздушном зазоре магнитной цепи прибора (0,2—0,3 Тл), и даже при малых значениях измеряемых токов можно получить достаточный вращающий момент Мвр. Поэтому магнитоэлектрические приборы весьма чувствительны, внешние магнитные поля мало влияют на их показания, и их собственное потребление энергии относительно мало. В частности, гальванометры в большинстве случаев изготовляются магнитоэлектрической системы. Высокая чувствительность прибора позволяет уменьшить плотность тока в токоведущих частях. Поэтому магнитоэлектрический прибор достаточно вынослив к перегрузкам. Этому способствует также линейная зависимость его вращающего момента от тока, а не квадратичная, характерная для большинства других систем приборов.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Электромагнитные
измерительные приборы работают на
принципе взаимодействия магнитного
поля, создаваемого измеряемым током, с
сердечником из ферромагнитного материала,
помещенным в поле и являющимся подвижной
частью прибора.
По конструкции электромагнитные приборы делятся на два типа: приборы с плоской катушкой и приборы с круглой катушкой. Рассмотрим сначала устройство первого типа приборов, рис. а).
Обмотка прибора представляет собой плоскую катушку 1 со щелью. Обмотка катушки у вольтметров выполняется из тонкой (диаметр 0,05—0,1 мм) медной проволоки с большим числом витков (2000—10 000). Обмотка амперметров на токи до 30А изготовляется из небольшого числа витков толстой проволоки. На токи до 200А обмотка выполняется из медной ленты или в виде одного шинного витка (на токи 300—500А). Второй основной частью прибора является сердечник из ферромагнитного материала (например, пермаллоя) в форме листка 2, укрепленного эксцентрично на оси прибора 3. При прохождении тока по виткам катушки возникает магнитное поле, которое втягивает сердечник в щель катушки тем больше, чем больший ток протекает по виткам катушки. Укрепленная на оси стрелка 4 будет отклоняться по шкале 5. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 6, связанной одним концом с осью, а другим концом с неподвижной частью прибора. Для успокоения электромагнитных приборов обычно применяются воздушные успокоители 7. Поршенек успокоителя, закрепленный на оси при помощи проволоки, перемещаясь в изогнутом цилиндре, испытывает со стороны воздуха в цилиндре сопротивление своим колебаниям, что приводит к успокоению стрелки. Изменение величины тока в катушке вызывает непропорциональное изменение угла поворота стрелки, поскольку вращающий момент, действующий на подвижную систему, зависит от квадрата тока. Поэтому шкала электромагнитного прибора неравномерна.
Внешние магнитные поля оказывают влияние на работу электромагнитного прибора, но железный кожух прибора значительно ослабляет это влияние. Изменение направления тока в обмотке прибора приводит к перемагничиванию сердечника (или сердечников), и сила взаимодействия не меняет своего направления. Поэтому электромагнитные приборы могут работать в цепях постоянного и переменного токов. При переменном токе прибор будет показывать действующее значение тока или напряжения. Потребление мощности в амперметрах составляет 2—8 вт, в вольтметрах — 5—6 вт. Простота конструкции, дешевизна, возможность выдерживать перегрузку, пригодность для постоянного и переменного токов привели к тому, что приборы электромагнитной системы нашли себе широкое применение для технических измерений. К недостаткам прибора нужно отнести малую точность, неравномерность шкалы, зависимость показаний прибора от внешних магнитных полей и от частоты. Электромагнитные приборы изготовляются главным образом в качестве технических щитовых приборов классов точности 1; 1,5; 2,5.