2.2 Магнитоэлектрические измерительные приборы

Измерительные механизмы. Работа магнитоэлектрических измерительных механизмов основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Один из взаимодействующих элементов — подвижный (катушка (рамка) с током или постоянный магнит).

Наиболее распространены измерительные механизмы с подвиж­ной рамкой.

По конструкции магнитной системы различают механизмы с внеш­ним (рис. 2.5) и внутрирамочным магнитом. Первый состоит из внешнего магнита 1 из магнитотвердого мате­риала, магнитопровода 3 и цилиндрического сердечника 6 из магнитомягкого материала. В воздушном зазоре между полюсными наконечни­ками магнита и подвиж­ным цилиндрическим сердечником создается практически равномер­ное радиальное магнит­ное поле. В воздушном зазоре помещается рам­ка 5 из тонкого изоли­рованного медного про­вода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной фор­мы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляют полуоси или растяжки. Рамка может пово­рачиваться вместе с осью и стрелкой 2 вокруг цилиндрического сер­дечника. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 7, создающие также противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат, противо­весы-грузики 4. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.

Рисунок 2.5 – Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма

При протекании по обмотке рамки постоянного тока I на ак­тивные стороны обмотки рамки действует пара сил, создающая вращающий момент:

(2.8)

где - энергия магнитного поля системы, состоящей из постоян­ного магнита и рамки с током I; - поток постоянного магнита, сцепленный с обмоткой рамки, по которой протекает ток; В - маг­нитная индукция в воздушном зазоре; l - активная длина рамки; а - ширина рамки; - число витков обмотки рамки.

Произведение al равно активной площади S рамки. Соответственно

(2.9)

где — потокосцепление обмотки рамки при повороте ее на угол α = 1 рад.

Вращающий момент измерительного механизма стадиальным равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения, а подвижной части. Под действием М подвижная участь поворачивается вокруг оси, тем самым закручивая спиральные пружины. Создающийся при этом противодействующий момент

(2.10)

где W - удельный противодействующий момент.

При отклонении рамки на некоторый угол, а вращающий и противодействующий моменты уравняются по значению, дальнейшее отклонение рамки прекратится. Из условия равенства моментов следует, что или , откуда угол отклонения под­вижной части механизма

(2.11)

где - чувствительность измерительного механизма по току.

Из (2.11) следует, что отклонение подвижной части измеритель­ного механизма линейно растет с увеличением тока I, т. е. шкала равномерная.

Повышение чувствительности измерительного механизма может быть достигнуто за счет увеличения индукции B в зазоре, числа витков ω рамки или уменьшения удельного противодействующего момента W пружин. Увеличение индукции В за счет применения новых специальных сплавов (альнико, альни, магнико и др.) при изготовлении постоянных магнитов, обеспечивающих индукцию в зазоре 0,2 - 0,3 Т, практически целесообразно.

При изменении направления тока I изменяется направление от­клонения подвижной части измерительного механизма; при включе­нии последнего в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период будет равно нулю.

В магнитоэлектрических измерительных механизмах успокоение подвижной части индукционное и электромагнитное. При отклоне­нии подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки, а также, в витках обмотки рамки, замкнутой на некоторое внешнее сопротивление, индуктируются токи, создающие совместно с полем постоянного магнита тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть.

К достоинствам магнитоэлектрических измерительных механизмов относят: высокую чувствительность (ИМ обладает сильным собственным магнитным полем поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); большую точность (из-за высокой стабильности элементов ИМ, незначительного влияния внешних магнитных полей); незначительное влияние на режим из­меряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; хорошее успокоение; равномерность шкалы.

К недостаткам измерительных механизмов относят: сложность, изготовления, плохую перегрузочную способность, обусловленную легким перегревом пружин и изменением их свойств; температурные влияния на точность измерения.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы используют:

в многопредельных, широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока;

в гальванометрах - высокочувствительных измерительных при­борах с неградуированной шкалой как для непосредственных изме­рений малых электрических токов А, напряжений менее В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях;

в светолучевых осциллографах (в вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, ча­стота которых может быть от единиц герц до 10 - 15 кГц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электри­ческие;

аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектри­ческих амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазо­метрах;

в комбинированных аналоговых вольтметрах в которых магнито­электрические измерительные механизмы совместно с выпрямитель­ными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения;

в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в оммет­рах, частотомерах и т. д.

Амперметры. Основой амперметров и вольтметров является из­мерительный механизм. В микро- и миллиамперметрах, предназна­ченных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измеритель­ная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (сопротивление цепи измерительного механизма ).

Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его теплового действия на упругие свойства спиральных противодейст­вующих пружинок.

Если измеряемый ток I превосходит по значению ток полного отклонения подвижной части, то параллельно цепи измеритель­ного механизма ИМ подключается шунт (резистор), через который пропускается ток (рис. 2.6).

Значение сопротивления шунта определяется из условия

(2.12)

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления , то его сопротивление

(2.13)

Значение сопротивления шунта обычно Ом. Для исключения влияния на результат измерения сопротивления соединительных проводов и контактов, соизмеримых с сопротивле­нием шунта, последние выполняются четырехзажимными: два за­жима (токовых) используются для включения шунта в цепь изме­няемого тока и два других зажима (потенциальных) - для подключения к измерительному механизму.

Шунты обычно изготовляют из манганина, обладающего нич­тожно малым температурным коэффициентом. Большое распрост­ранение получили многопредельные ступенчатые шунты, включае­мые по кольцевой схеме (рис. 2.7).

В двухпредельном амперметре, если принять , сопроти­вление шунта для пределов и соответственно равны:

где ; - коэффициенты шунтирования.

При совместном решении этих уравнений можно определить со­противления шунтов:

Рисунок 2.6 – Схема микро- Рисунок 2.7 – Схема двух-

амперметра с шунтом предельного амперметра

Расчет для многопредельного ступенчатого шунта аналогичен. Шунты бывают внутренние, вмонтированные в корпус прибора, и наружные. Наружные шунты подразделяют на индивидуальные и взаимозаменяемые (калиброванные). Индивидуальные шунты при­меняют к конкретным измерительным механизмам. Взаимозаменяемые шунты изготовляют на номинальные токи и падения напряжения: 60, 75, но допускают значения 100, 150, 300 мВ; применяют шунты к измерительным механизмам, рассчитанным на такие же падения напряжения. Внутренние шунты изготовляют на токи примерно до 50 А, наружные - на токи до 10 000 А. Наружные шунты обычно присоединяются к механизму двумя калиброванными проводниками с общим сопротивлением 0,035 Ом. Классы точности шунтов - 0,02; 0,05;.0,1; 0,2; 0,5 - показывают допустимое откло­нение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах. Применение шунтов позволяет расширить пределы измерения амперметров, но приводит к увеличению мощности потребления, снижению точности, измерения и чувствительности. Для понижения; температурной погрешности, вызванной изменением сопротивления обмотки рамки и пружин подвижной, части измерительного механизма при протекании тока, последовательно с рамкой включается добавочное сопротивле­ние из манганина.

Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм с включенным последовательно добавочным резистором может быть использован как вольтметр для измерения напря­жения. Вольтметр подключается параллельно к объекту измере­ния. В измерительной цепи вольтметра происходит преобразова­ние измеряемого напряжения в ток, необходимый для отклонения подвижной части измерительного механизма.

Предел измерения вольтметра, зависит от тока полного от­клонения подвижной части и внутреннего сопротивления вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки , пружин и резистора ):

(2.14)

Ток полного отклонения рамки магнитоэлектрических вольт­метров составляет примерно 50 мА.

Для изменения предела измерения напряжения U последо­вательно с вольтметром включается добавочный резистор, значение которого при заданном значении 1у определяется из выражений

(2.15)

где - коэффициент расширения предела измерения вольтметра или множитель шкалы.

В многопредельных вольтметрах (рис. 2.8) используют ступен­чатое включение резисторов и для соответствующих пределов изме­рения напряжений при заданном токе рамки сопротивле­ния добавочных резисторов рассчитываются по формулам:

либо (2.16)

либо (2.17)

где - коэффициенты расширения пре­делов.

Рисунок 2.8 – Схема трехпредельного вольтметра

Добавочные резисторы в основном изготовляют из манганино­вого провода, намотанного на круглые или плоские каркасы из изоляционного материала. Они могут быть как внутренними (до 600 В), так и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные рези­сторы, в свою очередь могут быть индивидуальными и взаимозаме­няемыми на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.

Магнитоэлектрические вольтметры имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но малое внутреннее сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от микровольт до 1,5 кВ