4.3. Приборы электромагнитной системы

К приборам электромагнитной системы относятся электроизмерительные приборы, измерительный механизм которых состоит из неподвижной катушки и легкого ферромагнитного сердечника. Сердечник перемещается относительно катушки при ее включении в цепь постоянного или переменного тока.

Электромагнитные измерительные механизмы выполняются с плоской или круглой катушкой. Устройство измерительного механизма прибора с плоской катушкой схематически показано на рис. 4.3. Неподвижная катушка 1, намотанная медным проводом, имеет отверстие в виде щели. В эту щель входит сердечник 2, эксцентрично укрепленный на оси. На оси укреплены также стрелка с грузиками для уравновешивания подвижной части, спиральная пружина 4 для создания противодействующего момента и крыло 3 воздушного успокоителя.

Рис. 4.3. Измерительный механизм прибора электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы с плоской катушкой основан на явлении втягивания сердечника в катушку с током. При включении прибора в цепь ток в катушке возбуждает магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Намагничиваясь, сердечник втягивается в щель катушки.

Сила втягивания сердечника определяется взаимодействием магнитного поля катушки с полем намагниченного сердечника. Интенсивность магнитных полей катушки и намагниченного сердечника приближенно можно считать пропорциональными току в катушке. Поэтому сила втягивания сердечника в катушку будет пропорциональна квадрату измеряемого тока:

.

Следовательно, и величина вращающего момента будет также пропорциональна квадрату тока:

.

Особенностью приборов электромагнитной системы является независимость направления действия вращающего момента от направления тока в катушке.

Если катушка включена в цепь постоянного тока , то на подвижную часть прибора будет действовать неизменный во времени вращающий момент:

.

Противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу поворота стрелки, жестко скрепленной с сердечником:

.

Сердечник прибора будет проворачиваться до тех пор, пока противодействующий момент не станет равным вращающему

или

,

откуда

.

Из этого следует, что шкала электромагнитного прибора должна быть квадратичной (деления сильно сжаты в начале шкалы и растянуты в конце). Такая шкала неудобна при измерениях. Поэтому путем подбора соответствующей формы сердечника добиваются более равномерного расположения делений на шкале в ее рабочей части (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Шкала прибора электромагнитной системы

Достоинством электромагнитных приборов является простота их устройства, устойчивость к перегрузкам и надежность в работе. Они получили широкое применение в качестве миллиамперметров, амперметров и вольтметров в цепях постоянного и переменного токов.

4.4. Приборы электродинамической системы

К приборам электродинамической системы относятся электроизмерительные приборы, измерительный механизм которых состоит из двух катушек. Одна из них укреплена неподвижно, а другая может поворачиваться вокруг оси.

На рисунке 4.5 схематически изображено устройство измерительного механизма электродинамической системы с прямоугольными катушками. Неподвижная катушка 1 изготовлена из толстого провода и имеет малое число витков. Она состоит из двух одинаковых секций, расположенных параллельно друг другу. Подвижная катушка 2 расположена внутри неподвижной, закреплена на оси 5 и может поворачиваться. Эта катушка изготовлена из тонкого провода и имеет большое число витков. На оси жестко закреплены стрелка 3 и крыло воздушного успокоителя 4.

Подвижная катушка соединяется с внешней цепью посредством спиральных пружин 6.

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии тока подвижной катушки с магнитным полем тока неподвижной катушки.

Рис. 4.5. Измерительный механизм прибора электродинамической системы

Между током подвижной катушки и полем тока неподвижной катушки возникает сила электромагнитного взаимодействия, пропорциональная величине токов в катушках. Поэтому вращающий момент , действующий на подвижную катушку, будет пропорционален произведению токов в подвижной и неподвижной катушках.

Аналогичные рассуждения, как и для приборов электромагнитной системы, позволяют найти угол отклонения стрелки прибора:

.

Квадратичная зависимость вращающего момента от тока показывает, что приборы электродинамической системы (как и приборы электромагнитной системы), включенные в цепь переменного тока, будут измерять действующие значения тока и напряжения.

Приборы рассматриваемой системы отличаются высокой степенью точности и используются, главным образом, для лабораторных измерений.

Наличие двух цепей тока в приборе дает возможность использовать их в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, фазометров и частотомеров.