Измерительный механизм электромагнитной системы

Измерительные механизмы электромагнитной системы в настоящее время выпускаются в трех видах: с плоской катушкой, круглой катушкой и с магнитопроводом. Действие измерительного механизма с плоской катушкой основано на явлении втягивания стального сердечника внутрь катушки, по которой пропускается ток (рис. 2). Благодаря эксцентричной форме сердечника его втягивание сопровождается поворотом оси, на которой он жестко укреплен. По мере поворота оси будет закручиваться пружина, создающая противодействующий момент. Чем больше величина измеряемого тока, тем на больший угол будет отклоняться стрелка прибора. Очевидно, что втягивание сердечника будет иметь место как при постоянном, так и при переменном токе в катушке измерительного механизма. Поэтому эти приборы могут работать в цепях постоянного и переменного токов.

При протекании тока через катушку сердечник будет перемещаться в положение, при котором запасенная в магнитном поле энергия W будет максимальной:

Так как механическая работа dA, произведенная при перемещении сердечника, равна изменению dW энергии магнитного поля, то можно написать:

dA = Fdl = dW,

где F - сила, действующая на сердечник, dl - перемещение его центра масс.

Поскольку dl = Rdφ, где R - расстояние от центра масс до оси вращения сердечника, dφ – угловое перемещение центра масс, получим

При перемещении сердечника изменением тока в катушке можно пренебречь, поэтому выражение для момента вращения имеет следующий вид:

В момент измерения крутящий момент равен противодействующему моменту M_упр= Dφ. Отсюда

Если const, то φ ~ I², т.е. шкала прибора квадратичная. Выбор формы сердечника и его положения относительно катушки позволяют получить шкалу, близкую к линейной.

Принцип устройства измерительного механизма с круглой катушкой состоит в следующем. На внутренней поверхности катушки укрепляется неподвижный сердечник из магнитомягкой стали, другой сердечник – подвижный – укрепляется на оси (рис. 3). При протекании по катушке тока оба сердечника намагничиваются и отталкиваются друг от друга. Вследствие взаимодействия сердечников подвижный сердечник смещается и поворачивает ось прибора. Спиральная пружина создает противодействующий момент.

Рис. 3

К положительным свойствам электромагнитных приборов можно отнести: 1) пригодность для работы в цепях постоянного и переменного токов; 2) простоту конструкции; 3) устойчивость к перегрузкам; 4) сравнительно низкую стоимость.

Из отрицательных свойств этих приборов можно отметить: 1) низкую чувствительность; 2) зависимость показаний от внешних магнитных полей; 3) значительное собственное потребление энергии (от долей до нескольких ватт).

Измерительный механизм электродинамической системы

Измерительный механизм электродинамической системы состоит из двух катушек, одна из которых располагается внутри другой (рис. 4). Неподвижная катушка выполняется из толстого провода, подвижная – из тонкого.

Подвижная катушка соединяется с внешней цепью при помощи спиральных пружин, которые одновременно служат и для создания противодействующего момента.

Принцип действия рассматриваемого механизма основан на явлении взаимодействия токов. Это взаимодействие возникает при протекании в катушках как постоянного, так и переменного токов. Можно показать, что угол поворота подвижной катушки пропорционален произведению сил токов, текущих через катушки. Примером прибора, в котором реализуется рассматриваемый механизм, является электродинамический ваттметр. Неподвижная катушка ваттметра включается последовательно с нагрузкой, а подвижная катушка – параллельно нагрузке. В результате угол поворота подвижной катушки пропорционален мощности тока в нагрузке, и шкала ваттметра является равномерной.

Достоинствами электродинамических приборов являются: 1) высокая точность; 2) способность работать на постоянном и переменном токах при одной и той же градуировке шкалы.

Недостатками следует считать: 1) сравнительно низкую чувствительность; 2) зависимость показаний от внешних магнитных полей; 3) опасность перегрузок; 4) большую мощность потерь (единицы ватт); 5) относительно высокую стоимость.