2.ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

2.1.Магнитоэлектрический измерительный механизм

Применение: в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для наиболее точных измерений постоянного тока, а также с различными преобразователями переменного тока в постоянный для измерения в цепях переменного тока.

Принцип действия магнитоэлектрического измерительного механизма основан на том, что обтекаемый током проводник испытывает отклонение в постоянном магнитном поле неизменного направления.

Fчастями прибора деталями из немагнитных материалов (латуни и пр.), так что вращающаяся катушка с её дей-

ствующими проводниками движется в узком межцилиндрическом пространстве между наконечниками и цилиндрическим сердечником. При такой конструкции магнитные силовые линии оказываются перпендикулярными к поверхности сердечника и равномерно распределёнными по межцилиндрическому пространству.

При протекании тока по обмотке катушки возникают силы F, стремящиеся повернуть катушку так, чтобы её плоскость стала перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий. При равенстве вращающего и противодействующего моментов движение катушки прекращается.

Общее выражение для вращающего момента для электромеханических приборов, вытекающее из уравнений Лагранжа второго рода, записывается так:

M = dWмаг , вр dα

где Wмаг - энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме; α - угол поворота подвижной части.

Энергия электромагнитного поля

Wмаг = ФI ,

где Ф – поток, сцепляющийся с обмоткой катушки; I – ток в обмотке катушки.

Поток Ф найдём так:

Ф = B 2rlwα = Bswα ,

где В – магнитная индукция в межцилиндрическом пространстве; r – радиус катушки;

l – длина проводников катушки в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа на рис.2.1; s – площадь катушки;

w– число витков катушки;

α– угол поворота катушки.

Проводники катушки, находящиеся в плоскости чертежа, в создании вращающего момента не участвуют, так как не пересекают магнитные силовые линии, и с учётом этого получаем

Mвр = d(BswαI) = BswI .

dα

13

В состоянии равновесия этот момент уравновешивается моментом закручивания пружинок. Если пружинки достаточно длинные, а это всегда имеет место, то момент закручивания пропорционален углу поворота катушки α , поэтому

BswI = cα ,

где с – жёсткость пружинок.

Отсюда имеем

α = Bswc I .

При изменении направления тока меняется и направление угла α , т.е. магнитоэлектрический измерительный механизм пригоден только для постоянного тока.

Магнитоэлектрический измерительный механизм имеет равномерную шкалу, что уменьшает погрешности градуировки и отсчёта. Кроме того, благодаря сильному магнитному полю в межцилиндрическом пространстве (0,2…0,3 Тл) он малочувствителен к внешним магнитным полям. Это позволяет изготовлять приборы на основе этого механизма класса точности до 0,1…0,2%. Класс точности щитовых технических приборов обычно 1,0…1,5%. Достоинством этих механизмов является малое собственное потребление мощности. Известны микроамперметры с током полного отклонения 1 мкА и даже 0,1 мкА.

Вследствие применения сильного постоянного магнита число ампервитков, необходимое для полного поворота катушки, составляет 0,4…0,7 и меньше. Поэтому магнитоэлектрический измерительный механизм легко изготовить с малым сопротивлением катушки и непосредственно использовать его в качестве амперметра. Максимальный ток обычно не превышает 1 А, что ограничено нагревом токоподводящих пружинок. Для расширения пределов измерения применяют шунты. Для применения механиз-

2этих моментов может считаться вращающим, соответственно другой – противодействующим. Чтобы уравновесить моменты, при данных токах они должны

зависеть от угла поворота α катушек. Наиболее просто это осуществляется путём создания неравномерности радиального зазора между сердечником и полюсными наконечниками за счёт придания сердечнику эллиптического поперечного сечения. При вращении

катушек одна из них попадает в область большего зазора и, следовательно, меньшей магнитной индукции, а другая – в область меньшего зазора и большей индукции. В результате при разных токах I1 и I2 устанавливается равновесие моментов при угле поворота катушек

α = F II1 ,

2

где F – функция, выражающая закон измерения магнитной индукции в зазоре.

Таким образом, угол поворота α зависит от отношения токов в обмотках.

Наиболее часто измерительный механизм магнитоэлектрических логометров используют в омметрах.

2.2. Электромагнитный измерительный механизм

Применение: в качестве амперметров и вольтметров как для постоянного, так и для переменного

тока.

Принцип действия электромагнитного измерительного механизма состоит в следующем: один или несколько сердечников из магнитомягкого железа подвергается воздействию электромагнитного поля, причём либо а) железный сердечник втягивается в катушку, по которой проходит ток, либо б) способный

14

вращаться в катушке железный сердечник притягивается либо отталкивается одним или несколькими неподвижными сердечниками, когда по катушке проходит ток.

На рис.2.3 схематически показана одна из конструкций электромагнитного измерительного механизма с вращающимся сердечником.

Вращающий момент может быть определён на основании закона электромагнитной силы через первую производную от изменения энергии магнитного поля Wмаг по углу поворота α сердечника

Если бы индуктивность изменялась прямо пропорционально углу поворота α , то шкала была бы чисто «квадратичной», сжатой вначале и растянутой в конце. Путём применения специальных конструктивных решений изготовителям приборов удаётся получить равномерную шкалу, начиная с 10…25% от номинального тока.

Так как в выражении для вращающего момента содержится квадрат измеряемой величины, этот измерительный механизм пригоден и для измерения переменного тока. При переменном токе поворот подвижной системы будет пропорционален квадрату эффективного значения тока.

Показания прибора на постоянном тока будут различными в зависимости от того, возрастает ли сила тока или убывает, тут проявляется действие петли гистерезиса. Поэтому во многих случаях при постоянном токе строят две кривые градуирования: одну для возрастающего, другую для убывающего тока; средние величины наносят на шкалу постоянного тока.

На переменном токе отклонения хорошего электромагнитного прибора на 1…2% меньше, чем при постоянном токе; разность расходуется при переменном токе на работу перемагничивания.

Электромагнитный измерительный механизм чувствителен к влиянию внешних магнитных полей. Среднее значение магнитной индукции в катушке при номинальном токе обычно не превышает 0,015…0,04 Тл, т.е. относительно малую величину. В приборах с плоской катушкой вследствие более короткого пути магнитного потока это влияние менее заметно, чем с круглой. Для уменьшения внешних магнитных влияний применяют магнитное экранирование либо строят астатические измерительные системы с двумя одинаковыми измерительными элементами, собственные магнитные поля которых имеют противоположное направление.

Влияние частоты проявляется главным образом в вольтметрах, если реактивное сопротивление катушки составляет значительную часть кажущегося сопротивления вольтметра. Поэтому частотный диапазон обычно не простирается далее 400 Гц.

Требуемое число ампервитков для полного отклонения составляет примерно 200..250 у механизмов с плоской катушкой и 300…400 у механизмов с круглой катушкой. Поэтому номинальный ток вольтметра нормальной конструкции имеет величину порядка 20…50 мА.

2.3. Электродинамический измерительный механизм

Применение: главным образом для точных измерений переменных токов, напряжений и мощности переменных токов.

В электродинамическом измерительном механизме вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами. На рис.2.4 схематически показано устройство электродинамического измерительного механизма.

Неподвижная катушка состоит из двух частей (аналог катушки Гельмгольца), её обмотки соединяются последовательно. Внутри неё располагается на оси подвижная катушка, подвод тока к которой осуществляется через пружинки или растяжки, как у магнитоэлектрических измерительных механизмов.

15

Обычно в исходном состоянии (при отсутствии тока) плоскости подвижной и неподвижной катушек, рас-

шек по углу поворота α подвижной катушки.

Электромагнитная энергия Wмаг двух контуров с токами подсчитывается по выражению:

Вэто выражение входит произведение токов, следовательно, измерительный механизм пригоден

идля переменного тока, так как при изменении знака обоих токов направление вращающего момента не изменяется.

Если связь между углом поворота рамки α и противодействующим моментом пружинок Мпр линейна, вольтметр будет иметь «квадратичную» шкалу, а при переменном токе он будет показывать эффективное значение напряжения. (С помощью подбора формы катушек и их начального положения изготовители обычно добиваются примерно равномерной шкалы, начиная с 25…30% от номинального перемещения стрелки, но шкала на начальном участке неизбежно буде сжатой).

В амперметре А токи неподвижной и подвижной катушек распределятся обратно пропорционально их сопротивлениям и вместе составляют полный измеряемый ток I:

I1 = k1I ; I2 = k2I ; k1 + k2 = 1; I = I1 +I2 .

16