книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

в зазоре. При установившемся равновесии моменты М± и М.г равны, т. е.

АіЛ (а) Л = k%F2 (а) / о ,

откуда

Fx (g) = *а

(а)А-і

в результате взаимодействия магнитного поля катушки, но обмотке которой протекает измеряемый ток, с одним или несколькими фер­ ромагнитными сердечниками, обычно составляющими подвижную часть механизма. В настоящее время наибольшее применение полу­ чили три конструкции измерительных механизмов: а) с плоской ка­ тушкой; б) с круглой катушкой; в) с замкнутым магнитопроводом.

На рис. 29 показан измерительный механизм с плоской катушкой. Катушка 1 наматывается медным проводом и имеет воздушный за­ зор, в который может входить эксцентрично укрепленный на оси сердечник 2. Материал сердечника должен обладать высокой маг­ нитной проницаемостью, что способствует увеличению вращающего момента при заданной величине потребления мощности прибором, и минимальным значением коэрцитивной силы, что уменьшает "по­ грешность от гистерезиса. Обычно материалом сердечника в щитовых приборах служит электротехническая (кремнистая) сталь, а в точных переносных приборах — пермаллой.

70

При наличии тока в катушке сердечник стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т. е. втягивается в зазор катушки. При этом закручиваются пру­ жинки 3, в результате чего возникает противодействующий момент. Для успо­ коения движения подвижной части в электромагнитных измерительных меха­

рис. 29 представлен измерительный меха­ низм с воздушным успокоителем, состоя­ щим из камеры 4 и крыла 5.

в технологии изготовления и, кроме того, позволяют получить более равномерную шкалу. Однако они имеют и недостатки, главный из которых заключается в том, что в таких механизмах хуже ис­ пользуется внутренний объем, что вызывает увеличение числа ампер-витков (собственного по­ требления прибора) для дан­ ного значения вращающего мо­

мента.

Одним из существенных не­ достатков электромагнитных из­ мерительных механизмов рас­ смотренных конструкций яв­ ляется сильное влияние внеш­ них магнитных полей. Это объ­ ясняется тем, что собственное магнитное поле невелико. Для защиты от внешних полей при-

меняются в основном два способа — астазирование и экранирование, В астатическом измерительном механизме на оси подвижной части укреплены два одинаковых сердечника, каждый из которых

71

размещается в магнитном поле одной из катушек, включенных между собой последовательно. Направление обмоток выбрано так, что магнитные поля Ф] и Ф 2 катушек, равные по величине и конфигура­ ции, направлены навстречу друг другу. При этом ось подвижной части будет находиться иод действием суммы двух моментов, каждый из которых создается одним из сердечников и действующей на него катушкой. Если такой измерительный механизм поместить в равно­ мерное внешнее поле Ф, то один из моментов, для которого направ­ ления собственного и возмущающего полей будут совпадать, увели­ чится, а второй — соответственно уменьшится. Суммарный момент, действующий на ось, а следовательно, и показания прибора при этом не изменяются. Недостатки астатического измерительного механизма

заключаются в усложнении и удорожа­ нии конструкции, а также в том, что астазирование исключает действие только равномерных полей.

с замкнутым магнитопроводом. Катушка 1 помещена на магнитопровод 2 с полюсными наконечниками 3. При наличии тока в об­ мотке катушки подвижный сердечник 4 стремится повернуться по часовой стрелке вокруг оси О, втягиваясь в рабочее пространство между полюсными накладками левого полюса.

Достоинствами измерительного механизма с замкнутым магнито­ проводом являются: повышение чувствительности (увеличение вра­ щающего момента при заданных ампер-витках); уменьшение погреш­ ности от влияния внешних магнитных полей; возможность относи­ тельно просто менять характеры шкалы путем изменения положения левого полюсного наконечника относительно правого. Обычно в из­ мерительных механизмах с замкнутым магнитопроводом применяют растяжки и жидкостное успокоение. Так выполнены, например, приборы типа Э-316, Э-377, Э-378 класса точности 1,0 и некоторые др.

В заключение отметим, что по своему устройству электромагнит­ ные измерительные механизмы являются самыми простыми среди измерительных механизмов приборов разных групп.

На основании уравнения (51) определим вращающий момент электромагнитного измерительного механизма как производную от

72

электромагнитной энергии We системы по углу поворота. Выраже­ ние для электромагнитной энергии катушки, по обмотке которой про­ текает ток, можно представить следующим образом:

W=

е2 '

где L — индуктивность катушки, зависящая от положения сердеч­ ника; / — ток в обмотке.

Выражение для вращающего момента будет

Если противодействующий момент создается с помощью упругих элементов (пружин или растяжек), то для режима установившегося отклонения можно написать

откуда

противодействующим моментом, применяют также электромагнит­ ные логометры.

, Устройство измерительного механизма двухмоментного электро­ магнитного логометра с катушками А ц Б представлено на рис. 32. Сердечники на оси укреплены так, что при повороте подвижной части в некоторых пределах индуктивность одной катушки увеличи­ вается, а другой — уменьшается, вследствие чего вращающие мо­ менты направлены в противоположные стороны. Взаимным влиянием

73

одной катушки на другую пренебрегаем. Для статического равнове­ сия можем написать

Главными достоинствами электромаг­ нитных приборов являются: простота кон­ струкции и, как следствие, дешевизна и надежность в работе; способность выдер­ живать большие перегрузки, что объяс­ няется отсутствием токоподводов к по­

движной части; возможность применения для измерений в цепях постоянного и переменного тока (отдельных приборов до частоты порядка 10 ООО Гц).

К недостаткам приборов относятся относительно малые точность

ичувствительность. Чувствительность повышают путем применения растяжек и светового отсчета, а погрешности снижаются благодаря использованию специальных магнитных материалов для сердечников

иэффективных способов защиты от влияния внешних магнитных по­ лей.

Электродинамические измерительные механизмы. В электродина­ мических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и под­ вижной катушек с токами. За рис. 33 показано устройство электро­ динамического измерительного механизма.

74

Неподвижная катушка 1 обычно состоит из двух одинаковых ча­ стей, разделенных воздушным зазором. От расстояния между ка­ тушками зависит до некоторой степени конфигурация магнитного поля, что, как увидим далее, влияет на характер шкалы. Кроме того, разделение неподвижной катушки на две удобно и. в конструктивном отношении, так как позволяет помещать между ними ось подвижной части прибора. Неподвижные катушки изготовляют из медного про­ вода, наматывая его на изоляционный каркас. Подвижная катушка 2 выполняется обычно бескаркасной из медного или алюминиевого провода. Наиболее употребительными формами катушек являются круглая и прямоугольная. Ось подвижной части может быть сквоз­ ной, как это показано на рис. 33, или состоять из двух полуосей, закрепленных на катушке в диамет­ рально противоположных местах при помощи букс. Для включения об­ мотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пру­ жинки или растяжки, как у магнито­ электрических измерительных меха­ низмов.

как экраны защищают катушки от полей рассеяния тормозного магнита. Астазирование применяется обычно в том случае, если по­ грешности, возникающие от наличия экрана, например погрешности от вихревых токов в экране, являются значительными. Поэтому приборы, предназначенные для работы при частоте в несколько тысяч герц, часто выполняются астатическими.

Нужная степень успокоения обеспечивается воздушным успокои­ телем, состоящим из алюминиевого крыла 3 и камеры 4.

При наличии тока в обмотках катушек измерительного механизма возникают силы, стремящиеся так повернуть подвижную часть, чтобы магнитные потоки неподвижных и подвижной катушек сов­ пали (рис. 34).

Определим вращающий момент электродинамического измеритель­ ного механизма как производную от энергии системы по углу пово­ рота подвижной части.

Как известно, электромагнитная энергия двух контуров с токами

где L x и Ln — индуктивности неподвижных и подвижных катушек; Л/ца — взаимная индуктивность между ними.

75

Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому

Если противодействующий момент создается упругими элемен­ тами, то для ре'жима установившегося отклонения получим

знак угла отклонения не меняется. Поэтому приборы электродина­ мической системы могут применяться для измерений как в цепях переменного, так и в цепях постоянного тока.

2. Характер шкалы прибора зависит от произведения токов и от закона изменения взаимной индуктивности между неподвижными и подвижной катушками, т. е. от формы катушек и их взаимного

расположения. Меняя — , можно несколько улучшить шкалу,

однако полностью равномерной для электродинамических ампер­ метров и вольтметров ее сделать не удается.

Уравнение (62) является общим для разных конструкций электродинамиче­ ских измерителей механизмов. Конкретизируем его для наиболее часто встре­

постоянного тока. Определим вращающий момент в соответствии с уравнением (61). Д л я этого надо найти взаимную индуктивность МѴ2 и определить значение ее производной по углу поворота. Воспользуемся выражением для потокосцеплення

76

Перейдем к рассмотрению случая включения измерительного ме­ ханизма в цепь переменного тока. Пусть по катушкам протекают токи, сдвинутые по фазе на угол ср:

іі = I l m sin at и i2 — I % m sin (at — ф). Мгновенное значение вращающего момента

Из-за своей инерции подвижная часть не успевает следовать за мгновенными изменениями момента, а реагирует на среднее значе­ ние его, определяемое как

тт

Выражение (63а) показывает, что при включении электродинами­ ческого измерительного механизма в цепь переменного тока вращаю­ щий момент, а следовательно, и угол отклонения определяются про­ изведением действующих значений токов в обмотках на косинус угла между ними.

Для создания вращающего момента в электродинамических из­ мерительных механизмах не используются ферромагнитные и вообще металлические элементы. Момент создается магнитными потоками, действующими в воздухе. Это исключает возможность возникнове­ ния различного рода погрешностей, связанных с появлением вих­ ревых токов, гистерезисом и т. п. Такие явления особенно в цепях переменного тока разной частоты трудно рассчитать или скомпенси­ ровать. Благодаря этой особенности электродинамические приборы могут быть выполнены одними из самых точных среди применяемых в настоящее время систем на переменном токе.

и 0,5. В качестве щитовых электродинамические приборы почти не применяются. Недостатком электродинамических приборов является

77

относительно большое (но сравнению с магнитоэлектрическими) соб­ ственное потребление мощности. 15 приборах на кернах ток полного отклонении составляет для электродинамических приборов 30—40 мА, а для магнитоэлектрических 3—5 мА. Однако применение растяжек и светового отсчета позволяет уменьшить собственное потребление мощности во много раз.Ѵ

Следует отметить, что чем меньше потребление мощности электро­ динамического прибора, тем слабее собственные магнитные поля

исильнее влияние внешних полей. Такие приборы требуют лучших средств магнитной защиты, отличаются более сложной конструкцией

истоят дороже.^ Электродинамические приборы плохо переносят

механические воздействия — удары, тряску и вибрацию.

Рис. 35. Электродинамическийлогометр

Электродинамические приборы могут быть использованы для измерений в цепях постоянного и переменного тока до частот 2000— 3000 Гц, а в области расширенного значения частот 1 — до 10000— 20000 Гц.

'* В настоящее время применяются электродинамические ампер­ метры, вольтметры, ваттметры, а в случае исполнения измеритель­ ных механизмов в виде логометров — фазометры, частотомеры и фарадометры.

Устройство электродинамического логометра показано на рис. 35. Его подвижная часть состоит из двух жестко скрепленных между собой под углом у подвижных катушек Бх и Б2, находящихся в поле неподвижных катушек А. Катушки Б г и Б2 посредством безмоментных токоподводов включаются в цепь по схеме, зависящей от наз­

78

На основании этого замечания и формулы (76) средние значения моментов My и Мг за период можно представить так:

В самопишущих приборах (§ 23), а также в приборах, предназна­ ченных для работы в условиях вибраций, тряски и ударов, находят применение ферродинамические измерительные механизмы, отличаю­ щиеся от ранее,рассмотренных электродинамических измерительных механизмов тем, что у них неподвижные катушки расположены в сер­ дечнике из ферромагнитного материала. Вто приводит к значитель­ ному увеличению вращающего момента и уменьшению влияния внешних магнитных полей. Однако наличие в измерительном меха­ низме нелинейного элемента снижает точность приборов.

На рис. 36 схематически показано устройство ферродинамических измерительных механизмов различных конструкций.

Сердечники набираются из пластин, которые выполняются из электротехнических сталей или из пермаллоев. Для уменьшения по­ грешностей от вихревых токов пластины изолируются друг от друга. Из тех же воображений подвижные катушки выполняются бескаркас­

Разница заключается в том, что в данном случае постоянный магнит заменен электромагнитом. Наружная часть магнитопровода служит

На рис. 36, б представлена конструкция трехфазного двухэле­ ментного ваттметра. Неподвижная часть измерительного механизма состоит из двух не зависимых друг от друга, катушек 1, магнитные потоки которых замыкаются через магнитонроводы 2 ж 3. Подвиж­ ная часть представляет собой две катушки 4, жестко скрепленные между собой и вращающиеся вокруг оси О. В таком механизме под­ вижная часть находится под действием суммы двух моментов и его можно использовать для измерения мощности трехфазного тока.

79