2. Принципы устройства некоторых электроизмерительных приборов

Электроизмерительным прибором называют совокупность механизма, выполняющего измерение, называемого измерителем, и вспомогательных частей, необходимых для производства измерения, как-то: шунты, добавочные сопротивления и т.п. Измеритель, а иногда и вспомогательные части монтируются в корпусе, предохраняющем от порчи и загрязнения.

В электроизмерительной практике применяются почти исключительно показывающие приборы, проградуированные непосредственно в измеряемых ими единицах - Амперах, Вольтах, Ваттах и т.д.

Действие этих приборов основано на том или ином из известных нам проявлений электрического тока: магнитном, тепловом, индукционном и т.д.

В зависимости от природы явления, положенного в основу устройства и работы измерителя, приборы подразделяются на несколько видов систем. Рассмотрим подробнее наиболее часто встречающиеся системы устройства измерителей: магнитоэлектрическую и электромагнитную.

Измерительный механизм магнитоэлектрической системы приборов

Принцип действия такого прибора основан на взаимодействии магнитного поля рамки с током и магнитного поля постоянного магнита (рис.2.1). Прибор имеет следующие основные элементы:

1. Сильный постоянный магнит 1 для создания магнитного поля.

2. Полюсные наконечники 2 вместе с неподвижным цилиндром 3 из магнитомягкой стали образуют минимальный концентрический воздушный зазор и обеспечивает сильный магнитный поток ввиду малого сопротивления магнитной цепи. Такая конструкция обеспечивает радиальное направление магнитных силовых линий в воздушном зазоре (рис.2.2), что необходимо для получения равномерной шкалы прибора.

3. Легкая алюминиевая рамка (каркас) 4, на которую намотана медная изолированная проволока, устанавливается на двух полуосях 5 и может свободно поворачиваться в воздушном зазоре между полюсными наконечниками 2 и неподвижным цилиндром3.

4. Для крепления подвижной части к корпусу подпятники 10 с кернами 9 (рис.2.3). Керны изготавливаются из высококачественной стали и полируются для уменьшения трения между ними и подпятниками.

5. Две бронзовые спиральные пружины 6 служат для подведения измеряемого тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента. Концы обмотки рамки соединены с внутренними концами спиральных пружин, а внешние концы пружин соединяются с зажимами прибора. Внешний конец одной пружины прикреплен к рычагу корректора 11 для установления стрелки прибора на нулевое деление шкалы (рис.2.3).

При включении прибора в электрическую сеть ток i протекает через первую спиральную пружину, обмотку рамки и вторую спиральную пружину. На стороны рамки, пересекающие линии магнитного поля в воздушном зазоре, действуют силы Ампера F_A величина каждой из которых согласно закону Ампера (см. [2], стр.172) равна:

(2.1)

где - п число витков в рамке, l - длина стороны рамки, пересекающей магнитные линии в зазоре В - магнитная индукция поля в зазоре,  - угол между направлением В и направлением тока в стороне l. При радиальном характере силовых линий В в зазоре  = /2, sin =1 и F_A=iBln, Направление F_A может быть определено по правилу левой руки (см. [2] стр.173), так что силы F_A, действующие на стороны рамки образуют пару сил (рис. 2.2), которая создает вращающий момент М электромагнитных сил (сил Ампера), равный:

М=F_A l₁ , где - l₁ сторона рамки, перпендикулярная l (при любом расположении рамки F_Al₁). Учитывая (2.1), для момента электромагнитных сил М имеем:

(2.2)

где s=l l₁, s - площадь рамки.

Под действием этого момента рамка с обмоткой поворачивается, закручиваются спиральные пружины до тех пор, пока их противодействующий момент M_упр не станет равным вращающему моменту М. При этом стрелка прибора, повернувшись вместе с рамкой, останавливается на определенном делении и показывает измеряемую величину.

Противодействующий закручиванию момент упругих сил, согласно закону Гука, пропорционален углу а поворота рамки:

M_упр(2.3)

где K₁ - постоянная для данной пружины величина, зависящая от ее упругих свойств,  - угол закручивания пружины, равный углу отклонения стрелки. В момент остановки стрелки:

M=M_упр iBns=K₁ (2.4)

откуда

(2.5)

В выражении (2.5) все величины, стоящие перед i, определяются конструктивными особенностями данного измерителя, т.е. в процессе измерений остаются неизменными.

Таким образом, угол поворота стрелки прибора прямо пропорционален току i, текущему по нему. Поэтому шкала измерений магнитоэлектрической системы равномерная. Алюминиевый каркас, на котором намотаны витки рамки (обмотки), в измерителе этой системы служит магнитоиндукционным успокоителем колебаний стрелки. При колебаниях каркаса в сильном магнитном поле воздушного зазора в нем индуцируются вихревые токи, магнитное поле которых противодействует по закону Ленца относительному перемещению каркаса в зазоре и тем самым тормозит колебания стрелки.

Описанная система измерителей имеет следующие достоинства: высокая точность; равномерная шкала; практически отсутствует влияние внешних магнитных полей, т.к. собственное магнитное поле является довольно сильным; малое потребление энергии; эффективная работа успокоителя (демпфера); высокая чувствительность, обусловленная достаточно сильным магнитным полем магнита с полюсными наконечниками.

К недостаткам этой системы относятся: невозможность измерений переменных токов без дополнительных устройств, недостаточная стойкость даже к кратковременным перегрузкам, т.к. тонкие бронзовые спиральные пружины либо перегорают при больших перегрузках, либо в результате нагрева теряют свою упругость.