Измерительный механизм электромагнитной системы приборов
Принцип действия такого измерителя основан на взаимодействии магнитного поля железного сердечника с магнитным полем катушки, по которой проходит измеряемый ток (рис. 2.4).
Прибор имеет следующие основные части:
1. Неподвижная плоская катушка А с узкой щелью, либо круглая с обмоткой из медного провода, сечение которого рассчитывается на ток несколько больший, чем предел измерения прибора для обеспечения устойчивости к кратковременным перегрузкам.
2.Тонкая ферромагнитная пластина Б из магнитомягкого материала насажана на ось прибора вместе со стрелкой измерителя.
3. Бронзовая спиральная пружина для создания противодействующего момента.
4.Подпятники и керны В.
5.Алюминиевая пластина Г и постоянный магнит М магнитоиндукционного успокоителя.
6. Экран Э для исключения воздействия поля постоянного магнита успокоителя на ферромагнитную пластину Б.
При включении прибора в цепь ток i протекает по катушке А, создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник Б (ферромагнитную пластину). При этом Б втягивается внутрь катушки А с некоторой силой F, создающей момент электромагнитных сил М поворачивающий подвижную часть измерителя со стрелкой.
Значение вращающего момента М можно получить, исходя из энергетических соображений. Вращающий момент равен производной энергии WM магнитного поля по геометрической координате, которой является угол а поворота подвижной части, т.е.:
(2.6)
Энергия WM магнитного поля катушки с индуктивностью L равна:
(2.7)
Индуктивность зависит прежде всего от положения сердечника в катушке, величина тока i от этого не зависит, а определяется параметрами цепи. Тогда вращающий момент М будет равен:
(2.8)
При втягивании пластины ось прибора поворачивается и стрелка отклоняется на некоторый угол по шкале прибора, останавливается в положении, когда противодействующий момент Mупр пружины, увеличиваясь при ее закручивании, становится равным вращающему моменту М, приложенному к пластине.
Согласно
(2.3) Мупр=K1,
и следовательно
(2.9)
откуда
(2.10)
При
видно, что шкала этих приборов будет
квадратичной, т.е. вначале деления будут
чрезмерно сжаты, а дальше сильно расширены(неравномерная).
Некоторое выравнивание шкалы можно
получить за счет множителя
,
придавая опытным путем сердечнику (или
сердечникам) специальную форму.
Прибор с круглой катушкой показан на рис. 2.5, экранированная обмотка катушки Э дана в разрезе. В качестве успокоителя используется алюминиевая пластина Г, помещенная между полюсами постоянного магнита.
Внутри круглой катушки помещены две ферромагнитные из магнитомягкого материала. Одна пластина прикреплена неподвижно к каркасу катушки, а другая пластина насажана на ось прибора. Под действием магнитного поля катушки с током обе пластины намагничиваются с одинаковой полярностью и отталкиваются друг от друга. Так создается вращающий момент, и стрелка прибора отклоняется тем больше, чем сильней намагничивается пластина.
При пропускании тока по катушке в противоположном направлении пластины перемагничиваются и опять отталкиваются одна от другой. В приборе с плоской катушкой пластины, перемагнитившись, снова втягивается
внутрь катушки. Подвижная часть, обладая сравнительно малой частотой собственньк колебаний будет отклоняться под действием среднего за период вращательного момента, и следовательно, отклонение будет пропорционально квадрату действующего значения переменного тока.
Описанная система измерителей имеет следующие достоинства: пригодна как для постоянного, так и для переменного токов и напряжений низких частот; простота устройства и прочность конструкции; допускает кратковременные перегрузки, поскольку измеряемый ток не протекает через противодействующие пружины, а катушка намотана проводом достаточно большого сечения; возможность изготовлять амперметры без шунтов с большим сечением провода обмотки, т.к. катушка прибора неподвижна и нет необходимости в ее легкости.
К недостаткам описанной системы относятся: недостаточная точность из-за вихревых токов гистерезиса в сердечнике; неравномерная шкала, влияние внешних магнитных полей на показания прибора ввиду отсутствия внутри прибора сильного магнитного поля; показания сильно зависят от частоты, поэтому приборы могут быть использованы при частотах до килогерца;
недостаточная чувствительность, поскольку при малых измеряемьпс токах намагниченность сердечника невелика.