18.3. Электромеханические приборы

Электромеханические показывающие приборы (амперметры, вольтметры, ваттметры и др.) составляют большую группу электроизмерительных приборов. В любом электромеханическом приборе имеются подвижная и неподвижная части. На обеих либо на одной из них расположены обмотки и соответствующие зажимы, через которые к прибору подводится ток или напряжение. Последние создают механические силы, действующие на подвижную часть и вызывающие ее перемещение (чаще угловое). По перемещению указателя (стрелки, светового луча и др.) судят о значении измеряемой величины. Совокупность деталей, образующих подвижную и неподвижную части прибора, называют измерительным механизмом (ИМ).

ИМ можно рассматривать как преобразователь электрической величины в механическое перемещение, отсюда общее название этих частей приборов - измерительные преобразователи, а приборов в целом - электромеханические приборы.

Наиболее распространены измерительные механизмы, в которых силы, вызывающие перемещение подвижной части, возникают под воздействием магнитного поля, созданного постоянным магнитом или током, на электрический ток. Вращающий момент , действующий на подвижную часть, является функцией измеряемой величиныX (тока или напряжения). Кроме того, на подвижную часть действует противодействующий момент , возникающий при их закручивании: растяжек (на которых укрепляется подвижная часть) или спиральных пружинок:

, (18.10)

где k - удельный противодействующий момент растяжки или пружинки;  - угол поворота подвижной части.

Установившееся отклонение подвижной части и укрепленного на ней указателя характеризуется равенством вращающего и противодействующего моментов:

. (18.11)

Для того чтобы подвижная часть быстрее останавливалась, многие механизмы снабжают успокоителями, создающими момент успокоения, пропорциональный скорости изменения угла поворота подвижной части:

, (18.12)

где Р - коэффициент успокоения.

Успокоители подразделяют на воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные.

Часто в электромеханических приборах измеряемую величинуподвергают предварительному преобразованию. Например, в вольтметре измеряемое напряжение преобразуется в ток соответствующей катушки прибора. Это преобразование осуществляют с помощью электрической цепи, состоящей из обмотки ИМ и включенного последовательно с ней добавочного резистора. Такую цепь называют измерительной цепью (ИЦ) прибора. В данном случае она выступает как преобразователь одной электрической величины - напряжения - в другую электрическую величину - ток. Измерительные цепи приборов могут включать в себя и другие преобразователи.

Обозначая измеряемую величину X, промежуточную электрическую величину Y и угол перемещения подвижной части ИМ , можно составить структурную схему электромеханического прибора (рис. 18.2). Преобразование Y(X) осуществляется в измерительной цепи прибора, а преобразование (Y) - в его измерительном механизме. Приборы, в которых измеряемая величина последовательно преобразуется в ряд других физических величин и, в конце концов, в числовое значение, отсчитываемое с помощью указателя, называют приборами прямого преобразования или приборами прямого действия.

В зависимости от физических явлений, положенных в основу создания вращающего момента, различают следующие измерительные механизмы:

• магнитоэлектрические, основанные на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и тока в обмотке подвижной катушки;

• электромагнитные, основанные на воздействии магнитного поля тока в обмотке на пластины из магнитомягкого ферромагнитного материала, намагничиваемые этим полем;

• электродинамические, основанные на воздействии магнитного поля тока одной катушки на ток в другой катушке;

• ферродинамические - электродинамические механизмы, в которых магнитное поле усиливается магнитопроводом,;

• индукционные, основанные на воздействии переменных магнитных полей, пронизывающих подвижный диск механизма, на вихревые токи, возникающие в диске;

• электростатические, основанные на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных пластин.

Для примера рассмотрим устройство и принцип действия одного из названных измерительных механизмов.

Магнитоэлектрический механизм содержит постоянный магнит и катушку с током. Применяют конструкции с внутрирамочным магнитом, с внешним магнитом и с подвижным магнитом.

Механизм с внутрирамочным магнитом представлен на рис.18.3. Его магнитная система состоит из постоянного магнита 3 и замкнутого кольца 2 из магнитомягкого ферромагнитного материала. В рабочем зазоре между ними образуется радиальное магнитное поле. Подвижная катушка 1, выполненная из тонкого изолированного провода, намотанного на алюминиевый каркас, помещена в рабочем зазоре и укреплена на растяжках (или на осях). Она может свободно поворачиваться вокруг своей оси. Концы обмотки электрически соединены с растяжками (или пружинками), по которым ток поступает в катушку. При наличии в обмотке постоянного тока I на активную сторону витков w обмотки длиной l , находящуюся в равномерном магнитном поле зазора с магнитной индукцией B₀, действует сила F, которая, согласно закону Ампера, равна: .

Под действием пары таких сил, действующих на обе активные стороны обмотки, создается вращающий момент , гдеb – ширина катушки. Подставляя сюда выражение для F , получим: (18.13).

Здесь S - площадь обмотки, - постоянная прибора, равная максимальному потокосцеплению катушки.

Из выражения (18.13) видно, что вращающий момент пропорционален току в обмотке. Под действием M_вр подвижная часть механизма вместе со стрелочным указателем поворачивается на некоторый угол α, который с учетом (18.10) и (18.11) тоже пропорционален току I: , (18.14)

где - чувствительность ИМ по току, величина постоянная, не зависящая от тока.

При перемещении алюминиевого каркаса обмотки в магнитном поле в нем возникают индукционные токи, которые тоже взаимодействуют с магнитным полем. В результате появляется момент успокоения , то есть алюминиевый каркас является магнитоиндукционным успокоителем.

Магнитоэлектрические приборы, в которых используются магнитоэлектрические ИМ, применяют для измерения постоянных токов и напряжений, а также в качестве измерителей сопротивлений и гальванометров.

Магнитоэлектрические вольтметры и амперметры характеризуются высокой точностью (высший класс точности 0,1), равномерностью шкалы, сравнительно малым собственным потреблением энергии, устойчивостью к воздействию внешнего магнитного поля.

Магнитоэлектрические ИМ применяют также в стрелочных приборах переменного тока. Но поскольку эти ИМ могут работать только на постоянном токе, для измерений в цепях переменного тока промышленной частоты и более высоких частот их используют в сочетании с различными преобразователями переменного тока в постоянный ток. Это позволяет получить приборы переменного тока, обладающие достаточной чувствительностью для измерений малых токов и напряжений. К таким приборам относятся выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы.

12