![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov
.pdf![](/html/2706/277/html_R0ZR73IRQg.jGK4/htmlconvd-FhGyeh281x1.jpg)
Более детально затронутые вопросы рассмотрены в литературных источ-
никах [1; 2; 5; 8; 35; 36].
17.2. Магнитоэлектрические приборы
Приборы магнитоэлектрической системы основаны на использовании взаимодействия поля постоянного магнита и катушки (рамки), обтекаемой электрическим током. Конструктивно магнитоэлектрические приборы могут быть выполнены с подвижной рамкой и с подвижным магнитом. Наибольшее распространение получили приборы с подвижной рамкой и внешним постоянным магнитом. Устройство такого прибора схематически показано на рис. 17.2.
|
Рис. 17.2. Схема магнитоэлектрического прибора с подвижной рамкой: |
|||
1– рамка; |
(+•) – направление тока в обмотках рамки; |
|||
2 |
– обмотка рамки; |
(F–F) – пара сил, действующих на рамку; |
||
3 |
– спиральная пружина; |
(N–S) – полюсные наконечники постоянного маг- |
||
4 |
– ферромагнитный сердеч- |
нита; |
||
α – угол поворота подвижной части; |
||||
ник; |
|
|
|
|
5 |
– магнитный шунт; |
|
|
– магнитная индукция; |
B |
||||
6 |
– стрелка; |
c/2 – половина ширины рамки |
Постоянный магнит с магнитопроводом и полюсными наконечниками (на рис. 17.2 изображены только полюсные наконечники N–S) создает в воздушном зазоре магнитное поле с индукцией B . Благодаря цилиндрическому сердечнику 4 индукция в воздушном зазоре радиальная и равномерная за исключением поля на краях полюсных наконечников («краевой эффект»). На рис. 17.2 краевой эффект (для наглядности) несколько преувеличен. В достоверности искажение магнитного поля на краях полюсных наконечников меньше показанного на
281
схеме. Магнитный шунт 5 служит для регулировки значения магнитной индукции в некоторых пределах (от 5 до 10 %), что позволяет изменять пределы измерения прибора. Магнитопровод, полюсные наконечники и магнитный шунт изготовляются из магнитомягкого материала.
Стрелка 6 жестко связана с рамкой 1. Спиральная пружина 3 служит для создания момента, противодействующего повороту рамки и стрелки. На рис. 17.2 показана одна спиральная пружина. В реальных приборах спиральных пружин две (или несколько), и они служат не только для создания противодействующего момента, но и для токоподвода к обмотке рамки. Рамка имеет прямоугольную форму. Ширина рамки – «с», ее длина – «b». При протекании по обмотке рамки постоянного тока I происходит его взаимодействие с магнитным полем и возникает пара сил «F–F», стремящихся повернуть рамку. Направление действия сил определяется правилом левой руки. Оно зависит от направления индукции магнитного поля и направления тока (направление индукции показано на рис. 17.2 стрелками, направление тока «от нас» показано знаком «+», направление тока «к нам» показано знаком «•». Значение каждой из сил F определяется соотношением
|
F = B·I·w |
|
(17.1) |
|||
где w – число витков обмотки рамки. |
|
|
|
|
||
Каждая из сил F действует на плече «с/2». Вместе силы «F–F» создают |
||||||
вращающий момент: |
|
|
|
|
|
|
−Mвр. |
= F |
c |
+ F |
c |
= F c |
(17.2) |
|
|
|||||
|
2 |
2 |
|
|
где с – ширина рамки.
ВращающиймоментуравновешиваетсяпротиводействующиммоментомМпр:
−Mпр. = D α |
(17.3) |
где D – удельный противодействующий момент;
α– угол поворота подвижной части прибора.
Вмомент считывания показаний Мвр = Мпр, т. е. можно записать:
F·c = D·α |
(17.4) |
282
![](/html/2706/277/html_R0ZR73IRQg.jGK4/htmlconvd-FhGyeh283x1.jpg)
B · w · b · c · I |
= D · α |
(17.5) |
||
Решая уравнение (17.5) относительно α, получаем |
|
|||
α = |
1 |
B w |
b c I , |
|
D |
(17.6) |
|||
k1 |
= |
B w b c |
(17.7) |
|
|
|
D |
, |
|
|
|
α = k·I |
(17.8) |
Полученное выражение (17.8) носит название «уравнение шкалы». Согласно уравнению шкалы угол отклонения подвижной части приборов магнитоэлектрической системы пропорционален току, протекающему по обмотке рамки. Коэффициент пропорциональности kl (см. (17.7)) называется чувствитель-
ностью по току.
Значение kl является величиной постоянной, зависящей от конструктивных параметров измерительного механизма и не зависящей от измеряемого тока I. Поэтому шкалы магнитоэлектрических приборов равномерны. Изменение направления тока ведет к изменению направления угла отклонения подвижной части прибора.
Приборы магнитоэлектрической системы могут использоваться как для измерения постоянных токов, так и для измерения постоянных напряжений. При измерении постоянного напряжения уравнение шкалы (см. (17.8)) принимает вид
(17.8а)
где k2 – постоянный коэффициент, характеризующий чувствительность по на-
пряжению;
U – измеряемое напряжение.
При измерении постоянных токов и напряжений рассматриваемые магнитоэлектрические приборы являются самыми чувствительными и точными среди электромеханических приборов. Температура окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Равномерный характер шкалы и
283
малое потребление энергии также являются достоинствами этих приборов. Магнитоэлектрические приборы реагируют только на постоянную составляющую измеряемого тока или напряжения. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменных величин в постоянные. К недостаткам этих приборов следует отнести их малую перегрузочную способность (сгорают токоподводы). Знак приборов магнитоэлектрической системы, наносимой на шкалу, приведен в прил. 4.
На основе магнитоэлектрических механизмов строятся приборы для измерения постоянных токов (амперметры), постоянных напряжений (вольтметры), электрических сопротивлений (омметры), малых токов и напряжений (гальванометры), количества электричества (баллистические гальванометры) и т. п.
Дополнительные сведения по затронутым вопросам приведены в литера-
туре [1; 2; 5; 8; 35].
17.3. Электромагнитные приборы
Приборы электромагнитной системы основаны на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. В настоящее время находят применение электромагнитные механизмы с плоской катушкой и механизмы с круглой катушкой.
Схема, поясняющая принцип работы приборов электромагнитной системы, приведена на рис. 17.3.
При протекании тока I по катушке 1 создается магнитное поле, под действием которого сердечник 2 втягивается внутрь катушки. Благодаря тому, что сердечник выполнен из магнитомягкого материала, он втягивается в катушку независимо от направления тока (и соответственно независимо от полярности приложенного к катушке напряжения U). С сердечником 2 жестко связаны пружина 3 и стрелка (указатель) 4.
Пружина создает противодействующий момент, а стрелка позволяет проводить отсчет показаний по шкале 5.
Для быстрейшего «успокоения» подвижной части прибора используются
специальные успокоители (обычно воздушные). Успокоители на рис. 17.3 не
284
![](/html/2706/277/html_R0ZR73IRQg.jGK4/htmlconvd-FhGyeh285x1.jpg)
показаны. Возможные конструкции успокоителей приведены, например, в [1; 2]. Рассмотренные ранее магнитоэлектрические приборы в специальных успокоителях не нуждались. Необходимое «успокоение» подвижной части этих приборов достигалось за счет взаимодействия вихревых токов, наводимых в рамке устройства, с магнитным полем.
Рис. 17.3 Схема прибора электромагнитной системы:
1 – катушкасчисломвитковw ииндуктивностьюL; 2 – ферромагнитный сердечник (из магнитомягкого материала); 3 – пружина (с удельным противодействующим моментом D); 4 – стрелка; 5 – шкала
Положение подвижной части прибора электромагнитной системы в установившемся режиме можно определить из условия равенства вращающего и противодействующего моментов.
Согласно законам механики выражение для «вращающего» момента имеет вид
M = dW |
, |
(17.9) |
dx |
|
|
где М – «вращающий» момент, перемещающий подвижную часть устройства; W – электрокинетическая энергия;
х– координатаподвижнойчастиустройства.
285
![](/html/2706/277/html_R0ZR73IRQg.jGK4/htmlconvd-FhGyeh286x1.jpg)
![](/html/2706/277/html_R0ZR73IRQg.jGK4/htmlconvd-FhGyeh287x1.jpg)
|
|
|
1 |
|
|
2 |
dL |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
m(t) = 2 |
[i(t)] |
|
dα , |
|
|
|
|
(17.17) |
|||
|
|
|
|
T T∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
M = |
1 |
|
1 |
m(t)dx . |
|
|
|
|
(17.18) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Подставляя B (17.18) значение m(t), получаем |
|
|
|
|||||||||||
M cр = |
1 |
T 1 |
[i(t)]2 dL dt = 1 |
dL |
|
1 |
T [i(t)]2 dt |
. |
(17.19) |
|||||
|
T |
∫0 2 |
dα |
|
2 |
dα |
|
T |
∫0 |
Среднее значение вращающего момента (на которое реагирует прибор) с учетом (17.16) принимает вид
M cр |
= |
1 |
I 2 |
dL |
(17.20) |
|
|
2 |
|
dα . |
Учитывая, чтовустановившемсярежимеМср = Мпр, можнозаписать:
1 |
I |
2 |
|
dL |
= D α . |
(17.21) |
2 |
|
α |
||||
|
|
|
d |
|
|
Решая (17.21) относительно α, окончательно получим
α = |
1 |
I |
2 |
|
dL |
|
2D |
|
dα , |
(17.22) |
где I – действующее значение переменного тока.
Выражение (17.22) носит название «уравнение шкалы» (или «уравнение преобразования») приборов электромагнитной системы на переменном токе.
Полученные соотношения (17.14) и (17.22) позволяют сделать вывод о нелинейности шкалы рассматриваемых приборов. Начало и конец шкалы сжаты (особенно начало). В результате до 10 % шкалы в ее начале вообще не используется. Середина шкалы имеет благоприятный равномерный характер.
На основе электромагнитных механизмов строятся приборы для измерения постоянных и переменных токов (амперметры), постоянных и переменных напряжений (вольтметры) и резонансные (вибрационные) частотомеры.
К достоинствам приборов электромагнитной системы относят: простоту конструкции, низкую стоимость, надежность, способность выдерживать боль-
287
![](/html/2706/277/html_R0ZR73IRQg.jGK4/htmlconvd-FhGyeh288x1.jpg)
шие перегрузки и универсальность (возможность использования в цепях постоянного и переменного тока).
К недостаткам этих приборов следует отнести: большое собственное потребление энергии, сравнительно малые чувствительность и точность, сильное влияние внешних магнитных полей. Последнее обстоятельство вынуждает применять специальные методы защиты (магнитные экраны и астазирование).
Приборы электромагнитной системы применяют обычно как щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты (с классами точности 1,5 и 2,5). В отдельных случаях они используются на повышенных частотах (до нескольких сотен и даже тысяч герц). Эти приборы могут также использоваться как лабораторные переносные приборы классов точности
0,5 и 1,0.
Знак приборов электромагнитной системы, наносимый на шкалу, приведенв прил. 4. Приборы описаны в литературе [1; 2; 5; 8; 35].
17.4. Электродинамические приборы
Приборы электродинамической системы основаны на взаимодействии магнитных полей двух неподвижных и одной подвижной катушек, по которым протекает ток.
Схема, поясняющая принцип работы приборов электродинамической системы, приведена на рис. 17.4.
Рис. 17.4. Схема приборов электродинамической системы:
1 – неподвижные катушки; 2 – подвижная катушка; 3 – спиральная пружина; 4 – стрелка; 5– шкала; α – уголповоротаподвижнойчастиприбора
288
![](/html/2706/277/html_R0ZR73IRQg.jGK4/htmlconvd-FhGyeh290x1.jpg)
α = |
1 |
I1 I 2 |
dM |
(17.27) |
D |
α . |
|||
|
|
d |
|
Полученное выражение (17.27) носит название «уравнение шкалы» (или «уравнение преобразования») приборов электродинамической системы на по-
стоянном токе. |
|
Рассмотрим работу приборов на переменном токе: |
|
i1 = I1m sinωt , |
(17.28) |
i2 = I2m sin(ωt −ϕ) , |
(17.29) |
где i1, i2 – мгновенные значения токов; |
|
I1m, I2m – амплитудные значения токов; |
|
φ – фазовый сдвиг между токами i1 и i2. |
|
Мгновенное значение вращающего момента: |
|
m(t) = i1 (t) i2 (t) dM |
(17.30) |
dα . |
Среднее значение вращающего момента, на которое реагирует прибор:
|
T |
∫0 |
|
M cp = |
1 |
T m(t)dt . |
(17.31) |
|
Подставляя в (17.31) значение величины m(t), определяемое соотношением (17.30), получим
Mcp = |
1 |
T |
I1m sin ωt I2m sin(ωt −φ) dM |
, |
(17.32) |
||
T |
∫0 |
||||||
|
|
dα |
|
|
|||
|
|
|
M cp = I1 I 2 |
cosϕ dM |
|
(17.33) |
|
|
|
|
|
dα , |
|
где I1, I2 – действующие значения токов.
Приравняв значение Мср значению противодействующего момента Мпр, определяемого соотношением (17.25), и решив полученное равенство относительно угла поворота α, получим
α = |
1 |
I1I2 |
cosϕ dMα . |
(17.34) |
|
D |
|
d |
|
|
|
290 |
|