12. Электромагнитные измерительные механизмы и приборы.

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижнымферромагнитным сердечником.

Электромагнитный механизм состоит из: катушки; сердечника, укреплённого на оси прибора; воздушного успокоителя; спиральной пружины, создающей противодействующий момент.

При включении прибора под действием магнитного поля катушки сердечник втягивается внутрь катушкию Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружинкой.

Уравнение преобразования для электромагнитного ИМ имеет вид: α=, гдеL – индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником; I – сила постоянного токи или действующее значение переменного тока.

Таким образом, электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепяхпеременного тока, на постоянном токе.

К недостаткам приборов можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей.

Приборы элетромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для работы на повышенных частотах. Выпускаются также переносные приборы электромагнитной системы классов точности 0,5 и 1,0 для измерения в лабораторных условиях.

12. Электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы и приборы

Устройство и принцип действия электродинамического ИМ

Работа измерительных механизмов электродинамической системы основана на взаимодействии магнитных полей двух катушек с токами: неподвижной и подвижной. Подвижная катушка, укреплённая на оси или растяжках, может поворачиваться внутри неподвижной.

При протекании в обмотках катушек токов I1 и I2 возникают электромагнитные силы, стремящиеся так повернуть подвижную часть, чтобы магнитные потоки подвижной и неподвижной катушек совпали.

Неподвижная катушка обычно выполняется из двух одинаковых частей, разделённых воздушным зазором. Неподвижная и подвижная катушки механизма обычно бескаркасные. Для подвода тока к подвижной катушке используются спиральные пружины или растяжки. Применяются стрелочные или световые указатели.

При работе электродинамического механизма на постоянном токе оказывают влияние постоянные магнитные поля. Если же ИМ применяется в цепи переменного тока, то возникает погрешность от действия переменных магнитных полей той же частоты, что и частота тока в катушках. Для защиты от влияний внешних магнитных полей применяется экранирование, т.е. ИМ помещают внутри одного или двух экранов из ферромагнитного материала.

Уравнение преобразования доя электродинамического ИМ, работающего на переменном токе имеет вид: α=I₁I₂cosψ, где М₁₂ – взаимная индуктивность между катушками; ψ – угол сдвига фаз между точками в кутушках. При протекании по катушкам постоянных токов уравнение преобразования можно представить:

α=I₁I₂.

Основными достоинствами электродинамических механизмов являютсяодинаковые показания на постоянном и переменном токе, что позволяет с большей точностью градуировать их на постоянном токе, а также стабильность показаний во времени, они не содержат ферромагнитных сердечников.

Выпускают лабораторные многопредельные приборы высоких классов точности 0,5; 0,2; 0,1 для измерений на постоянном токе и переменном токе.

Недостатки механизмов: невысокая чувствительность, большое собственое потребление мощности, чувствительность к перегрузкам.

Ферродинамические ИМ

Принцип действия ферродинамических ИМ не отличается от электродинамических. Механизмы ферродинамической системы отличаются тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого листового материала.

Неподвижная катушка, состоящая из двух половин, расположкна на двух стержнях магнитопровода, между концами которого укреплён цилиндрический сердечник. Обе части магнитопровода выполняются из листовой стали. В воздушном зазоре помещается подвижная катушка, укреплённая на одной оси со стрелкой. Подвижная катушка вполняется без каркаса во избежание появления в нём индуктированных токов.

Взаимодействие тока подвижной катушки с магнитным полем в воздушном зазоре, создаёт вращающий момент, который пропорционален произведению токов катушек и косинуса угла сдвига фаз между ними.

Значительное увеличение вращающего момента даёт возможность увеличить вес подвижной части без увеличения погрешности от трения и обеспечивает возможность получения прочной подвижной части.

Большая магнитная индукция в воздушном зазоре делает показания прибора практически независимыми от внешних магнитных полей.

С другой стороны, применение стали влечёт за собой появление составляющих основной погрешности от гестерезиса и вихревых токов.

Амперметры и вольтметры электродинамической и ферродинамической системы

У электродинамических амперметров для токов до 0,5 А неподвижная и подвижная катушки соединяются последовательно. Весь измеряемый ток при этом проходит через подвижную и неподвижную катушки, поэтому угол ψ=0, и уравнение имеет вид: α=I².

У амперметров на токи от 0,5 А и выше катушки соединяются параллельно и уравнение имеет вид: α=I².

Следовательно, у механизмов амперметров угол отклонения подвижной части зависит от квадрата измеряемого тока I² и производной .

У электродинамических вольтметров неподвижная и подвижная катушки соединены последовательно вместе с добавочным резистором их манганина. Если ток полного отклонения I=U/Z_в, где Z_в – полное сопротивление вольтметра, получим: α=, т.е. характер шкалы у вольтметра такой же как и у амперметра.

Для получения шкалы, близкой к равномерной, у амперметров и вольтметров размеры подвижной катушки выбирают так, чтобы она находилась в практически равномерном магнитном поле.

Ваттметры электродинамической и ферродинамической системы

Электродинамический (ферродинамический) ИМ позволяет построить прибор для измерения активной мощности – ваттметр. В этом случае неподвижную катушку включают последовательно с нагрузкой с сопротивлением Z_н, мощность которой измеряется.

Подвижная катушка с добавочным сопротивлением R_д включается параллельно нагрузке. Цепь неподвижной катушки называют последовательной цепью 9токовой обмоткой), а цепь подвижной катушки – параллельной цепью (обмоткой напряжения).

При таком включении I₁=I_н; I₂=, гдеZ_U – полное сопротивление параллельной цепи.

Из треугольника сопротивлений для параллельной цепи: Z_U=, гдеR_U – активное сопротивление обмотки напряжения; γ – угол сдвига фаз между током и напряжением, следовательно I₂=

α= I_нcosψcosγ. Через чувствительность: α=S_pUI_Hcosφ=S_pP. Шкала такого прибора равномерная.