6.4. Магнитные и магнитоэлектрические чувствительные элементы

Магнитные чувствительные элементы (постоянные магниты) широко применяют в навигационных приборах (магнитные компасы, тахометры., моментные датчики и др.), а также в электроизмерительных приборах и реле. Постоянный магнит представляет собой предварительно намагни­ченное тело из магнитотвердого материала. В нем создается стабиль­ный магнитный поток, величина которого практически не зависит от времени, колебаний температуры, вибраций, внешних магнитных полей. Для использования магнитной энергии постоянные магниты создают с воздушным зазором (рис.11).

Рис. 11. Схема кольцевого постоянного магнита с воздушным зазором

Обозначения: В_d - индукция; Н_d - напряженность магнитного поля; 1м - длина (по оси) магнита; Sм - площадь попе­речного сечения; δ -воздушный зазор; Ф_у - магнитный поток утечки; Фк - магнитный поток рассеяния; Ф_р - магнитный поток зазора.

При подборе параметров постоянного магнита необходимо учиты­вать влияние побочных магнитных потоков Фк и Фр. Это влияние учи­тывается коэффициентом рассеяния δ:

δ = ,

Величину δ обычно принимают равной от 2 до 5.

Магнитоэлектрические чувствительные элементы широко применяют для преобразования тока I или напряжения U в усилие Q или момент М. Наиболее распространены в номенклатуре приборов магнитоэлектри­ческие гальванометры и логометры. Гальванометр (рис.12.) состоит из неподвижного магнита NS и подвижной рамки, имеющей ширину b.

Рис. 12. Магнитоэлектрический гальванометр

Эта рамка укреплена на спиральных пружинах, через которые пропускается электрический ток I. Вращающий момент рамки определя­ется по формуле:

М = ,

где В - магнитная индукция;

I - ток;

S = в 1 - активная площадь рамки; в - ширина;

1 - длина

W - число витков рамки.

Преимуществами чувствительных магнитоэлектрических элементов по сравнению с постоянными магнитами являются: высокая чувстви­тельность, точность измерений, линейность характеристик. Недостат­ки - сложность конструкции и непригодность для непосредственного измерения переменного тока.

7. Измерительные схемы, системы и комплексы

7.1. Измерительные схемы

В большинстве случаев датчики состоят из двух частей: 1 - чувствительного элемента, воспринимающего величину измеряемого па­раметра и 2 - преобразователя величины измеряемого параметра в дру­гую величину, например, электрическую (электрическое сопротивление, силу тока, напряже­ние, емкость и самоиндукцию). Поэтому схемы включения датчиков в измерительные устройства также немногочисленны.

В простых схемах датчик непосредственно включается в усилитель. В других случаях могут применяться три измерительных схемы; мостовая, дифференциальная и компенсационная.

Мостовые схемы применяются на постоянном или на переменном токе. Схема на постоянном токе (рис. 13 ) включает постоянные соп­ротивления плеч моста R₁, R₂ ,R₄, выходное сопротивление датчика R₃, а также установочное сопротивление R_Y, включенное в диагональ мос­та вместе с источником постоянного тока с напряжением Uо. В данном случае в схему включен гальванометр с выходным током моста 1 и выходным напряже­нием U_вых. На схеме: I - ток от батареи, i₁ и i₂ - ток в ветвях мос­та. По этой схеме измерение сопротивления одного плеча (в данном случае R₃) компенсируется изменением сопротивления другого плеча (Rу).

Мостовая схема, работающая на переменном токе вместо источни­ка постоянного тока с установочным сопротивлением Н_у содержит трансформатор.

Дифференциальная схема (рис.14) представляет собой электри­ческую цепь, состоящую из двух смежных контуров, в каждом из которых действует отдельное напряжение.

Рис. 13 . Мостовая измерительная схема на постоянном токе

Рис.14 . Дифференциальная измерительная схема

Схема включает выходное сопротивление датчика Z, полное соп­ротивление плеча Zо, трансформатор с вторичным напряжением Uо, гальванометр с сопротивлением Z_Т и выходным напряжением U_вых. На схеме: i - ток в гальванометре, i₁ и _.i₂ - токи в сопротивлениях.

Дифференциальные схемы широко используют на переменном токе в измерительных устройствах с индуктивными датчиками.

Компенсационная схема приведена на рис. 15.

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемое напря­жение какого-либо датчика уравновешивают равным и противоположным по знаку падением напряжения, величина которого может быть опреде­лена с высокой точностью. Схема состоит из образцовых резисторов Ко и К₁ реостата К₂ переключателя S нормального элемента G_h и источника питания U. Для контроля в схему включен нормальный эле­мент Р1 с неизменным напряжением и сопротивлением. Схема позво­ляет измерять сопротивление r, не меняя общего сопротивления R₁.

Рис. 15 . Компенсационная измерительная схема