2.2.2. Приборы электромагнитной системы
П
риборы
электромагнитной системы (обозначаются
знаком ) предназначены для измерения
силы тока и напряжения в цепях переменного
и постоянного тока.
Принцип действия приборов электромагнитной
системы основан на взаимодействии
магнитного поля неподвижной катушки
1, по которой протекает измеряемый ток,
и подвижного железного (ферромагнитного)
сердечника 2 (рис. 2). Сердечник имеет
форму лепестка и эксцентрично закреплен
на оси О. С этой же осью жестко соединены
указательная стрелка 3, спиральная
пружинка 4, обеспечивающая противодействующий
момент, и поршень 5 успокоителя. Ток
в
витках обмотки 1 образует магнитный
поток, сердечник 2 намагничивается и
втягивается в обмотку. При этом ось
поворачивается и стрелка прибора
отклоняется на угол
.
Магнитная индукция
в
сердечнике (при отсутствии насыщения)
пропорциональна току обмотки. Сила
,
с которой сердечник втягивается в
обмотку, зависит от тока и магнитной
индукции в сердечнике. Приближенно
можно принять, что сила
,
а следовательно, и обусловленный ею
вращающий момент пропорциональны
квадрату тока в катушке:
и
.
Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу :
.
В связи с этим угол отклонения стрелки находится в квадратичной зависимости от тока:
,
поэтому шкала прибора оказывается неравномерной.
Рисунок 2. Устройство электроизмерительного прибора электромагнитной системы
С изменением направления тока меняется как направление магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника. Поэтому такие приборы применяются для измерения как на постоянном, так и на переменном токе низких частот.
Для успокоения подвижной части прибора обычно применяют воздушный демпфер. Он состоит из цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси . Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечивает быстрое успокоение стрелки.
Достоинствами приборов электромагнитной системы являются: простота конструкции и, как следствие, низкая цена, пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока, надежность в эксплуатации (механическая прочность и выносливость в отношении перегрузок). К недостаткам относятся неравномерность шкалы, меньшая точность, чем у приборов магнитоэлектрической системы, влияние внешних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что индукция магнитного поля катушки мала.
2.2.3. Приборы электродинамической системы
П риборы электродинамической системы (обозначаются знаком ) предназначены для измерения силы тока, напряжения и мощности в цепях переменного и постоянного тока.
Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии катушек, по которым протекает ток: неподвижной 1 и подвижной 2 (рис. 3).
Подвижная катушка укреплена на оси
и расположена внутри неподвижной
катушки. На оси
,
помимо подвижной катушки, укреплены
указательная стрелка 3 и спиральные
пружинки
и
,
через которые подводится ток к обмотке
катушки 2. Эти же пружинки создают
противодействующий момент
,
пропорциональный углу закручивания
:
.
Ток
подвижной катушки взаимодействует с
магнитным потоком
неподвижной катушки. При постоянном
токе сила
,
действующая на проводники подвижной
катушки, пропорциональна току и магнитному
потоку
.
Поскольку поток
пропорционален току
неподвижной катушки, вращающий момент,
действующий на подвижную катушку,
пропорционален произведению токов
катушек:
,
где
и
- коэффициенты пропорциональности.
Рисунок 3. Устройство электроизмерительного прибора электродинамической системы.
При равенстве моментов
подвижная катушка поворачивается на
угол
и
стрелка указывает на шкале числовое
значение измеряемой электрической
величины:
.
При
(катушки
соединены последовательно)
,
следовательно, шкала прибора
неравномерная. Для успокоения подвижной
части прибора используют воздушные
демпферы.
При перемене направления тока в обеих катушках направление вращающего момента не меняется. Отсюда следует, что приборы данной системы пригодны для измерений как на постоянном, так и на переменном токе.
В электроизмерительной практике для
измерения потребляемой в цепи мощности
применяется электродинамический
ваттметр. Он состоит из двух катушек:
неподвижной, с небольшим числом витков
толстой проволоки, включенной
последовательно с тем участком цепи, в
котором требуется измерить потребляемую
мощность, и подвижной, содержащей большое
число витков тонкой проволоки и
закрепленной на оси внутри неподвижной
катушки. Подвижная катушка включается
в цепь подобно вольтметру, т.е. параллельно
нагрузке потребителю
,
и для увеличения ее сопротивления
последовательно с ней вводится добавочное
сопротивление
(рис. 4).
Рисунок 4. Схема прибора электродинамической системы для измерения мощности.
Пусть ток в первой катушке
,
во второй
.
По закону Ома напряжение на зажимах
нагрузки равно:
,
откуда
.
Подставив значение в выражение для угла отклонения стрелки , получим
,
где
,
а
.
Таким образом, отклонение подвижной части пропорционально мощности, выделяемой на нагрузке, и поэтому шкалу прибора можно проградуировать в ваттах. Ваттметр этой системы имеет равномерную шкалу.
Достоинствами приборов электродинамической системы являются: возможность измерения как на постоянном, так и на переменном токе, хорошая точность. К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы у амперметров и вольтметров, чувствительность к внешним магнитным полям, большая чувствительность к перегрузкам. Электродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом в качестве контрольных приборов для измерений в цепях переменного тока.