8.2. Основні відомості про будову вимірювальних приладів

Магнітоелектричний механізм (амперметри, вольтметри) базується на використанні взаємодії магнітного поля постійного магніту та рухомої котушки зі струмом. На рис. 8 Л наведена спрощена схема пристрою магнітоелектричного механізму.

При протіканні струму по котушці 2 внаслідок взаємодії з полем постійного магніту створюється обертальний момент:

(8.4)

де: – коефіцієнт, який враховує конструктивні параметри приладу;

І – струм, який протікає по котушці.

Таким чином, у магнітоелектричних приладів наявна лінійна залежність обертального моменту від струму, що протікає по котушці, що зумовлює лінійну (рівномірну) шкалу приладу.

Рис. 8.1

На рис. 8.1 введені позначення:

1. – постійний магніт або нерухома котушка зі струмом;

2. – рухома котушка зі струмом, виконана із тонкого ізольованого проводу;

3. – напівосі або розтяжки для кріплення рухомої котушки;

4. – протидіючі спіральні пружини, які створюють протидіючий обертальний момент;

5. – керни (бази) для опори напівосей 3.

У приладі обертального моменту протидіє момент опору, який створюється спіральними пружинами 4:

(8.5)

Рухома система і зв'язана з нею стрілка приладу (на рис. 8.1 вона не показана) встановлюються в положення, при якому виконується умова (8.5) і, таким чином, по шкалі приладу зчитується значення струму, який протікає по його котушці. Відмітимо, що доволі часто через протидіючі пружини здійснюється підведення струму до рухомої котушки.

Для вимірювання струмів і Напруг у колах постійного та змінного струму широко використовуються стрілкові прилади електромагнітної системи. На рис. 8.2 наведена спрощена схема будови електромагнітного механізму.

Рис. 8.2

На рис. 8.2 уведені позначення:

1. – нерухома котушка (електромагніт), якою пропускається вимірюваний струм;

2. – вісь приладу;

3. – стальна нерухома феромагнітна пластина;

4. – рухома феромагнітна пластина, з одного кінця прикріплена до осі 2;

5. – протидіюча спіральна пружина, яка створює протидіючий момент;

6. – керни (бази) для опори осі 2.

При протіканні струму по котушці 1 пластини 3 та 4 одна­ково намагнічуються і намагаються відштовхуватися одна від одної. Але, оскільки пластина 3 закріплена нерухомо, а пластина 4 має можливість повертатися, то при цьому вона повертає вісь 2 приладу. Обертальний момент у такій системі пропорційний струмув квадраті:

(8.6)

де: – коефіцієнт, який враховує конструктивні параметри приладу;

а; I – струм, який протікає по котушці. Таким чином, у електромагнітних приладів наявна квадратична залежність обертального моменту від струму по котушці, що зумовлює нелінійну (квадратичну) шкалу приладу, а початкова частина шкали є неробочою.

У приладі обертальному моменту протидіє момент опору, який створюється протидіючою пружиною 5:

(8.7)

Рухома система та зв'язана з нею стрілка приладу (вона на рис. 8.2 не показана) встановлюються в положення, при якому виконується умова (8.7). Таким чином, є можливість за шкалою приладу визначити значення струму, який протікає котушкою.

Рис. 8.3

З електромеханічних вимірювальних приладів розглянемо принцип дії електродинамічних приладів. На рис. 8.3 наведена схема пристрою електродинамічного механізму, де:

1. нерухома котушка (розділена на дві секції);

2. рухома котушка (жорстко зв'язана з віссю 4 приладу);

3. протидіюча пружина;

4. вісь приладу, зв'язана зі стрілкою, яка на рис. 8.3 не позначена;

5. керни (бази) для опори осі 4.

В електродинамічних механізмах вимірювальних приладів використовується явище взаємодії двох котушок зі струмом. При цьому створюється обертальний момент і, оскільки одна з котушок разом з віссю приладу має можливість обертатися, то стрілочний механізм, жорстко зв'язаний з віссю (він на рис. 8.3 не показаний), вказує на шкалі вимірювану електричну величину. Це може бути струм або напруга, або електрична потужність. Обертальний момент пропорційний не тільки струмам, які протікають нерухомою та рухомою котушками, а також залежить і від кута між цими струмами. Наприклад, якщо електродинамічний прилад використовується як ватметр, то він дає показання активної потужності змінного струму:

(8.8),

де – кут зсуву за фазою між напругою і струмом.

Як і в попередніх конструкціях, протидіюча пружина 3 створює протидіючий обертальному момент, і завдяки цьому відхилення рухомої частини приладу залежить від параметрів вимірюваної величини (струму, напруги, потужності).

Слід відмітити, що електродинамічний ватметр є "полярним" приладом, оскільки при зміні напряму струму в одній з його обмоток відхилення рухомої частини приладу змінюється на протилежне. Тому виводи обмоток потрібно суворо контролювати при підключенні ватметра в схему, тобто позначати початки та кінці котушок. Якщо ж стрілка приладу упреться в лівий обмежувальний упор, то необхідно перемкнути виводи однієї з котушок. Як правило, перемикають котушку напруги вольтметра за допомогою перемикача на панелі приладу.

Відмітимо, що шкала приладу електродинамічної системи в принципі нелінійна, проте застосовуються конструкторські прийоми, які дають змогу суттєво зменшити нелінійність шкали приладу.