3 Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы

Принцип работы основан на взаимодействии тока, протекающего по обмотке подвижной катушки, с магнитным полем постоянного магнита.

Измерительный механизм прибора магнитоэлектрической системы состоит из двух частей.

Неподвижная часть состоит из постоянного магнита 1, его полюсных наконечников 2 и неподвижного сердечника 3. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником существует сильное магнитное поле.

Подвижная часть измерительного механизма состоит из легкой рамки 4, обмотка которой навивается на алюминиевый каркас, и двух полуосей 5, неподвижно связанных с каркасом рамки. Концы обмотки припаяны к двум спиральным пружинам 6, через которые в рамку подводится измеряемый ток. К рамке прикреплены стрелка 7 и противовесы 8.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником устанавливается рамка. Ее полуоси вставляются в стеклянные или агатовые подшипники.

При прохождении тока по обмотке рамки последняя стремится повернуться, но ее свободному повороту противодействуют спиральные пружины. И тому углу, на который рамка все же развернется, оказывается, соответствует определенная сила тока, который протекает по обмотке рамки. Иными словами, угол поворота рамки пропорционален силе тока. Фиксируют угол поворота рамки по стрелке, которая к рамке жестко прикреплена. Так как угол поворота стрелки пропорционален силе тока, то шкала измерительного прибора магнитоэлектрической системы равномерная.

У амперметров и вольтметров измерительные механизмы в принципе одинаковы. Их отличие заключается лишь в электрическом сопротивлении рамок. У амперметра сопротивление рамки значительно меньше, чем у вольтметра.

Устройство и принцип действия. Магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 321,а) выполнен в виде постоянного магнита 1, снабженного полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6 (рис. 321,б). Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками. Через эти же пружины или растяжки осуществляется подвод тока к катушке.

При прохождении тока I по катушке на каждый из ее проводников будет действовать электромагнитная сила. Суммарное действие всех электромагнитных сил создает вращающий момент М, стремящийся повернуть катушку и связанную с ней стрелку при бора на некоторый угол ?. Так как индукция В магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, неизменна и не зависит от тока I, то

M = c₁I (93)

где c₁ — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров данного прибора (числа витков катушки, ее размеров, индукции В в воздушном зазоре).

Повороту подвижной части измерительного механизма препятствует противодействующий момент М_пр, создаваемый спиральными пружинами или растяжками. Этот момент пропорционален углу закручивания, т. е. углу поворота ? подвижной части; при этом

М_пр= c₂i (94)

где c₂ — постоянная величина, зависящая от жесткости спиральных пружин или растяжек.

Поворот подвижной части измерительного механизма и стрелки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент М, создаваемый током I, не уравновесится противодействующим моментом М_пр. В момент равновесия М = М_пр, откуда получим:

φ= (c₁/c₂) I = kI (95)

Рис. 321. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма

Следовательно, угол поворота а подвижной части пропорционален измеряемому току I. Поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу.

Постоянная величина к называется чувствительностью прибора, она характеризуется углом поворота стрелки в градусах или в делениях шкалы, приходящимся на единицу изменения измеряемой величины.

Величина, обратная чувствительности, c=1/к называется постоянной прибора, или ценой деления.Если умножить отсчет по шкале на цену деления прибора с, то можно определить значение измеряемой величины. Для устранения колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое электроизмерительные приборы снабжают воздушными или магнитно-индукционными демпферами.

Воздушный демпфер (рис. 322, а) выполнен в виде цилиндрической камеры, внутри которой перемещается крыло 1 в виде поршня, связанного с подвижной системой. При перемещении подвижной части происходит торможение движущегося в камере 2 крыла, и колебания подвижной части быстро затухают.

Магнитно-индукционный демпфер (рис. 322, б) выполнен в виде неподвижного постоянного магнита 3, который при повороте подвижной системы прибора индуцирует вихревые токи в металлическом (алюминиевом) секторе 4, установленном на оси прибора.

Взаимодействие этих токов с магнитом создает согласно правилу Ленца силу, тормозящую подвижную систему и обеспечивающую быстрое затухание колебаний стрелки. В магнитоэлектрических приборах роль демпфера выполняет алюминиевый каркас 6 катушки (см. рис. 321,б). При повороте подвижной части прибора изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас катушки. Благодаря этому в каркасе индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий быстрое успокоение подвижной части.

Для того чтобы любой электроизмерительный прибор обеспечил требуемую точность измерений, необходимо, чтобы отклонение подвижной системы прибора определялось только вращающим моментом, создаваемым катушкой, и противодействующим усилием пружины. Для устранения влияния силы тяжести, создающей погрешности при измерениях, подвижную систему прибора (рис. 323) уравновешивают противовесами 5 (рис. 323, а), представляющими собой стержни с перемещающимися по ним грузиками. Для уменьшения влияния трения оси приборов снабжают тщательно отполированными стальными наконечниками 1, выполненными из материала с высокой износостойкостью (закаленная сталь, вольфрамо-молибденовый сплав и пр.). Наконечники вращаются в подпятниках 4, выполняемых с вкладышами 2 из корунда, агата, рубина и т. п. Зазоры между наконечниками и подпятником регулируются стопорным винтом 3.

Рис. 322. Воздушный (а) и магнитно-индукционный (б) демпферы

Рис. 323. Устройство подвижной части электроизмерительного прибора

Электроизмерительные приборы обычно снабжают корректором — приспособлением, позволяющим устанавливать стрелку в нулевое положение. Корректор состоит из винта 6, выходящего из корпуса, и поводка 7, при помощи которых можно смещать на некоторое расстояние точку закрепления спиральной пружины 8, создающей противодействующее усилие. В большинстве современных электроизмерительных приборов подвижная часть 11 подвешивается на двух растяжках 10 — упругих металлических лентах, которые служат для подвода тока к катушке прибора и одновременно создают противодействующий момент (рис. 323,б). Растяжки прикреплены к двум плоским пружинам 9 и 12, расположенным во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Кроме рассмотренного выше измерительного механизма с внешним (по отношению к катушке) постоянным П-образным магнитом, существуют механизмы с магнитами другой формы (цилиндрической, в виде призмы, а также с внутрирамочными неподвижными и подвижными магнитами).

Применение прибора. Приборы магнитоэлектрической системы применяют для измерения тока и напряжения в электрических цепях постоянного тока. В частности, на э.п.с. и тепловозах их используют в качестве амперметров и вольтметров. В амперметрах и вольтметрах катушка прибора имеет различное сопротивление и включается по различным схемам (см. § 101).

Для уменьшения проходящего по катушке тока и компенсации влияния температуры на показания прибора в вольтметрах последовательно с катушкой включают добавочный резистор, который обычно встраивается в корпус прибора. Сопротивление этого резистора значительно больше сопротивления катушки, и он выполнен из материала, электрическое сопротивление которого весьма мало зависит от температуры (константан, манганин и пр.). В амперметрах параллельно катушке прибора часто включают образцовый резистор, называемый шунтом.

Сопротивление шунта значительно меньше сопротивления катушки прибора, вследствие чего измеряемый ток в основном проходит по шунту. Шунты и добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения приборов.

Из принципа действия магнитоэлектрического прибора следует, что направление отклонения его стрелки зависит от направления тока I, проходящего по катушке. Следовательно, при включении этих приборов в цепь постоянного тока должна быть соблюдена правильная полярность, при которой стрелка отклоняется в требуемую сторону. Для переменного тока магнитоэлектрические приборы непригодны, так как при питании катушки переменным током среднее значение создаваемого ею вращающего момента равно нулю и стрелка прибора будет стоять на нуле, испытывая чуть заметные колебания.

Достоинством приборов магнитоэлектрической системы являются равномерность шкалы, высокая точность и независимость показаний от посторонних магнитных полей. К недостаткам их относятся непригодность для измерения переменного тока, необходимость соблюдения полярности при включении и чувствительность к перегрузкам (при перегрузке тонкая проволока катушки и спиральные пружины, подводящие к ней ток, могут сгореть).

К достоинствам данной системы следует отнести высокую чувствительность и точность, равномерную шкалу, относительно небольшое влияние внешних полей. К недостаткам — невозможность измерения в цепях с переменным током без дополнительных устройств и чувствительность к перегрузкам.

В целях унификации маркировки типономиналов приборов систему, к которой относится измерительный механизм, обозначают следующими буквенными индексами: М — магнитоэлектрическая, Э — электромагнитная, Д — электродинамическая, С — электростатическая.

Для характеристики основных режимов и условий работы электроизмерительных приборов непосредственного отсчета на их шкалах в зонах свободного пространства от рабочей части имеются условные обозначения.

Наиболее употребительные из них приведены в табл. 1.

Таблица 1

Кроме типа измерительной системы, в группе знаков условных обозначений указывают устойчивость прибора к климатическим воздействиям (А — приборы для работы в закрытых сухих, отапливаемых помещениях; Б, B1, Б2, БЗ — для работы в закрытых не отапливаемых помещениях; В, B1, B2, В3 — для работы в полевых и морских условиях), класс точности, величина испытательного напряжения и другие сведения.

В качестве примера на рис. 1 пока дана шкала прибора магнитоэлектрической системы М4200, использующегося в качестве миллиамперметра.

Рисунок 1 -

В левой части внизу указаны тип измерительного прибора и его заводской номер.

В правой — условия применения для измерений в цепях постоянного тока с возможностью работы в полевых условиях и при повышенной влажности; класс точности 2,5; измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением 2 кВ, соответствует требованиям ГОСТу.

О возможном применении прибора для тех или иных измерений можно судить по таким его характеристикам, как класс точности и чувствительность.

По классу точности существуют приборы классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Эти числа выражают основную, наибольшую допустимую, приведенную относительную погрешность приборов.

Наиболее точными являются приборы класса 0,05. Погрешность выражается в процентах относительно максимального значения рабочей части шкалы прибора.

Пример — предел измерения миллиамперметра 100 мА, число делений на шкале 100, класс точности прибора 1 (что соответствует ±1 %). В этом случае разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины может быть не более ± l мА.

Для приборов с двусторонней шкалой, то есть с нулем посередине, погрешность выражается в процентах от суммы конечных значений рабочей части шкалы. Если у второго миллиамперметра с такой же длиной шкалы предельное значение измеряемой величины 10 мА, число делений на шкале токе 100, то для первого прибора на интервал измерения величины в 1 мА приходится одно деление шкалы, а для второго прибора 10.

Это означает, что вторым прибором можно измерять значения параметров с точностью до 0,1, а первым — только до 1 мА, т. е. у второго прибора разрешающая способность выше.

Эта способность измерительного устройства характеризует его чувствительность, которая определяется количеством единиц измеряемой величины, отсчитываемых на одно деление.

К основным электрическим параметрам, определяющим возможность использования прибора для данных условий работы, относятся ток полного отклонения (Iпо), т. е. наибольший ток, при котором стрелка отклоняется до конечной отметки шкалы, и сопротивление рамки прибора (Rп). Значение первого параметра определяется максимальным значением шкалы прибора.

Так, например, если имеется миллиамперметр с конечной отметкой шкалы 100, то это соответствует току полного отклонения 100 мА. Такой прибор можно включать только в те цепи, токи в которых не превышают 100 мА. Величину второго параметра (Rп) часто указывают на шкале прибора.

Если значения параметров для конкретного прибора неизвестны, их нетрудно определить самостоятельно. Для этого потребуется гальванический элемент, образцовый миллиамперметр, переменный резистор с сопротивлением в несколько килоом, дополнительный постоянный резистор (Rд) для ограничения тока в измеряемой цепи.

Сопротивление резистора Rд рассчитывается, исходя из напряжения источника питания и известного тока полного отклонения образцового миллиамперметра, по закону Ома. Исследуемый измерительный прибор (ИП) включается в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.

Рисунок 2

Переменным резистором R регулируют ток в цепи до такого значения, при котором стрелка ИП Р12 установится против конечной отметки шкалы. Значение этого тока, отсчитанное по шкале образцового прибора PI1, и будет током полного отклонения стрелки исследуемого прибора.

Рисунок 3

Для определения сопротивления рамки исследуемого измерительного прибора нужно воспользоваться схемой на рис. 3. Отличается она от предыдущей включением шунта — резистором, подключенным параллельно обмотке рамки (RIU).

В данном случае сопротивление шунта выбрано в пределах 1...6,8 кОм. Изменением его сопротивления добиваются уменьшения показания PI2 вдвое. Затем переменным резистором R по образцовому миллиамперметру РI1 восстанавливают определенное ранее значение тока полного отклонения.

Последовательной неоднократной регулировкой Rш и R добиваются соответствия тока в цепи, равного начальному, т. е. току полного отклонения ИП, а ток непосредственно через ИП должен быть вдвое меньшим. Когда будет достигнуто такое состояние, ток через ИП и Rш становится одинаковым, следовательно, и сопротивления параллельных ветвей тоже одинаковы. Измерив омметром сопротивление рабочей части Rш (по схеме между средним и правым выводами), находим второй неизвестный параметр.

Применение шунтов позволяет расширить пределы показаний миллиамперметра или амперметра (но при этом ухудшаются разрешающая способность, чувствительность при измерениях). Расчет сопротивления шунта производят по формуле  где Кш, Rп — соответственно сопротивления шунта и прибора без шунта, Ом; n — число, показывающее, во сколько раз должен быть увеличен предел измерений.

В зависимости от сопротивления шунта в качестве этого элемента могут быть использованы медный провод на катушке, металлическая пластина, нормализованный (стандартный) резистор с малым допуском отклонения сопротивления. Отечественной промышленностью выпускаются калиброванные наружные шунты (НШ), рассчитанные на определенные номинальные токи и падения напряжения на них (45, 60, 75, 100 и 300 мВ).

Для измерения миллиамперметром или амперметром напряжения последовательно с прибором следует включить добавочный резистор. В этом случае входное сопротивление получившегося вольтметра будет складываться из сопротивлений рамки стрелочного прибора и добавочного резистора (ДС). Последнее для имеющегося прибора и необходимой измеряемой величины напряжения можно определить по формуле  где Uп — наибольшее значение напряжения данного предела измерений, В; Iпо — ток полного отклонения используемого прибора, A; Rп — сопротивление рамки используемого прибора, Ом.

Входное сопротивление вольтметра на разных пределах измерений разное, поэтому удобнее оценивать вольтметр его входным сопротивлением, отнесенным к 1В измеряемой величины (относительное сопротивление, Ом/В). Чем больше относительное входное сопротивление, тем меньше прибор влияет на параметры измеряемой цепи и тем точнее (при прочих равных условиях) будут производимые вольтметром измерения.