4.2.2. Конструкции измерительных механизмов

Электромагнитные им различаются формой намагничивающих (рабочих) катушек, а также числом и формой ферромагнитных сердечников. Чаще других применяются круглые и прямоугольные катушки, цилиндрические и призматические сердечники.

На рис. 4.8 даны конструктивные схемы наиболее распространенных механизмов отталкивающего действия.

Рис.4.8. Конструктивные схемы электромагнитных механизмов отталкивающего действия:

а – с круглой катушкой и цилиндрическими сердечниками;

б – с круглой катушкой и плоскими призматическими сердечниками

Механизм, показанный на рис. 4.8,а, имеет круглую рабочую катушку 1 и два цилиндрических (коаксиальных) сердечника 2 и 3. Один сердечник 3 неподвижен, а другой 2 укреплен вместе с указателем 6 на оси 4 подвижной части. Их форма обусловлена необходимостью получения требуемого характера шкалы. При прохождении тока по обмотке катушки оба сердечника намагничиваются с одинаковой полярностью, вследствие чего подвижный сердечник отталкивается от неподвижного. Так образуется вращающий момент механизма. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 5, а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем. Для снижения влияния внешних магнитных полей рабочая катушка экранизируется (экраны и успокоители на рис.4.8,а-б не показаны). Сердечники и экраны изготавливают из магнитомягких материалов. Механизм с круглой катушкой и цилиндрическими сердечниками широко применяют в щитовых приборах различного назначения. Его достоинством наряду с очень простой и удобной регулировкой является возможность получения требуемого характера шкалы.

М еханизмы, показанные на рис. 4.8,б имеют круглую рабочую катушку 1 и одну или две пары одинаковых радиально и симметрично расположенных внутри нее плоских призматических сердечников 2 и 3. В механизме с одной парой сердечников (рис.4.8,б) один сердечник 3 неподвижен, а другой 2 укреплен вместе с указателем 6 на оси 4 подвижной части. В механизме с двумя парами сердечников одна пара сердечников неподвижна, а другая пара укреплена на оси вместе с зеркалом светового указателя. При таком расположении сердечников устраняются радиальные усилия, что особенно благоприятно при использовании растяжек. Вращающий момент механизмов (рис. 4.9,а,б) создается за счет отталкивания подвижных сердечников от неподвижных при прохождении тока по обмотке катушек, а противодействующий – спиральной пружиной 5 и растяжками. Механизмы подобного типа используются в лабораторных приборах.

Рис. 4.9. Кривые вращающих моментов:

а – кривые Мвр = f() для механизмов с круглой катушкой и одной (М₁) или двумя (М₂) парами плоских призматических сердечников; б – кривые Мвр = f() для механизма с секторной катушкой

Сердечники в этих механизмах выполнены из железоникилиевых сплавов (пермаллоев) с малой коэрцитивной силой, что обеспечивает совпадение показаний электромагнитных приборов на постоянном и переменном токе. Призматическая форма сердечников позволяет избежать дополнительных механических деформаций сердечников при сборке им и, следовательно, сохранить высокие магнитные характеристики железоникилиевых сплавов после отжига сердечников. Отличительной особенностью этих механизмов является выполнение основных конструктивных элементов (обоймы, каркаса рабочей катушки, а иногда и оси) из керамических материалов. Это вызвано требованием сохранения высокой точности приборов во времени при одновременном уменьшении влияния температуры и влажности и снижения погрешности, обусловленных вихревыми токами. Для защиты механизмов от влияния внешних магнитных полей применены двойные магнитные экраны из железоникилиевых сплавов. Все перечисленные мероприятия позволили разработать электромагнитные приборы высокой точности (классов 0,2 и 0,1). В таких приборах получен равномерный характер шкалы даже при малых углах отклонения подвижной части.

Рис. 4.10. Конструктивные схемы электромагнитных механиз­мов втяжного действия:

А – с плоской катушкой; Б – с прямоугольными катушками и призма­тическим сердечником; В – с магнитопроводом

На рис. 4.10,а,б даны конструктивные схемы механизмов втяжного действия. Механизм с плоской катушкой (рис. 4.10,а) используется в лабораторных и щитовых приборах отечественного производства и состоит из плоской катушки 1, в узкую щель которой втягивается подвижный сердечник 2, имеющий форму усеченного диска и эксцентрично закрепленный на оси 4 подвижной части. Для регулировки угла отклонения подвижной части служит магнитный шунт 3. Такие механизмы имеют меньшую потребляемую мощность и меньший расход меди по сравнению с механизмами, имеющими круглую катушку. Однако в технологическим отношении они более сложны.

Механизм с магнитопроводом (рис. 4.10,б), широко применяемый в щитовых амперметрах и вольтметрах, состоит из стержня 5 с надетой на него рабочей катушкой 1, двух пар полюсных наконечников 6, 7 и подвижного сердечника 2, перемещающегося в зазоре между полюсными наконечниками и закрепленного на оси 4 подвижной части. Стержень и полюсные наконечники магнитопровода изготавливают из пермаллоя 79нм толщиной 1 мм, а подвижный сердечник – из стали 1521 толщиной 0,2 мм. Противодействующий момент создается растяжками, а успокоение подвижной части осуществляется жидкостным успокоителем, состоящим из двух полированных металлических колец – подвижного 8, укрепленного на оси подвижной части, и неподвижного 9. Между кольцами находится слой специальной невысыхающей жидкости 10 (полиметиллоксановая жидкость пмс-500). Момент успокоения возникает за счет сцепления частиц жидкости с кольцами при повороте подвижной части. Механизм с магнитопроводом имеет сильное собственное поле и экранирования не требует. В этом механизме можно получить необходимый вращающий момент при меньшем собственном потреблении мощности. На основании такого механизма освоен массовый выпуск щитовых амперметров и вольтметров промышленной частоты высокой чувствительности (миллиамперметры с верхним пределом измерения от 1,5 мА и вольтметры – от 0,5 в).

4.2.3. Измерительные цепи. Расчет электрических

параметров амперметров и вольтметров

Однопредельные амперметры и миллиамперметры (рис. 4.11,а) имеют наиболее простую ИЦ, состоящую из одной рабочей катушки механизма, включаемой непосредственно в сеть. Разные пределы измерения по току в таких амперметрах получают изменением числа витков и сечения провода катушки при одинаковых ампер-витках. С увеличением номинального тока число витков уменьшается, а сечение провода обмотки увеличивается. При очень больших токах (200 – 300 а) рабочая катушка превращается в виток из медной шины. Для расширения пределов измерения амперметров переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

В многопредельных амперметрах, применяемых в качестве переносных приборов, рабочую катушку выполняют секционированной и с помощью переключателя получают различные схемы соединения секций катушки. Двухпредельные амперметры имеют две секции, включаемые последовательно или одну параллельно (рис.4.11,б), а трехпредельные – четырех, включаемые последовательно, смешанно или параллельно (рис.4.11,в). При этом если все секции выполнены с равными числами витков, отношение токов на разных пределах измерения будет 1:2:4. Для получения одной шкалы на всех пределах измерения намотку всех секций катушки необходимо производить одновременно несколькими проводами в однопредельных вольтметрах последовательно с рабочей катушкой включают добавочный резистор из манганина (рис.4.11, г). Соотношение сопротивлений рабочей катушки r_к и добавочного резистора r_д определяется в основном температурной погрешностью или классом точности вольтметра..

Рис. 4.11. Схемы измерительных цепей ампер­метров и вольтметров:

а – однопредельного амперметра; б – двухпредельного амперметра; в – трехпредельного амперметра; г – одаопредельвого вольтметра; д – вольтметра с термо­резистором; е – многопредельного вольтметра

Например, для вольтметров класса точности 1,5r_д  3r_к, а класса точности 0,5r_д  10r_к. С уменьшением предела измерения вольтметра необходимо увеличить ток потребления, чтобы температурная погрешность не превысила допустимого значения.

Применение терморезисторов (термисторов) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления дает возможность одновременно снизить температурную погрешность и собственное потребление вольтметра. В схеме вольтметра с терморезистором (рис.4.11, д) для получения температурной компенсации в широком интервале температур терморезистор r_т, шунтируют проволочным резистором r_ш из манганина и этим выпрямляют его температурную характеристику. Можно применять терморезисторы и для многопредельных переносных вольтметров класса 0,5.

Схема ИЦ многопредельного вольтметра показана на рис. 4.11,е. Пределы измерения по напряжению отличаются друг от друга значением сопротивления добавочного резистора. При этом ток потребления остается неизменным.

Схемы ИЦ амперметров и вольтметров рассчитывают на основе заданных ампер-витков и выбранных размеров рабочей (намагничивающей) катушки. Для наиболее распространенной круглой катушки основными размерами обмотки являются: d₀, d₀ и l₀ – внутренний и наружный диаметры и длина обмотки. В этом случае расчетными параметрами катушки будут: s₀ – площадь окна катушки; l_ср – средняя длина витка и s_охл – поверхность охлаждения катушки, определяемые по формулам:

. (4.40)

Расчет амперметров (по схеме рис. 4.11, а) выполняют в следующем порядке.

А) определяют число витков обмотки n и число витков на единицу площади окна катушки n по таким формулам:

, (4.41)

Где I_n – заданные ампер-витки рабочей катушки;

I – предел измерения амперметра.

Б) из таблицы проводов марок ПЭВ-1 и ПЭВ-2 (ГОСТ 7262 – 78) по ближайшему большому значению n’ выбирают диаметр и площадь сечения провода q_таб.

В) рассчитывают сопротивление обмотки рабочей катушки r_к, выделяемую в обмотке мощностью р_к и температуру перегрева обмотки о_к по известным формулам:

, (4.42)

Где р – удельное сопротивление меди;

k – коэффициент теплоотдачи [при расчетах принимают равным 1,5·10^–3 Вт/(см²· с)].

Следует заметить, что расчет о_к по приведенной формуле является приближенным. Более точные значения о_к, удовлетворительно совпадающие с экспериментом, получаются, когда за s_охл принимается полная поверхность охлаждения обмотки (наружная, внутренняя и торцовые) и когда учитывается влияние экрана на катушке путем уменьшения k до (1,1 – 1,2)·10^-3 Вт/(см²·с) [для катушек без экрана k =1,5·10^–3 Вт/(см²· с)].

Расчет вольтметра (по схеме рис.4.11, г) производят в другом порядке.

А) определяют сечение провода обмотки рабочей катушки по формуле:

, (4.43)

Где u – заданный предел измерения вольтметра;

В₀ – температурный коэффициент сопротивления материала обмотки рабочей катушки (для меди в₀ = 4%/10 с);

В_w – термоупругий коэффициент материала пружинок или растяжек (для сплава плср20 В_w = – 0,25%/10 с);

Y_t – допустимая температурная погрешность вольтметра.

Б) из таблицы проводов марок пэв-1 и пэв-2 по ближайшему большому значению q выбирают диаметр провода и величины q_таб и n.

В) рассчитывают число витков рабочей катушки n, ток потребления i, сопротивление обмотки рабочей катушки r_к, полное сопротивление вольтметра r_в, сопротивление добавочного резистора r_д, мощность р, потребляемую вольтметром, мощность р_к, выделяемую в обмотке рабочей катушки, и температуру перегрева обмотки о_к по известным формулам:

, (4.44)

Где r_к (а также p_к и о_к) определяются по формулам (4.42).