5.6. Электромагнитные приборы

Принцип действия приборов электромагнитной системы ос­нован на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в непо­движной

катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из наиболее распространенных конструкций электромагнитного изме­рительного

механизма представлена на рис. 5.18, где 1 — катушка; 2 — сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 - спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4 - воздушный успокоитель. (Встречаются

также другие конструктивные модификации измеритель­ных механизмов

этой системы.) Под действием магнитного поля сер­дечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма по­ворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает ток I,

W_м = LI²/2, (5.28)

где L - индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.

Рис. 5.18. Электромагнитный измерительный механизм:

1 – катушка; 2 – сердечник; 3 – пружина; 4 – воздушный ускоритель

Вращающий момент равен:

M_BP = ∂W_M/∂α = (I²/2) (∂L/∂α). (5.29)

При установившемся отклонении подвижной части механизма М_ВР = М_ПР,

принимая во внимание, что М_ПР = W , уравнение преобразования прибора имеет вид

= (1/2W) (∂L/∂α) I². (5.30)

Если по катушке протекает переменный ток i(t), то необходимо произвести усреднение по времени:

(5.31)

По определению действующее значение тока

(5.32)

Из выражения (5.31) и (5.32) следует соотношение

α = (l/2W)(∂L/∂α)I² . (5.33)

Таким образом угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не за­висит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы оди­наково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Линеаризация шкалы произво­дится при помощи выбора специаль­ной формы сердечника 2.

Промышленностью выпускаются электромагнитные амперметры с номиналь­ным током от долей ампера до 200 А. Наиболее распространены амперметры на 5 А. Последнее обстоятельство свя­зано с тем, что на практике для расши­рения пределов измерения использу­ются трансформаторы тока, причем номинальное значение тока во вто­ричной обмотке выбирается, как пра­вило, равным 5 А. На рис. 5.19 пока­зано включение амперметра во вто­ричную обмотку трансформатора тока. Здесь N₁ - первичная обмот­ка; N₂ - вторичная; I₁ и 1₂ - соответствующие токи.

Рис. 5.19. Подключение амперметра в цепь трансформатора тока:

N₁ и N₂ – соответственно первичная и вторичная обмотки

Если учесть, что ток через катушку прибора I = U/R_и, где U - приложенное напряжение, a R_и - сопротивление катушки, то из (5.33) следует

. (5.34)

Таким образом, шкала измерительного механизма может быть проградуирована и в единицах напряжения. Для расширения пределов из­мерения вольтметров используются добавочные сопротивления, поэтому приборы можно выполнять многопредельными. Промышленностью выпускаются электромагнитные вольтметры с номинальным напряже­нием от долей вольта до сотен вольт.

К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, низкая стоимость, надежность, способность вы­держивать большие перегрузки, пригодность для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Недостатками являются: большое собственное потребление энергии, малая точность, малая чувствительность, сильное влияние внешних маг­нитных полей.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном в ка­честве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промыш­ленной частоты. Класс точности этих приборов 1,5 и 2,5. В некоторых особых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц. Используются они и в лабораторной практике как переносные приборы классов точности 0,5 и 1,0.