14. Для измерения каких величин предназначены приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем?
Приборы магнитоэлектрической системы
Приборы магнитоэлектрической системы бывают двух разновидностей: с подвижной рамкой (рис. 1.1, а) и с подвижным магнитом (рис. 1.1, б) [2].
|
Устройство. Измерительный механизм приборов магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой (рис. 1.1, а) состоит: – из неподвижного цилиндрического сердечника 1, установленного строго по центру; – из подвижной рамки 2 – легкого алюминиевого каркаса с обмоткой из тонкой (0,02–0,2 мм) медной или алюминиевой проволоки; – из полюсных наконечников 3, 7; – из постоянного магнита, изготовленного из высококачественной стали 5; – из магнитопроводов 4, 6.
В
воздушном зазоре между полюсными
наконечниками создается магнитное
поле с постоянной магнитной индукцией
|
.
Измеряемый
ток 
пропускают
в обмотку рамки через две спиральные
пружины, создающие противодействующий
момент.
Специальные успокоители не применяются: колебание прекращается под воздействием поля постоянного магнита. В целях увеличения момента успокоения на рамку иногда наматывают несколько короткозамкнутых витков.
Кроме приборов с подвижной рамкой применяют, но значительно реже, приборы с подвижным или внутрирамочным магнитом. Подвижной магнит жёстко крепят на оси, он перемещается в магнитном поле, пропорциональном протекающему току.
При непосредственном включении приборов в измеряемую цепь можно измерить небольшие токи (15–30 мА) или напряжения (от 45 мВ до нескольких вольт). Для расширения пределов измерений применяются дополнительные устройства: шунты и добавочные резисторы.
Принцип действия. Подвижная часть перемещается в результате взаимодействия поля постоянного магнита с магнитным полем проводника с током.
На
рамку действуют силы 
,
направление которых определяют по
правилу левой руки. Под действием этих
сил рамка поворачивается на угол 
:
,
(1.1)
где
–
магнитная индукция в зазоре;
–
сила тока, протекающего по рамке; 
–
длина стороны рамки; 
–
число витков обмотки рамки.
Создается вращающий момент:
,
(1.2)
где 
–
ширина рамки.
,
(1.3)
где 
–
площадь рамки.
При повороте рамки возникает противодействующий момент:
,
(1.4)
где 
–
удельный противодействующий момент
упругого элемента измерительного
механизма.
Противодействие вращению рамки оказывает пружина.
В
установившемся режиме 
.
Поэтому угол поворота рамки
,
(1.5)
где 
–
чувствительность прибора по току.
Из формулы видно, что угол отклонения пропорционален току , т. е. шкала прибора равномерная.
Угол
отклонения можно выразить через входное
сопротивление прибора 
и
напряжение, приложенное на его зажимах:
,
(1.6)
где 
–
постоянная прибора по току; 
–
постоянная прибора по напряжению.
При изменении направления измеряемого тока меняется направление отклонения рамки, в связи с этим следует учитывать полярность тока.
Из-за инерционности подвижной части прибор не реагирует на переменный ток промышленной частоты, если отсутствует постоянная составляющая. В противном случае прибор показывает её значение (рис. 1.2).
Достоинства:
– высокая чувствительность, обусловленная сильным собственным магнитным полем, поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент. Ток полного отклонения: 0,01 мкА;
– высокая точность вследствие высокой стабильности элементов измерительного механизма (ИМ). Класс точности: 0,05 или 0,1;
– малая потребляемая мощность (до десятых долей Ватта).
– незначительное влияние внешних магнитных полей благодаря сильному собственному магнитному полю;
– хорошее успокоение, объясняемое наличием постоянного магнита;
– равномерная шкала (у приборов с подвижной рамкой);
– простая конструкция, устойчивость к перегрузкам (у приборов с подвижным магнитом), так как измеряемый ток протекает непосредственно по катушке, а не по спиральным пружинам;
– чувствительность прибора не зависит от угла поворота рамки.
Недостатки:
) приборов с подвижной рамкой:
– сложность и высокая стоимость конструкции;
– низкая перегрузочная способность, обусловленная перегревом противодействующих (токоведущих) пружин и изменением их свойств;
) приборов с подвижным магнитом:
– большая масса;
– инерционность подвижной части;
– температурные влияния на точность измерения.
Область применения:
– в многопредельных, широкодиапазонных вольтметрах, амперметрах в цепях постоянного тока;
– в гальванометрах – высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой;
– в логометрах (двухрамочных механизмах);
– в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный приборы используют при измерении в цепях переменного тока и при измерении сопротивлений.
Приборы электромагнитной системы
Среди приборов электромагнитной системы различают приборы с плоской (рис. 4, а) и с круглой катушкой (рис. 1.3, б) [2].
Устройство:
– неподвижная плоская (рис. 1.3, а) или круглая (рис. 1.3, б) катушка 1;
– подвижный ферромагнитный сердечник 2 из магнитомягкого материала, жестко связанный с осью;
– ось 3;
– стрелка 4;
– успокоитель 5;
– спиральная противодействующая пружина 6;
– неподвижный сердечник 7;
– экран 8.
Катушки амперметров наматывают медным проводом диаметром 0,6 мм и более. Приборы для измерения силы тока до 5 А имеют обмотку из 40–50 витков медного провода диаметром до 1 мм. При токе около 250 А катушку выполняют из медной шины. Катушки вольтметров наматывают медным изолированным проводом диаметром 0,08–0,15 мм (при напряжении свыше 100 В) и 0,4 мм (при напряжении до 15 В).
Принцип действия. Передвижение подвижной части измерительного механизма происходит в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной катушки и одного или нескольких подвижных сердечников из ферромагнитных материалов.
При протекании тока по катушке в приборах с плоской катушкой (рис. 1.3, а) возникает магнитное поле, сердечник намагничивается и втягивается в щель каркаса катушки, поворачивая ось со стрелкой.
В приборах с круглой катушкой (рис. 1.3, б) вращающий момент создается при взаимодействии подвижной и неподвижной пластин. При протекании тока по катушке вращающий момент создается при взаимодействии подвижной и неподвижной пластин. Обе пластины намагничиваются одинаковой полярностью и взаимодействуют друг с другом. Подвижной сердечник смещается (отталкивается), поворачивая стрелку.
Противодействующий момент создается спиральной пружиной.
Сила
,
действующая на сердечник, пропорциональна
магнитной индукции в щели катушки 
и
в сердечнике 
:
, (1.7)
где 
–
коэффициент пропорциональности.
Приближенно
индукция пропорциональна силе протекающего
тока 
,
поэтому
.
(1.8)
Вращающий
момент 
.
Противодействующий момент .
При
равенстве моментов 
.
Шкала прибора – квадратичная, сжатая вначале. При измерении переменного тока её показания пропорциональны действующему значению напряжения.
При измерении переменного тока или напряжения сердечник одновременно с изменением магнитного поля рабочей катушки перемагничивается. Знак угла поворота (направление вращающего момента) подвижной части не зависит от направления тока в катушке, что позволяет измерять переменные токи и напряжения без дополнительных преобразователей.
|
Устройство прибора с астатическим измерительным механизмом (рис. 1.4) [2]. Для устранения воздействия на приборы внешних магнитных полей их помещают в металлический корпус. В лабораторных приборах с этой же целью применяют астатический измерительный механизм (рис. 1.4), состоящий: – из двух катушек 1, 6; – из двух сердечников 4, 5, насаженных на одну ось 3 со стрелкой 2. Принцип действия. Обмотки катушек включены встречно по отношению к измеряемому току (напряжению). Их магнитные потоки Ф1 и Ф2направлены противоположно. Но сердечники конструктивно укреплены на оси так, что вращающие моменты, создаваемые магнитными полями, направлены в одну сторону. Внешнее магнитное поле Ф3 имеет направление, ослабляющее поле Ф1 и усиливающее поле Ф2 в одинаковой степени. Поэтому общий вращающий момент не изменяется, а внешнее магнитное поле не влияет на показания прибора.
|
Достоинства:
– возможность измерения переменного тока без использования дополнительных преобразователей;
– устойчивость к кратковременным перегрузкам (до стократной перегрузки по току в приборах специальной конструкции);
– простота конструкции, относительная дешевизна.
Недостатки:
– неравномерность шкалы;
– восприимчивость к внешним магнитным полям;
– относительно низкая чувствительность;
– невысокая точность показаний;
– большое потребление энергии.
Область применения:
– в щитовых приборах для измерения токов и напряжений на подвижных и стационарных объектах;
– в переносных приборах для измерения токов и напряжений в устройствах автоматики, телемеханики, связи и энергетики;
– в лабораторных приборах для измерения параметров реле автоблокировки и других устройств в контрольно-измерительных пунктах (КИП)