3.2. Прилади магнітоелектричної системи

Прилади магнітоелектричної системи застосовують для вимірювання величини струму, напруги і опору в колах постійного струму. Разом з перетворювачами змінного струму в постійний або пульсуючий, ними можна вимірювати в колах змінного струму.

Магнітоелектричний вимірювальний механізм (рис.3.2) виконаний у вигляді постійного магніту 1, на якому розміщені полюсні наконечники 2. В кільцеподібному повітряному зазорі, утвореному полюсними наконечниками і циліндричним магнітопроводом З, вміщена рухома котушка 4, намотана на алюмінієвому каркасі 6. Котушка виконана з дуже тонкого проводу (діаметром 0,02 0,03 мм) і укріплена на одній осі зі стрілкою і спіральними пружинами 5. Через ці ж пружини підводиться струм до котушки.

Рис 3.2. Будова магнітоелектричного вимірювального механізму

При проходженні струму І по котушці на кожний з її провідників буде діяти електромагнітна сила f=BIl, де l - активна довжина провідника; B - індукція в повітряному зазорі, яка в будь-якій точці зазору спрямована перпендикулярно провідникам.

Сумарна дія всіх сил f створює обертаючий момент М

(3.7)

тут с₁=wdl – стала; d – діаметр котушки; w – число її витків.

Оскільки індукція В магнітного поля, що створюється постійним магнітом, незмінна і не залежить від струму І, то

(3.8)

де стала.

Протидіючий момент М_пр, що створюється спіральними пружинами або пружними розтяжками, пропорційний куту закручення, тобто. куту повороту α рухомої частини

(3.9)

Поворот рухомої частини вимірювального механізму відбувається до тих пір, поки обертаючий момент М не урівноважиться протидіючим моментом М_пр. В момент рівноваги М=М_ПР, тобто с₁’І=с₂α, звідки

Отже, кут повороту рухомої частини пропорційний струму І, що вимірюється. Тому магнітоелектричні прилади мають рівномірну шкалу.

Заспокоювання стрілки магнітоіндукційне, а саме в алюмінієвому каркасі, при його русі індукується е.р.с. і виникає струм. При взаємодії цього струму з магнітним полем створюється гальмівний момент, що забезпечує швидке (2—3 с) заспокоювання рухомої частини приладу.

Р ис. 3.3. Схема вмикання амперметра:

а – з одним шунтом; б – багатограничним шунтом

Прилади магнітоелектричної системи виготовляють різної чутливості — від 10^-12 до 10^-2 А на всю шкалу приладу.

Магнітоелектричні гальванометри призначені для вимірювання малих значень струмів — від 10^-6 до 10^-12 А. Для розширення межі вимірювання приладів магнітоелектричної системи застосовують шунти і додаткові опори,

Шунт—це опір, що приєднують паралельно до вимірювального приладу (амперметра, гальванометра, рис. 3.3). Для збільшення границі вимірювання в n раз (n=I/I_A) на підставі співвідношень I_AR_A=I_ШR_Ш i I_Ш=I-I_А. Опір шунта R_Ш дорівнюватиме

(3.9)

Шунти виготовляють з манганіну (Cu 84%, Мn 13%, Nі З %), питомий опір якого порівняно великий 0,45—0,48 ( ) з малим температурним коефіцієнтом опору (0,00001 град^-1).

З астосовують шунти тільки для приладів постійного струму (магнітоелектричної системи), тому що при змінному струмі треба враховувати реактивний опір приладу, який залежить від частоти; крім того, це веде до збільшення опору шунта і його розмірів при допустимій температурі перегріву, що є невиправданим.

Рис. 3.4. Схема вмикання вольтметра:

а — з одним додатковим опором; б —з кількома опорами (багатограннчний вольтметр)

На відміну від амперметра (з малим власним опором), що вмикають у коло послідовно із споживачем і яким вимірюють величину струму навантаження, вольтметром вимірюють різницю потенціалів на ділянці кола, вмикаючи його паралельно до споживача. Для того щоб не порушити режиму роботи кола, опір вольтметра має бути великим. Для цього послідовно вимірювальному механізму приладу вмикають додатковий опір (рис. 3.4). Додатковий опір вмикають для розширення меж вимірювання вольтметрів різних систем — магнітоелектричної, електромагнітної, електродинамічної та ін.

Величину додаткового опору визначають з таких міркувань. Якщо вольтметр розрахований на U_в вольт, а ним треба вимірювати U_ном >U_в, тобто розширити межі вимірювання в m=U_ном/U_в раз, то, виходячи з того що струм у колі вольтметра I_В=U_В/R_В=U_Д/R_Д і U_НОМ=U_В+U_Д, додатковий опір дорівнюватиме

(3.10)

Додатковий опір виготовляють з тонкого ізольованого проводу з розрахунку 100—300 0м на 1В для технічних вольтметрів і 1000 – 30 000 Ом на 1 В вимірюваної напруги для лабораторних вольтметрів.

Перевагами приладів магнітоелектричної системи є: висока точність, чутливість, мале власне споживання потужності, рівномірна шкала, мала чутливість до зовнішнього магнітного поля, добре заспокоювання рухомої частини і т. ін.

До недоліків слід віднести: придатність лише для постійного струму (без перетворювачів), складність конструкції, порівняно велика вартість, недостатня перевантажувальна здатність (120% номінального до 5 хвилин) і т. ін.