Магнитоэлектрические измерительные приборы

Измерительные механизмы.Работа магнитоэлектрических измерительных механизмов основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Один из взаимодействующих элементов — подвижный (катушка (рамка) с током или постоянный магнит).

Наиболее распространены измерительные механизмы с подвижной рамкой.

По конструкции магнитной системы различают механизмы с внешним (рис. 2.5) и внутрирамочным магнитом. Первый состоит из внешнего магнита 1 из магнитотвердого материала, магнитопровода 3 и цилиндрического сердечника 6 из магнитомягкого материала. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками магнита и подвижным цилиндрическим сердечником создается практически равномерное радиальное магнитное поле. В воздушном зазоре помещается рамка 5 из тонкого изолированного медного провода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляют полуоси или растяжки. Рамка может поворачиваться вместе с осью и стрелкой 2 вокруг цилиндрического сердечника. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 7, создающие также противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат, противовесы-грузики 4. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.

Рисунок 2.5 – Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма

При протекании по обмотке рамки постоянного тока I на активные стороны обмотки рамки действует пара сил, создающая вращающий момент:

                                  (2.8)

где  - энергия магнитного поля системы, состоящей из постоянного магнита и рамки с током I; - поток постоянного магнита, сцепленный с обмоткой рамки, по которой протекает ток; В - магнитная индукция в воздушном зазоре; l - активная длина рамки; а - ширина рамки;  - число витков обмотки рамки.

Произведение al равно активной площади S рамки. Соответственно

                         (2.9)

где — потокосцепление обмотки рамки при повороте ее на угол
α = 1 рад.

Вращающий момент измерительного механизма с радиальным равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения α подвижной части. Под действием М подвижная участь поворачивается вокруг оси, тем самым закручивая спиральные пружины. Создающийся при этом противодействующий момент

                                (2.10)

где W - удельный противодействующий момент.

При отклонении рамки на некоторый угол, а вращающий и противодействующий моменты уравняются по значению, дальнейшее отклонение рамки прекратится. Из условия равенства моментов следует, что или , откуда угол отклонения подвижной части механизма

                          (2.11)

где - чувствительность измерительного механизма по току.

Из (2.11) следует, что отклонение подвижной части измерительного механизма линейно растет с увеличением тока I, т. е. шкала равномерная.

Повышение чувствительности измерительного механизма может быть достигнуто за счет увеличения индукции B в зазоре, числа витков ω рамки или уменьшения удельного противодействующего момента W пружин. Увеличение индукции В за счет применения новых специальных сплавов (альнико, альни, магнико и др.) при изготовлении постоянных магнитов, обеспечивающих индукцию в зазоре 0,2 - 0,3 Т, практически целесообразно.

При изменении направления тока I изменяется направление отклонения подвижной части измерительного механизма; при включении последнего в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период будет равно нулю.

В магнитоэлектрических измерительных механизмах успокоение подвижной части индукционное и электромагнитное. При отклонении подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки, а также, в витках обмотки рамки, замкнутой на некоторое внешнее сопротивление, индуктируются токи, создающие совместно с полем постоянного магнита тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть.

К достоинствам магнитоэлектрических измерительных механизмовотносят: высокую чувствительность (ИМ обладает сильным собственным магнитным полем поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); большую точность (из-за высокой стабильности элементов ИМ, незначительного влияния внешних магнитных полей); незначительное влияние на режим измеряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; хорошее успокоение; равномерность шкалы.

К недостаткам измерительных механизмов относят: сложность, изготовления, плохую перегрузочную способность, обусловленную легким перегревом пружин и изменением их свойств; температурные влияния на точность измерения.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы используют:

в многопредельных, широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока;

в гальванометрах - высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой как для непосредственных измерений малых электрических токов А, напряжений менее В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях;

в светолучевых осциллографах (в вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, частота которых может быть от единиц герц до 10 - 15 кГц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электрические;

аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектрических амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазометрах;

в комбинированных аналоговых вольтметрах в которых магнитоэлектрические измерительные механизмы совместно с выпрямительными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения;

в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в омметрах, частотомерах и т. д.

Амперметры. Основой амперметров и вольтметров является измерительный механизм. В микро- и миллиамперметрах, предназначенных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измерительная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (сопротивление цепи измерительного механизма ).

Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его теплового действия на упругие свойства спиральных противодействующих пружинок.

Если измеряемый ток I превосходит по значению ток полного отклонения подвижной части, то параллельно цепи измерительного механизма ИМ подключается шунт (резистор), через который пропускается ток (рис. 2.6).

Значение сопротивления шунта определяется из условия

                (2.12)

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления , то его сопротивление

                                                (2.13)

Значение сопротивления шунта обычно Ом. Для исключения влияния на результат измерения сопротивления соединительных проводов и контактов, соизмеримых с сопротивлением шунта, последние выполняются четырехзажимными: два зажима (токовых) используются для включения шунта в цепь изменяемого тока и два других зажима (потенциальных) - для подключения к измерительному механизму.

Шунты обычно изготовляют из манганина, обладающего ничтожно малым температурным коэффициентом. Большое распространение получили многопредельные ступенчатые шунты, включаемые по кольцевой схеме (рис. 2.7).

В двухпредельном амперметре, если принять , сопротивление шунта для пределов и соответственно равны:

где ; - коэффициенты шунтирования.

При совместном решении этих уравнений можно определить сопротивления шунтов:



Рисунок 2.6 – Схема микро-                       Рисунок 2.7 – Схема двух-

амперметра с шунтом                                 предельного амперметра

Расчет для многопредельного ступенчатого шунта аналогичен. Шунты бывают внутренние, вмонтированные в корпус прибора, и наружные. Наружные шунты подразделяют на индивидуальные и взаимозаменяемые (калиброванные). Индивидуальные шунтыприменяют к конкретным измерительным механизмам. Взаимозаменяемые шунты изготовляют на номинальные токи и падения напряжения: 60, 75, но допускают значения 100, 150, 300 мВ; применяютшунты к измерительным механизмам, рассчитанным на такие же падения напряжения. Внутренние шунты изготовляют на токи примерно до 50 А, наружные - на токи до 10 000 А. Наружные шунты обычно присоединяются к механизму двумя калиброванными проводниками с общим сопротивлением 0,035 Ом. Классы точности шунтов - 0,02; 0,05;.0,1; 0,2; 0,5 - показывают допустимое отклонение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах. Применение шунтов позволяет расширить пределы измерения амперметров, но приводит кувеличению мощности потребления, снижению точности, измерения и чувствительности. Для понижения; температурной погрешности, вызванной изменением сопротивления обмотки рамки и пружин подвижной, части измерительного механизма при протекании тока, последовательно с рамкой включается добавочное сопротивление из манганина.

Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм с включенным последовательно добавочным резистором может быть использован как вольтметр для измерения напряжения. Вольтметр подключается параллельно к объекту измерения. В измерительной цепи вольтметра происходит преобразование измеряемого напряжения в ток, необходимый для отклонения подвижной части измерительного механизма.

Предел измерения  вольтметра, зависит от тока полного отклонения  подвижной части и внутреннего сопротивления  вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки , пружин и резистора ):

                          (2.14)

Ток полного отклонения рамки магнитоэлектрических вольтметров составляет примерно 50 мА.

Для изменения предела измерения  напряженияU последовательно с вольтметром включается добавочный резистор, значение которого при заданном значении 1у определяется из выражений

                 (2.15)

где  - коэффициент расширения предела измерения вольтметра или множитель шкалы.

В многопредельных вольтметрах (рис. 2.8) используют ступенчатое включение резисторов и для соответствующих пределов измерения напряжений  при заданном токе рамки  сопротивления добавочных резисторов рассчитываются по формулам:

 либо           (2.16)

 либо     (2.17)

где - коэффициенты расширения пределов.

Рисунок 2.8 – Схема трехпредельного вольтметра

Добавочные резисторы в основном изготовляют из манганинового провода, намотанного на круглые или плоские каркасы из изоляционного материала. Они могут быть как внутренними (до 600 В), так и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные резисторы, в свою очередь могут быть индивидуальными и взаимозаменяемыми на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.

Магнитоэлектрические вольтметры имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но малое внутреннее сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от микровольт до 1,5 кВ