Магнитоэлектрические приборы

Принцип действия. Используется взаимодействие поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой, намотанной на облегченный каркас микропроводом. Эти приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений, сопротивлений, количества электричества (баллистические гальванометры, кулонметры). Магнитоэлектрические приборы применяют также для измерения или индикации малых токов и напряжений (гальванометры). Кроме этого их испольхуют для регистрации величин в самопишущих приборах и как гальванометры в электромеханических (светолучевых) осциллографах.

Энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с подвижной катушкой

,

где В – индукция магнитного поля между полюсами постоянного магнита, s – площадь катушки, a – угол поворота катушки, w – число витков катушки, I – ток катушки.

Подставляя значение энергии в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2), получим уравнение шкалы магнитоэлектрических приборов

, (3.5)

где – конструктивный коэффициент, называемый чувствительностью по току.

Если к прибору приложено напряжение U, то с учетом внутреннего сопротивления рамки R_пр можно получить выражение для чувствительности по напряжению

где – чувствительность прибора по напряжению.

Следовательно, механизм магнитоэлектрической системы можно применить для непосредственного измерения напряжений и токов.

В соответствии с законом Ома предел по напряжению U_пр вычисляется как произведение сопротивления рамки на предел по току I_пр

Из уравнения шкалы (3.5) видно, что угол отклонения a пропорционален току, следовательно, шкала прибора будет линейной, т.е. равномерной, а S_I и S_U – постоянны. Кроме этого к достоинствам этих приборов следует отнести высокую чувствительность, т. к. применяются сильные постоянные магниты с большим значением индукции.

Недостатки: нельзя измерять переменные токи и напряжения, т.к. с частотой переменного тока, протекающего через рамку, будет изменяться направление вращающего момента. Однако за счет инерционности подвижной части прибор не будет реагировать на переменный ток, который может привести к перегоранию микропровода рамки.

В некоторых случаях можно применять эти приборы для измерения постоянной составляющей переменного или пульсирующего тока, если при этом переменная составляющая в сумме с постоянной не превышает I_пр.

Приборы магнитоэлектрической группы применяют как щитовые, лабораторные, узкопрофильные (с высотой фланца не более 30 мм), со светофильтрами на краях шкал, с сигнализирующими контактными устройствами. Имеют малые габариты, так приборы типа М288К имеют габариты 120×105 мм, пределы измерений от 0 до 100 мкА и от 0 до 15 мВ, классы точности 1.5, по контактам 4.0.

Выпускаются также миниатюрные приборы: размер 20×20 мм, класс точности 4.0 и 80×80 мм, класс точности 1.0.

 

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Приборы представляют собой соединение выпрямительного преобразователя на полупроводниковых диодах и высокочувствительного магнитоэлектрического измерительного механизма (см. п.1).

В выпрямительных приборах используются одно- и двухполупериодные схемы выпрямления. При использовании схемы однополупериодного выпрямления (рис. 3.5) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная пропускается через диод Д₂ и резистор R, включенные параллельно основному диоду Д₁ и прибору. Цепь диода Д₂ и резистора R=R_пр используют в амперметрах для выравнивания обоих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты диода Д₁ от пробоя при обратной полуволне напряжения.

Т.к. постоянная времени прибора значительно больше периода пульсирующего тока, протекающего через измерительный механизм, то измеряется среднее значение тока за полуволну

или при синусоидальном токе

Отсюда

Подставим значение тока в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2), получим

,

где - коэффициент формы переменного тока, I – действующее значение переменного тока.

Из уравнения шкалы следует, что показания выпрямительных приборов зависят от формы измеряемого напряжения или тока, однако, т.к. шкалы приборов градуируются в действующих значениях, то их показания правильны только для синусоидальных напряжений или токов.

В выпрямительных вольтметрах обычно применяют двухполупериодные схемы, увеличивающие чувствительность прибора в два раза.

Основные достоинства выпрямительных приборов – высокая чувствительность, малое потребление мощности от измеряемой цепи, возможность работы на повышенных частотах. Применяются как щитовые, так и переносные приборы. Примером переносного выпрямительного прибора может служить прибор типа Ц 4311, имеющий на постоянном токе класс точности 0.5, на переменном токе – 1.0. Прибор снабжен контактным защитным устройством. Частотный диапазон от 45 до 8000 Гц. Зависимость показаний приборов от частоты связана со значительной проходной емкостью полупроводниковых диодов, уменьшающей выпрямительный эффект с ростом частоты, т.е. с ростом частоты измеряемого тока или напряжения показания должны уменьшаться. Для расширения частотного диапазона применяют корректирующие частотно-зависимые цепочки индуктивного или емкостного характера, которые вызывают рост показаний на частотах выше указанного диапазона.