Магнитоэлектрическая система

Принцип действия магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии поля постоянного магнита и проводников с током. В воздушном зазоре 1 (рис. 2) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными наконечниками NS неподвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с катушкой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки.

Рисунок 2 - Устройство прибора

магнитоэлектрической системы

Катушка жестко соединена с двумя полуосями О и О', сидящими в подшипниках. На полуоси О закреплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5', через которые к катушке подводится измеряемый ток. Полюсные наконечники NS и стальной цилиндр 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное и радиальное распределение индукции В магнитного поля. В результате взаимодействия магнитного поля с током в проводниках катушки 3 создается вращающий момент. Рамка с катушкой при этом поворачивается, и стрелка отклоняется на угол a. Электромагнитная сила F_эм, действующая на каждую из двух сторон катушки, равна wBLI. Вращающий момент, создаваемый парой сил F_эм, М_вр = F_эмd = wBLId = С ₁ I, где d и L — ширина и длина рамки (катушки); С ₁ — коэффициент, зависящий от числа витков w, размеров катушки и магнитной индукции В. Повороту рамки противодействуют спиральные пружинки 5 и 5', создающие противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания a:

М_пр = С ₂ a,

где С ₂ — коэффициент, зависящий от жесткости пружинок. Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов

M_вр = М_пр, т. е. когда С ₁ I = С ₂ a.

Угол поворота стрелки

a = = С×I

пропорционален величине тока; следовательно, у приборов магнитоэлектрической системы шкала равномерная, что является их достоинством.

Направление вращающего момента (определяемое правилом левой руки) изменяется при изменении направления тока. Поэтому при включении прибора нужно соблюдать полярность включения.

При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющиеся по величине и направлению механические силы, среднее значение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нулевого положения. Поэтому эти приборы нельзя применять непосредственно для измерений в цепях переменного тока.

В приборах магнитоэлектрической системы успокоение (демпфирование) стрелки происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки 5 в магнитном поле постоянного магнита NS в ней индуктируются вихревые токи. Направление этих токов по правилу Ленца таково, что они противодействуют вращению рамки и быстро успокаивают ее колебания.

Измерительные приборы магнитоэлектрической системы находят применение также при измерениях в цепях переменного тока. При этом в цепь подвижной катушки включают преобразователи переменного тока в постоянный или пульсирующий ток. Наибольшее распространение получили детекторная и термоэлектрическая системы.

На (рис. 3, а) показана принципиальная схема для измерения переменного тока прибором детекторной системы.

Рисунок 3 - Схемы включения магнитоэлектрического прибора детекторной (а) и термоэлектрической (б) систем в цепь переменного тока

Измерительный прибор включен в диагональ АВ моста, собранного из четырех выпрямительных полупроводниковых диодов. При переменном токе в цепи в диагонали АВ возникает пульсирующий ток, не меняющий своего направления. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита, создает изменяющийся по величине, но действующий в одном направлении вращающий момент, пропорциональный току.

Отклонение стрелки прибора пропорционально среднему значению вращающего момента за период, а следовательно, среднему значению тока. Если в цепи действует синусоидальный ток, то шкалу прибора можно отградуировать в действующих значениях тока, поскольку между средним и действующим значениями тока существует определенное соотношение. При отклонении формы кривой тока от синусоиды правильное измерение действующих значений при указанной выше градуировке шкалы оказывается невозможным.

В приборах термоэлектрической системы в качестве преобразователя используется термопара 1. Измерительный прибор 2 соединен со свободными концами термопары, а рабочие концы, образующие ее горячий спай, нагреваются измеряемым током проволочного нагревательного элемента 3 (рис. 3, б).

Количество тепла Q, выделяемого в нагревателе, пропорционально квадрату действующего значения тока. Температура нагрева горячего спая термопары и ее ЭДС находятся в прямой зависимости от величины Q. В связи с этим отклонение стрелки измерительного прибора, пропорциональное ЭДС термопары, также находится в прямой зависимости от квадрата действующего значения тока.

Вольтметры и амперметры детекторной и термоэлектрической систем применяются для измерений в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц) и повышенных частот.

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы:

1) точность показаний;

2) малая чувствительность к посторонним магнитным полям;

3) незначительное потребление мощности;

4) равномерность шкалы.

К недостаткам следует отнести:

1) необходимость применения специальных преобразователей при измерениях в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам (тонкие токопроводящие пружинки 5 и 5' из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства).

Электромагнитная система

Принцип действия электромагнитных приборов основан на втягивании стального сердечника в неподвижную катушку при существовании в ней тока. Неподвижный элемент прибора — катушка 1, выполненная из изолированной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 4).

Подвижный элемент — стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка, эксцентрично укреплен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечива­ющая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток в витках катушки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в катушку. При этом ось О поворачивается, и стрелка прибора отклоняется на угол a.

Магнитная индукция В в сердечнике (при отсутствии насыщения) пропорциональна току катушки. Сила F, с которой сердечник втягивается в катушку, зависит от величины тока и магнитной индукции В в сердечнике. Приближенно принимают, что сила F, а следовательно, и обусловленный ею вращающий момент пропорциональны квадрату тока в катушке:

М_вр = СI².

Рисунок 4 - Устройство прибора Рисунок 5 -Устройство астатического электромагнитной системы механизма электромагнитной системы прибора

Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу a. В связи с этим угол отклонения стрелки находится в квадратичной зависимости от тока; шкала прибора оказывается неравномерной.

Для успокоения подвижной части прибора обычно применяют воздушный демпфер. Он состоит из изогнутого цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О. Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечивает быстрое установление стрелки на определенном делении шкалы.

Достоинства приборов электромагнитной системы:

1) простота конструкции;

2) пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока;

3) надежность в эксплуатации.

К недостаткам следует отнести:

1) неравномерность шкалы;

2) влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле катушки расположено в воздушной среде и поэтому его индукция невелика.

Для ослабления влияния посторонних магнитных полей в некоторых приборах применяют две катушки 1 и 2 (рис. 5) и два сердечника, установленные на общей оси и действующие в одном направлении вращающие моменты

М_вр1 + М_вр2 = М_вр.рез.

Катушки расположенные так, что их магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ направлены в противоположные стороны. Постороннее магнитное поле Ф_вн ослабляет поток Ф₁ (уменьшая вращающий момент М_вр1 и одновременно усиливает поток Ф₂, увеличивая вращающий момент М_вр2. В результате общий вращающий момент М_вр.рез остается неизменным и зависит только от измеряемого тока. Приборы такой конструкции называются астатическими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимых посторонними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в стальные корпуса.

Электродинамическая система

Приборы этой системы (рис. 6, а) состоят из двух катушек: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная катушка укреплена на оси ОО ' и расположена внутри неподвижной катушки. На оси ОО ' подвижной катушки укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4 и 4', через которые подводится ток к катушке 2. Эти пружинки одновременно создают противодействующий момент М_пр,

Рисунок 6 - Устройство прибора

электродинамической системы (а) и принцип

действия (б)

пропорциональный углу закручивания a. Принцип действия прибора (рис. 6, б) основан на взаимодействии тока I₂ подвижной катушки с магнитным потоком Ф₁ неподвижной катушки.

При постоянном токе электромагнитная сила F_эм, действующая на проводники подвижной катушки, пропорциональна току I₂ и магнитной индукции B ₁. Поскольку индукция B ₁ пропорциональна току I ₁ неподвижной катушки, вращающий момент, действующий на подвижную катушку, пропорционален произведению токов катушек:

М_вр=С¢ B ₁ I₂ =C¢¢I ₁ I ₂,

где С¢ и С¢¢ — коэффициенты пропорциональности. При переменном токе вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значений токов:

i₁=I_1msinw t и i₂=I_2msin(w t+y).

Показание прибора в этом случае определяется средним за период значением вращающего момента:

.

Здесь С — коэффициент, зависящий от числа витков, геометрических размеров и расположения катушек; I₁ и I₂ — действующие значения токов в катушках; y — угол сдвига фаз между векторами токов I₁ и I₂.

При равенстве моментов (М_вр = М_пр) подвижная катушка отклоняется на угол a и стрелка указывает на шкале числовое значение измеряемой электрической величины. Для успокоения подвижной части прибора используют воздушные демпферы. Электродинамические приборы применяют, главным образом, для измерения мощности в цепях переменного тока.

Достоинства приборов электродинамической системы:

1) высокая точность (обусловленная отсутствием ферромагнитных сердечников).

2) возможность использования для измерения электрических величин в цепях постоянного и переменного тока.

Недостатками приборов являются:

1) чувствительность к перегрузкам;

2) влияние посторонних магнитных полей на точность измерений;

3) неравномерность шкалы;

Электростатическая система

Энергия, запасенная системой заряженных пластин электростатического прибора при фиксированном напряжении

W= ,

может изменятся только вследствие изменения электроемкости. Поэтому такие приборы могут быть построены на основе изменения расстояния между пластинами, активной площади пластин или среды между ними. Во всех случаях с поворотом подвижной части прибора должна изменяться энергия W за счет изменения емкости C.

Устройство вольтметра электростатической системы с переменным расстоянием между пластинами показано на рисунке 7. Измеряемое напряжение подключается к клеммам «А» и «Б» вольтметра, соединенным с двумя неподвижными изолированными пластинами «а» и «с». Между неподвижными пластинами на тонких бронзовых ленточках (пружинах) подвешена подвижная пластина «b» и электрически соединена с одной из неподвижных пластин. При включении напряжения эти пластины получают заряд одного знака, и подвижная пластина отталкивается от неподвижной. Вторая неподвижная пластина получает заряд противоположного знака, поэтому она притягивает к себе подвижную пластину. Таким образом, силы, действующие на подвижную пластину со стороны неподвижных, направлены в одну сторону. Поступательное перемещение подвижной пластины через тягу «d» преобразуется во вращательное движение оси и стрелки прибора.

Устройство электростатического вольтметра с переменной активной площадью показано на рисунке 8. Подвижные пластины «с» всегда получают заряды, противоположные по знаку зарядам неподвижных камер «а» и «b», и втягиваются в них. Успокаивающий момент создается, как правило, магнитоиндукционным способом.

Ценным свойством электростатических вольтметров является: отсутствие собственного потребления мощности при измерениях на постоянном токе и очень малое потребление мощности на переменном.

 

Рисунок 7 -Устройство вольтметра Рисунок 8 - Устройство электро-