Приборы магнитоэлектрической системы

В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм прибора может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой. На рис. 4.4 показана конструкция прибора с подвижной рамкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 4, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или без каркаса). Рамка закреплена между

Рис. 4.4. Устройство прибора магнитоэлектрической системы

полуосями 5. Спиральные пружинки 6, предназначенные для создания противодействующего момента, одновременно используются для подачи измеряемого тока в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 7. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 8.

Выражение для вращающего момента, действующего на подвижную систему при прохождении через рамку тока I, получим, используя формулу для силы Лоренца, воздействующей на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

На рис. 4.5 изображена рамка прибора, находящаяся в зазоре магнитной системы.

Рис. 4.5. Рамка с током в магнитном поле

При прохождении электрического тока I через проводник длиной l, расположенный в магнитном поле с индукцией B, на проводник действует сила F, определяемая формулой

,

где – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Рабочими участками витка проволоки, намотанной на рамку, являются отрезки длиной l, расположенные на сторонах рамки, параллельных оси вращения.

Для этих отрезков угол между направлением тока и вектором магнитной индукции равен 90°; следовательно, на отрезок проволоки длиной l действует сила F = IBl. При этом силы, действующие на противоположные отрезки витков, равны, но противоположны по направлению. В результате на рамку из w витков проволоки действует вращающий момент

, (4.4)

где b – ширина рамки; S_p – площадь рамки. Приравняв (4.2) и (4.4), получим

. (4.5)

Согласно (4.5) угол отклонения подвижной части пропорционален току, протекающему по рамке. Коэффициент пропорциональности

,

называется чувствительностью магнитоэлектрического прибора к току. Для получения зависимости угла отклонения a от приложенного к рамке напряжения подставим в (4.5) I = U/R_р, где R_р – сопротивление рамки,

,

где S_U – чувствительность магнитоэлектрического прибора к напряжению.

Чувствительности S_I и S_U являются постоянными величинами, зависящими лишь от параметров измерительной цепи и механизма. Отсюда следует, что шкала магнитоэлектрического прибора равномерна, а изменение направления тока, протекающего через рамку, ведет к изменению направления угла отклонения стрелки.

Подвижная система измерительного механизма магнитоэлектрических приборов обладает значительной инерцией, поэтому такие приборы реагируют лишь на постоянную составляющую тока и непригодны для измерения переменного тока или напряжения. Для измерений в цепях переменного тока необходимо предварительно преобразовать переменный ток в постоянный.

Из группы аналоговых электромеханических приборов приборы магнитоэлектрической системы относятся к числу наиболее точных и чувствительных. Изменения температуры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Равномерная шкала, малое потребление энергии также относятся к достоинствам магнитоэлектрических приборов.

Поскольку рамка прибора намотана тонким проводом, это не позволяет пропускать через нее токи, превышающие десятки миллиампер. Превышение указанных значений может привести к повреждению провода рамки или спиральной пружинки. Таким образом, возникает задача расширения пределов измерения магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.

Расширение пределов измерения амперметров достигается включением шунта параллельно прибору (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Расширение пределов измерения амперметра

Сопротивление шунта R_ш должно быть меньше сопротивления рамки прибора R_р и подбирается так, чтобы при измерении основная часть измеряемого тока проходила через шунт, а ток, протекающий через рамку прибора, не превышал допустимого значения. Если необходимо иметь верхний предел измерения амперметра I, а верхний предел измерения без шунта I_A, то сопротивление шунта

,

где .

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до нескольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Для измерения больших токов (до нескольких тысяч ампер) применяются наружные шунты. В целях стандартизации наружные шунты выпускаются на различные номинальные падения напряжения (от 45 до 300 мВ) и классов точности от 0,02 до 0,5.

Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с сопротивлением рамки включается добавочное сопротивление R_Д (рис. 4.7), которое ограничивает ток в рамке прибора до допустимых пределов.

Рис. 4.7 Расширение пределов измерения вольтметра

Если необходимо измерять напряжение U, а верхний предел измерения прибора U_в, то величина добавочного сопротивления должна быть

,

где .

Добавочные сопротивления также бывают внутренними, встроенными в корпус вольтметра (при напряжении до 600 В) или наружными (при напряжении 600…1500 В). Наружные добавочные сопротивления выпускаются на определенные номинальные токи (от 0,5 до 30 мА) и имеют классы точности от 0,02 до 1. Шунты и добавочные сопротивления изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением (манганин, константан), имеющих температурный коэффициент сопротивления, близкий к нулю.

Гальванометры

Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используют в качестве нуль-индикатора, фиксирующего отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится в середине шкалы.

Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому чувствительные гальванометры при выпуске из производства не градуируются в единицах измеряемой физической величины и им не присваиваются классы точности. В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки. Чувствительность гальванометров зависит от способа крепления рамки. Различают гальванометры с рамкой на кернах, на растяжках и на подвесе.

В гальванометрах с подвижной частью на кернах рамка снабжена двумя полуосями с впрессованными в них стальными кернами. Керны опираются на корундовые или рубиновые подпятники (рис. 4.8, а). Чувствительность такого гальванометра ограничивается трением керна о подпятники.

Рис. 4.8. Способы крепления рамки гальванометров

Для повышения чувствительности рамку гальванометра устанавливают на растяжках (рис. 4.8, б), а в особо чувствительных гальванометрах на подвесе (рис. 4.8, в). Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие ленты или нити из специальных сплавов. Измеряемый ток поступает в рамку через ленты или нити; они одновременно служат для создания противодействующего момента. В гальванометрах с рамкой на подвесе вторым проводником является тончайшая нить, не создающая противодействующего момента.

Гальванометры позволяют измерять токи в пределах 10^–5…10^–12 А и напряжения до 10^–4 В.