Приборы магнитоэлектрической системы

В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой), по которой протекает измеряемый ток. Конструктивно различают магнитоэлектрические механизмы с подвижной рамкой и с подвижным магнитом. Наиболее широко распространен механизм с подвижной рамкой. В свою очередь измерительные механизмы с подвижной рамкой делятся на механизмы с внешним магнитом и с внутренним магнитом. По способу создания противодействующего момента магнитоэлектрические измерительные механизмы подразделяются на измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом (логометры).

Момент успокоения создается магнитоиндукционным путем (без применения специальных успокоителей) за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной рамки и в цепи самой рамки, с полем постоянного магнита.

По существовавшей до недавнего времени классификации в названии типа приборов используется буква М (например, М4263).

На рис. 3.4 показана конструкция прибора с подвижной рамкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод 2 с полюсными наконечниками 3 и неподвижный сердечник 4 составляют магнитную систему механизма. В зазоре 7 между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 6, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или без каркаса). Спиральные пружинки 5 создают противодействующий момент и одновременно используются для подачи измеряемого тока в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 8.

Рис. 3.2. Конструкция магнитоэлектрического механизма

Рис. 3.3. Амперметр (а) и многопредельный вольтметр (б)

магнитоэлектрической системы

Вращающий момент, действующий на рамку

где B – магнитная индукция; S – площадь рамки; w – число витков обмотки рамки; i – измеряемый ток.

Угол поворота подвижной части измерительного механизма

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента; S_I – чувствительность измерительного механизма по току.

Отсюда следует, что магнитоэлектрический измерительный механизм с механическим противодействующим моментом непосредственно является измерителем тока. Кроме того, поскольку S_I, есть величина постоянная, не зависящая от измеряемой величины и угла поворота подвижной части, прибор будет иметь равномерную шкалу.

Если ток синусоидальный (i = I_m sin ωt), то мгновенное значение вращающего момента M_вpt = BSwI_m sin ωt. Учитывая, что у магнитоэлектрических измерительных механизмов период собственных колебаний подвижной части приблизительно 1 с, на частотах свыше 10 Гц рамка в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения тока.

Вследствие этого угол поворота подвижной части будет определяться средним за период Т значением вращающего момента

Таким образом, при синусоидальном токе М_вр и, соответственно, угол поворота подвижной части ∝ равны нулю. Поэтому для измерений на синусоидальном токе магнитоэлектрические измерительные механизмы не применяют.

При протекании по рамке переменного несинусоидального тока магнитоэлектрический прибор будет измерять постоянную составляющую.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом применяются в амперметрах и вольтметрах постоянного тока, гальванометрах, а также в некоторых типах омметров.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры.В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно или с помощью шунта. Непосредственное включение применяется в микро- и миллиамперметрах при измерении токов не более 30 мА. В остальных случаях в амперметрах используют шунты, поскольку высокие значения измеряемого тока недопустимы для токоподводящих пружинок и провода подвижной рамки. В многопредельных амперметрах используют многопредельные шунты.

В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается добавочный резистор (рис. ). В многопредельных вольтметрах используют цепочку добавочных резисторов.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры позволяют проводить измерения в широком диапазоне токов и напряжений – от сотых долей микроампера и десятых долей милливольта до десятков килоампер и сотен киловольт. Этот диапазон определяется высокой чувствительностью измерительного механизма (при измерениях малых токов и напряжений) и возможностями применяемых шунтов и добавочных резисторов (при измерении больших токов и напряжений).

Переносные магнитоэлектрические приборы в большинстве случаев делают высокоточными (классов 0,1 – 0,5), многопредельными и часто комбинированными. Щитовые приборы, как правило, являются однопредельными, чаще всего классов точности 1,0, 1,5 и 2,5.

Основными достоинствами магнитоэлектрических приборов являются равномерная шкала, высокая точность и высокая чувствительность.

Равномерность шкалы связана с независимостью чувствительности от угла поворота подвижной части и измеряемой величины. Высокая точность объясняется рядом причин. Равномерная шкала позволяет уменьшить погрешности градуировки и отсчета. Влияние внешних электрических полей отсутствует, а влияние внешних магнитных полей незначительно благодаря сильному собственному магнитному полю в воздушном зазоре (0,2 – 1,2 Тл). По этой же причине приборы имеют малое собственное потребление энергии. В отношении чувствительности магнитоэлектрические приборы не имеют себе равных среди электромеханических приборов. Например, микроамперметр М95 имеет ток полного отклонения 0,1 мкА (при классе точности 1,0). Поэтому гальванометры в большинстве случаев являются магнитоэлектрическими.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов следует отнести невозможность их непосредственного применения для измерения в цепях переменного тока, невысокую перегрузочную способность (при перегрузке перегорают токоподводящие пружинки или растяжки), Подверженность влиянию температуры. Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является амперметр с шунтом. При неизменном токе с повышением температуры сопротивления измерительного механизма и шунта меняются по-разному, вследствие чего происходит перераспределение токов между шунтом и подвижной катушкой. Для уменьшения возникающей температурной погрешности применяют схемы термокомпенсации.

Магнитоэлектрические гальванометры.Высокочувствительные приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используют в качестве нуль индикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится посередине шкалы.

Так как чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от 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 метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки. Чувствительность гальванометров зависит от способа крепления рамки: на кернах (а), на растяжках (б) и на подвесе (в).

Рис. 3.3. Способы крепления рамки гальванометра:

на кернах (а), на растяжках (б), на подвесе (в)

Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие ленты или нити из специальных сплавов. Они служат для создания противодействующего момента и одновременно для подвода измеряемого тока. В особо чувствительных гальванометрах рамка установлена на подвесе (рис. 3.8, в). В гальванометрах с рамкой на подвесе вторым проводником является тончайшая лента или нить, не создающая противодействующего момента. Современные гальванометры позволяют измерять токи 10^-5... 10^-12 А и напряжения до 10^-4 В.

Магнитоэлектрические логометры. В логометрах противодействующий момент создается электрическим путем. Подвижная часть этих приборов состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, по которым протекают токи I₁ и I₂. Токи в рамках направлены таким образом, что создаваемые ими моменты действуют навстречу друг другу. Приняв один из моментов вращающим, другой можно считать противодействующим.

Угол поворота подвижной части зависит от отношения токов в его обмотках:

Магнитоэлектрические логометры применяются в мегаометрах – приборах для измерения больших сопротивлений. Схема магнитоэлектрического мегаомметра представлена на рис. 8.5. На этой схеме 1 и 2 – рамки логометра с сопротивлениями R₁ и R₂; R_н и R_д – добавочные резисторы, постоянно включенные в схему; R_х – измеряемое сопротивление; U – напряжение источника питания, в качестве которого применяется магнитоэлектрический генератор с ручным приводом, встроенный в корпус прибора. Так как

то

то есть угол отклонения подвижной части определяется значением R_x и не зависит от напряжения источника питания U. Современные мегаомметры имеют класс точности 1,0; 1,5.

Рис. 8.5. Схема включения логометрического измерительного

механизма в магнитоэлектрическом мегаомметре