Конструктивна будова, принцип дії та галузі застосування приладів електродинамічної та феродинамічної системи

Робота вимірювальних механізмів електродинамічної системи (рис.1)

Рис. 1

ґрунтується на взаємодії магнітних полів двох котушок зі струмами – нерухомої і рухомої.

Рухома котушка 1, закріплена на осі або розтяжках, може повертатися

відносно нерухомої (всередині нерухомої) котушки 2. Нерухома котушка звичайно складається з двох частин, розділених повітряним зазором. Магнітне поле замикається по повітрю. Обертальний момент переміщує стрілку 4 укріплену на осі 5, щодо шкали 3 (вказівник може бути і світловим). Заспокоювач 6 повітряного типу або магнітоіндукційний (при наявності екранування).

Порівняно з приладами магнітоелектричної системи електродинамічні більш чутливі до зовнішніх полів. Екранування приладу екраном з феромагнітного матеріалу істотно ослабляє вплив зовнішніх полів (вимірювальний механізм розміщується всередині одного або двох екранів з феромагнітного матеріалу). Інший прийом носить назву – астазування. В приладах такого типу використовують дві рухомі котушки, які створюють два обертаючі моменти. Котушки розташовані так, що зовнішнє магнітне поле збільшує один обертаючий момент і настільки ж зменшує інший. Сума моментів залишається незмінною. Астатичні механізми застосовуються порівняно рідко, оскільки мають порівняно складну конструкцію.

В результаті дії магнітного поля нерухомої котушки на рухому котушку, остання намагається зайняти таке положення, при якому напрям її магнітного потоку Ф₂ співпадає з напрямком магнітного потоку нерухомої котушки Ф₁.

Сила яка діє на котушку 1 , створює обертальний момент М_об

(1)

Електромагнітна енергія системи двох котушок, через які проходять струми I₁ і I₂ буде:

(2)

де L1, L2 - індуктивності котушок; М12 – взаємна індуктивність котушок.

Підставимо вираз (2) в формулу обертового моменту (1) і отримаємо:

(3)

Індуктивності котушок L1 і L2 не залежать від розміщення у просторі і є постійними, тому перші два доданки дорівнюють нулю, а взаємна індуктивність М12 залежить від кута повороту . Тоді обертальний момент:

(4)

Прирівнюючи обертальний момент до протидіючого, який створюється пружинами маємо:

, ; де W – питомий протидіючий момент.

Звідси отримаємо рівняння шкали (рівняння перетворення) механізму електродинамічної системи в загальному вигляді: . (5)

На змінному струмі рівняння перетворення має вигляд:

, (6)

де - кут між .

Переваги електродинамічних механізмів:

1 - однакові покази на постійному і змінному струмі (при послідовному з’єднані котушок), що дозволяє з великою точністю градуювати їх на постійному струмі; використовуються на постійному і змінному струмі;

2 - стабільність показів в часі;

3 - електродинамічний механізм має фазочутливі властивості і може використовуватись для вимірювання потужності.

Недоліки:

1 - чутливість до зовнішніх магнітних полів; температури навколишнього середовища, частоти струму;

2 - невисока чутливість до вимірюваної величини;

3 - велике власне споживання потужності;

4 - чутливість до перевантажень;

5 - квадратична (нерівномірна) шкала.

На основі електродинамічних механізмів випускають багатограничні лабораторні прилади високих класів точності (0,5; 0,2; 0,1) для вимірювання на постійному і на змінному струмі.

Випускають міліамперметри і амперметри з межами:

від 1мА до 10 А на частоті до 10 кГц,

вольтметри з межами:

від 1,5 В до 600 В на частоті до 5 кГц;

однофазні ватметри з межами:

за струмом від 25мА до 10А і за напругою від 15 до 600В.

Рис. 2

В електродинамічних і феродинамічних міліамперметрах рухому і нерухому котушки з’єднують послідовно (рис. 2,а). Якщо прилад використовують для вимірювання напруги, то вмикають додатковий резистор R_дод., який обмежує струм через прилад (рис. 2,б).

Паралельне включення обмоток використовують в амперметрах, розрахованих на великий струм (Рис. 2, в). При цьому основну частину струму пропускають по нерухомій котушці, яка намотується товстим дротом, внаслідок чого зменшується струм через рамку.

Незалежне включення котушок електродинамічного механізму застосовується у ватметрах – приладах для вимірювання потужності. При такому вмиканні відхилення рухомої частини пропорційне середній за період активній потужності, що розсіюється на R_н (Рис. 2, г).

Механізми феродинамічної системивідрізняються від електродинамічних механізмів наявністю магнітопроводу ( з магнітом’якого листового матеріалу) в нерухомій котушці.

Завдяки наявності осердя магнітний потік і, як наслідок, обертальний момент суттєво зростають.

Рівняння перетворення для механізму феродинамічної системи:

(6)

Де с – коефіцієнт , що визначається конструктивними параметрами і вибором системи одиниць; W – питомий протидіючий момент; - діючі значення струмів; cos - косинус зсуву фаз струмів і₁ та і₂.

Переваги феродинамічних приладів:

1 - менша (ніж у електродинамічних приладів) чутливість до зовнішніх магнітних полів;

2 - більший обертальний момент;

3 - менша власна споживана потужність.

Недоліки:

1 - нижча точність;

2 - менший частотний діапазон (ніж у електродинамічних приладів).

Застосування: Виготовляють вібро- і удароміцні щитові феродинамічні амперметри і вольтметри класів точності 1,5 і 2,5, переносні амперметри і вольтметри класу точності 0,5, щитові і переносні ватметри класу точності 0,2 і 0,5. Використовуються вони переважно на змінному струмі промислової частоти.

Широко використовуються електродинамічні і феродинамічні логометричні механізми, на основі яких виготовляють прилади для вимірювання зсуву фаз, частоти, ємності, індуктивності.