Магнитоэлектрические измерительные приборы

Магнитоэлектрические ИМ. Работа магнитоэлектрических ИМ основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Один из взаимодействующих элементов — подвижный—катушка (рамка) с током или постоянный магнит. Наиболее распространены ИМ с подвижной рамкой и внешним магнитом (рис. 5.5). ИМ состоит из внешнего магнита 1, магнитопровода 3 и цилиндрического сердечника 6. Внешний магнит изготовляют из магнитотвердого, а цилиндрический сердечник — из магнитомягкого материалов. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками магнита и подвижным цилиндрическим сердечником создается практически равномерное радиальное магнитное поле. В воздушном зазоре помещается рамка 5 из тонкого изолированного медного провода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляют полуоси или растяжки. Рамка может поворачиваться вместе с осью и стрелкой 2 вокруг цилиндрического сердечника. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 7, создающие противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат противовесы — грузики 4. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.

Рис. 5.5. Устройство магнитоэлектрического ИМ

При протекании по обмотке рамки постоянного тока I на активные стороны обмотки рамки действует пара сил F, создающая вращающий момент:

М = ∂w_э∂α = (∂Ψ/∂α) I = 2Fa/2 = BlanI, (5,8)

где w_э — энергия магнитного поля системы, состоящей из постоянного магнита и рамки с током I; Ψ — поток постоянного магнита, сцепленный с обмоткой рамки, по которой протекает ток; В — магнитная индукция в воздушном зазоре; l — активная длина рамки; а — ширина рамки; n — число витков обмотки рамки.

Произведение al равно активной площади s рамки. Соответственно

М = Bsnl = Ψ_o I, (5.9)

где Ψ_o — потокосцепление обмотки рамки при повороте ее на угол а=1 рад.

Вращающий момент ИМ с радиальным равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения а подвижной части. Под действием момента М подвижная часть поворачивается вокруг оси, тем самым закручивая спиральные пружины, создающие противодействующий момент.

При отклонении рамки на некоторый угол α вращающий и противодействующий моменты станут равными по значению, дальнейшее отклонение рамки прекратится. Из условия равенства моментов следует, что М = - М_α или Ψ_o I =Wα, откуда угол отклонения подвижной части механизма

α = (Bsn/W)I = S_II, (5.10)

где S_I — чувствительность измерительного механизма по току.

Из (5.10) следует, что отклонение α подвижной части ИМ линейно растет с увеличением тока I, т. е. шкала прибора равномерная.

Повышение чувствительности ИМ может быть достигнуто за счет увеличения индукции В в зазоре, числа витков п рамки или уменьшения удельного противодействующего момента W пружин. Увеличение индукции В за счет применения новых специальных сплавов (альнико, альни, магнико и др.) при изготовлении постоянных магнитов, обеспечивающих индукцию в зазоре 0,2—0,3 Тл, практически целесообразно.

При изменении направления тока I изменяется направление отклонения подвижной части ИМ; при включении ИМ в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период будет равно нулю.

В магнитоэлектрических ИМ успокоение подвижной части индукционное и электромагнитное. При отклонении подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки, а также в витках обмотки рамки, замкнутой на некоторое внешнее сопротивление, индуцируются токи, создающие совместно с полем постоянного магнита тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть.

Достоинства магнитоэлектрических ИМ: высокая чувствительность (ИМ обладает сильным собственным магнитным полем, поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); большая точность (из-за высокой стабильности элементов ИМ, незначительного влияния внешних магнитных полей); незначительное влияние на режим измеряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; хорошее успокоение; равномерность шкалы.

Недостатки ИМ: сложность изготовления, плохая перегрузочная способность, обусловленная легким перегревом пружин и изменением их свойств; температурные влияния на точность измерения.

Магнитоэлектрические ИМ используют:

в многопредельных, широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока;

в гальванометрах — высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой как для непосредственных измерений малых электрических токов 10^-5 —10^-12 А, напряжений менее 10^-4 В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях;

в светолучевых осциллографах (в вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, частота которых может быть от единиц герц до 10—15 кГц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электрические;

в аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектрических амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазометрах;

в комбинированных аналоговых вольтметрах, в которых магнитоэлектрические ИМ совместно с выпрямительными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения;

в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в омметрах, частотомерах и т. д.

Магнитоэлектрические амперметры. Основой амперметров является ИМ. В микро- и миллиамперметрах, предназначенных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измерительная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (сопротивление цепи измерительного механизма R_и=R_p+2R_пруж).

Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его теплового действия на упругие свойства спиральных противодействующих пружинок.

Рис. 5.6. Схема микроамперметра с шунтом

Рис. 5.7. Схема двухпредельного амперметра

Если измеряемый ток I превышает по значению ток полного отклонения I_и подвижной части, то параллельно цепи измерительного механизма ИМ подключается шунт (резистор), через который пропускается ток I_ш = = I — I_и (рис. 5.6). Сопротивление шунта R_ш определяется из условия

I_и R_и = I_ш R_ш = I [R_иR_ш/(R_и + R_ш)] = const. (5.11)

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления n= I/I_и , то его сопротивление

R_ш= R_и /(n - 1). (5.12)

Обычно R_ш= 10^-2 - 10^-4 Ом.

Магнитоэлектрические вольтметры. Магнитоэлектрический ИМ с включенным последовательно добавочным резистором можно использовать как вольтметр для измерения напряжения. Его подключают параллельно к объекту измерения. В измерительной цепи вольтметра измеряемое напряжение преобразуется в ток, необходимый для отклонения подвижной части ИМ.

Предел измерения U_v вольтметра зависит от тока полного отклонения I_v подвижной части и внутреннего сопротивления R_v вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки R_p, пружин 2R_пруж и резистора R'):

U_v=I_vR_v; R_v = R_р + 2R_пруж + R'. (5.15)

Ток полного отклонения I_v рамки магнитоэлектрических вольтметров составляет примерно 50 мкА.

Для изменения предела измерения напряжения Uv до U последовательно с вольтметром включается добавочный резистор, сопротивление R_д которого при заданном значении I_v определяется из выражений:

U_v/R_v = U/(R_v + R_д) = I_v = const; U = U_v + U_д;

R_д = R_v [(U/U_v)-l]= R_v (n - 1), (5.16)

где n = U/Uv — коэффициент расширения предела измерения вольтметра (множитель шкалы).

Рис 5.8. Схема трехпредельного вольтметра

В многопредельных вольтметрах (рис. 5.8) используют ступенчатое включение резисторов и для соответствующих пределов измерения напряжений U₁, U₂ при заданном токе рамки Iv сопротивления добавочных резисторов рассчитывают по формулам:

R_1д=R_v(n₁-1), или R_1д=(U₁/I_v)-R_v; (5-!7)

R_2д = R_v(n₂-1)- R_1д, или R_2д = (U₂- U₁)/I_v, (5.18)

где n₁ = U₁/U_v; n₂==U₂/V_v — коэффициенты расширения пределов.

Добавочные резисторы в основном изготовляют из манганинового провода, намотанного на круглые или плоские каркасы из изоляционного материала. Они могут быть внутренними (до 600 В) и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные резисторы, в свою очередь, могут быть индивидуальными и взаимозаменяемыми на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.

Магнитоэлектрические вольтметры имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но малое внутреннее сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от микровольт до 1,5 кВ.