Магнитоэлектрические приборы

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы (рис. 2-5) основан на взаимодействии проводника с током (рамки 3) с магнитным полем постоянного магнита М.

Рис. 2-5

Подковообразный постоянный магнит М, стальные полюсные наконечники N и S, стальной цилиндр 2 образуют магнитную цепь (полюсные наконечники и стальной цилиндр служат для уменьшения магнитного сопротивления этой цепи). Благодаря форме полюсных наконечников в большей части воздушного зазора между цилиндром и наконечником создаётся радиально направленное однородное магнитное поле, в котором может поворачиваться подвижная рамка 3. Рамку прибора (обмотку) чаще всего выполняют из изолированного провода на лёгком алюминиевом каркасе, укреплённом на двух полуосях. Измеряемый ток проходит в рамку через токоведущие спиральные пружины 5, служащие одновременно и для создания противодействующего момента.

При протекании тока по рамке на её стороны, находящиеся в воздушном зазоре, действует пара сил (токи в этих сторонах рамки имеют противоположное направление), создающая вращающий момент и поворачивающая эту рамку в ту или иную сторону вокруг оси. Направление силы F, действующей на одну сторону рамки, может быть определено по правилу левой руки, а значение — по закону Ампера:

где В — магнитная индукция в зазоре, l — длина активной стороны рамки, I — сила тока в рамке, ω — число витков рамки, β — угол между плоскостью рамки и вектором индукции в воздушно зазоре.

Под действием этого вращающего момента рамка поворачивается/закручивая (или раскручивая) спиральные пружины, создающие противодействующий момент. Очевидно, что рамка будет поворачиваться до тех пор, пока противодействующий момент, увеличиваясь с углом поворота α, не окажется равным вращающему.

Таким образом, угол поворота стрелки магнитоэлектрического прибора пропорционален току в рамке и шкала такого прибора равномерная. Механизм магнитоэлектрического прибора может быть использован для устройства гальванометра, амперметра и вольтметра. Ток, проходя по обмотке рамки, создаёт напряжение равное приложенному, тогда

Где с — постоянная прибора по напряжению, k — постоянная характеризующая жёсткость пружины.

Из последнего соотношения следует, что магнитоэлектрический механизм можно использовать для изготовления вольтметра. В этом случае сопротивление рамки должно быть достаточно большим тем, чтобы прибор можно было включать параллельно нагрузкам. Однако для этого пришлось бы рамку делать из большего числа витков тонкой проволоки (а для амперметра — из небольшого числа витков толстой проволоки). Как в том, так и в другом случае рамка получилась бы тяжёлой, а прибор — грубым. На практике рамки амперметров и вольтметров не имеют принципиального различия. В первом случае рамку шунтируют, а во втором — последовательно с ней включают добавочное гасящее сопротивление.

Принцип градуирования магнитоэлектрического прибора в качестве вольтметра основан на прямой пропорциональной зависимости между током в рамке и приложенным к ней измеряемым напряжением.

Для переменных токов эти приборы без дополнительных устройств — выпрямителей — непригодны, так как направление отклонения стрелки прибора зависит от направления тока в рамке. Следовательно, в цепи переменного тока подвижная часть прибора ничего не покажет. Поэтому, если нулевое деление шкалы находится не в её середине, а на левом краю, то около зажимов прибора ставятся знаки «+» и «-», к которым следует подключать провода соответствующей полярности. При неправильном включении такого прибора стрелка упирается в ограничитель, стремясь уйти в противоположную сторону за нулевое деление шкалы.

Специальных успокоителей в магнитоэлектрических приборах не делают. Их роль выполняет алюминиевый замкнутый каркас, на который навивается рамка. При колебаниях каркаса в нём индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, и подвижная система прибора быстро успокаивается.

Изменения температуры окружающей среды могут влиять на изменения сопротивления прибора, плотности магнитного потока в воздушном зазоре и упругих свойств пружин, создающих противодействующий момент. Однако два последних обстоятельства приблизительно компенсируют друг друга. Например, повышение температуры вызывает ослабление магнитного потока в воздушном зазоре, т. е. вращающий момент уменьшается, при этом уменьшение упругости пружин примерно на столько же уменьшает противодействующий момент. Изменение сопротивления прибора из-за изменения температуры окружающей среды значительно сказывается на показаниях амперметров с шунтами, но почти не сказывается на показаниях вольтметров. У вольтметра сопротивление рамки значительно меньше добавочного сопротивления, а последнее изготовляют из манганиновой проволоки, имеющей незначительный температурный коэффициент. Поэтому сопротивление всего прибора почти не изменяется.

Для устранения температурной погрешности в некоторых приборах применяют специальные схемы так называемой температурной компенсации.

К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся:

- равномерная шкала;

- большая точность при малой чувствительности;

- высокая чувствительность при малой точности (гальванометр);

- малая чувствительность к внешним магнитным полям; малое потребление энергии.

Недостатками таких приборов являются:

- пригодность только для постоянных токов (без выпрямителей),

- большая чувствительность к перегрузкам,

- сравнительно высокая стоимость.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого измеряемым током, со стальным сердечником, помещённым в это поле. Неподвижная катушка 1 (рис. 2-6) состоит из каркаса с навитой изолированной медной проволокой или медной лентой. При протекании измеряемого тока по обмотке катушки в её плоской щели 2 создаётся магнитное поле. Вне катушки на агатовых подпятниках устанавливается ось 3 с эксцентрично укреплённым сердечником 4 из магнитомягкой стали со стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его внутрь щели, поворачивая тем самым и ось со стрелкой прибора. Этому повороту препятствует закручивающаяся спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент.

Рис. 2-6

Рис. 2-7

Пусть катушка с током I создаёт магнитное поле, которое намагничивает фасонный стальной сердечник и создаёт некоторую силу F, стремящуюся повернуть сердечник вокруг оси (рис. 2-7). При перемещении точки С сердечника по дуге dl будет совершена работа.

Работа совершается за счёт энергии магнитного поля катушки.

Повороту сердечника противодействует спиральная пружина, создавая противодействующий момент.

Вообще говоря, угол поворота сердечника сильно зависит от формы сердечника.

Полученный результат показывает, что шкала электромагнитного прибора неравномерная. Она, в основном, должна быть квадратичной, т. е. сжатой в начале и растянутой в конце. Однако путём придания фасонной формы сердечнику и расположением его в катушке можно существенно улучшить характер шкалы, сделав её практически равномерной в рабочей части.

Направление отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока одновременно изменяется направление магнитной индукции внутри катушки и в сердечнике, а характер их взаимодействия (притягивание) не изменяется. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны и для измерения переменных токов. При измерении переменного тока подвижная система прибора поворачивается на некоторый угол, определяемый средним значением вращающего момента за период.

Среднее значение вращающего момента, действующего на подвижную систему электромагнитного прибора при измерениях переменного тока, пропорционально квадрату действующего значения переменного тока. Квадратичная зависимость угла поворота подвижной системы электромагнитного прибора от тока имеет простое физическое объяснение: ток в катушке создаёт магнитное поле, которое намагничивает сердечник. В результате намагниченный сердечник взаимодействует с катушкой, при этом намагниченность сердечника изменяется вместе с изменениями тока в катушке.

Мы рассмотрели устройство и действие приборов с плоской катушкой. Помимо этой конструкции в настоящее время широкое применение получили так называемые приборы с круглой катушкой (рис. 2-8). Измеряемый ток протекает по обмотке круглой катушки 1 и создаёт внутри неё магнитное поле, в котором помещаются два стальных сердечника: один — неподвижный 2, прикреплённый к каркасу, другой — подвижный 3, связанный с осью прибора. Близлежащие концы сердечника под действием магнитного поля катушки намагничиваются одноименно и отталкиваются, вызывая соответствующий измеряемому току поворот подвижной системы.

Рис. 2-8

Электромагнитные приборы применяются как амперметры и как вольтметры. В последнем случае обмотка выполняется большим числом витков тонкой медной проволоки.

Применение стальных сердечников в электромагнитных приборах вызывает разные показания при измерениях в цепях постоянного и переменного токов, так как в цепях переменного тока добавляются потери на гистерезис и на вихревые токи. Поэтому электромагнитные приборы, как правило, градуируют либо для постоянного тока, либо для переменного. Для уменьшения погрешности от гистерезиса сердечники некоторых приборов (класс 0,2) изготовляют из специального сплава — пермаллоя с особо малым значением коэрцитивной силы. Для исключения влияния внешних полей у некоторых электромагнитных приборов применяют астатические измерительные механизмы (см. рис. 2-4, а).

Для успокоения колебаний подвижной системы в электромагнитных приборах с плоской катушкой применяют воздушные успокоители, а в приборах с круглой катушкой — чаще магнитоиндукционные.

Достоинствами электромагнитных приборов являются:

- простота конструкции;

- способность выдерживать большие перегрузки;

- пригодность для постоянных и переменных токов;

- невысокая стоимость;

- возможность широкого использования в качестве щитовых приборов.

Недостатки этих приборов:

- неравномерная шкала;

- влияние внешних магнитных полей на показания приборов;

- малая чувствительность.