Магнитоэлектрические механизмы

Механизмы этого типа основаны на взаимодействии поля постоянного тока, проходящего через катушку, с полем постоянного магнита, подвижная часть механизма представляет собой рамку (катушку) прямоугольной формы на алюминиевом каркасе либо без каркаса. Рамка может поворачиваться вокруг оси. Рамка крепится на жестких полуосях, вращающихся в опорах или на растяжках. К рамке подвешивается стрелка, уравновешиваемая грузиками. Магнитная цепь состоит из постоянного магнита с полюсными наконечниками, имеющими цилиндрическую расточку, цилиндрического сердечника и магнитопровода. Рамка вращается в зазоре между сердечником и полюсными наконечниками. В зазоре существует сильное, практически равномерное радиальное поле с индукцией В=μН, где Н – напряженность поля магнита, а μ - магнитная проницаемость воздуха. Энергия электромагнитного поля в зазоре определяется произведением :

W_e= ФI,

ГдеФ – поток, сцепляющийся с рамкой;I- ток в рамке.

Активными сторонами рамки являются стороны длиной l- рис. 5.1. Эти стороны при вращении рамки пересекают силовые линии поля магнита.

Обозначив площадь рамки через S=bl, можем записать

Ф=BS w α ,

где w – число витков рамки. Следовательно, вращающий момент равен:

М_пр= BS w I.

Противодействующий момент в свою очередь равен

М_пр=Wα ,

где W – удельный противодействующий момент пружин или растяжек. Для режима установившегося отклонения М_вр= М_пр :

BSwI = Wα,

откуда

α=BSwI/W.

Чувствительность прибора S`=BSw/Wпостоянна и не зависит от угла по- ворота α , что говорит о равномерности шкалы магнитоэлектрической системы приборов. Для получения отклонения стрелки в нужную сторону необходимо соблюдать полярность подключения рамки, указанную на приборе.

b

B

l

N S

I

Рис. 5.1. Принцип действия магнитоэлектрического механизма.

Для регулирования номинального угла отклонения служит магнитный шунт, представляющий собой пластину магнитомягкого материала, замыкающую магнитопровод. Регулируя положение магнитного шунта, производят наладку прибора.

Успокоение магнитоэлектрических приборов происходит за счет взаимодействия с вихревыми токами, наводимыми в алюминиевом каркасе рамки при ее движении.

Форма магнитопровода, магнита и сердечника могут быть различными. Чаще всего используется цилиндрический сердечник, вокруг которого вращается рамка - рис. 5.2. Магнитоэлектрические приборы используются только на постоянном токе. При подаче в рамку переменного тока i=Imsinωt среднее значение тока (а прибор реагирует на среднее значение) равно нулю. Но если в переменном токе будет содержаться постоянная составляющая, прибор покажет величину этой составляющей. При частотах ω переменного тока, меньше частоты собственных колебаний подвижной части (до 10 Гц), прибор может успевать за мгновенным значением входного тока.

К достоинствам измерительных механизмов магнитоэлектрической системы относятся: большая чувствительность

37

(самая высокая среди всех систем), малое собственное потребление, малое влияние внешних электромагнитных полей, равномерная шкала, слабое влияние переменных высокочастотных помех.

Недостатками приборов считают их сложность, высокую стоимость и чувствительность к электрическим и механическим перегрузкам.

сердечник

N Sмагнит

рамка

Рис. 5.2. Принцип реализации магнитоэлектрического механизма.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы являются основой амперметров и вольтметров постоянного тока.

При токах до 100 mА амперметр включают в цепь непосредственно, так, что весь ток проходит через обмотку рамки —

рис. 5.3:

R_с R_н При этом чувствительность

прибора равна чувствитель- ности измерительного механи-

I зма. Изменение температуры

среды сказывается на погреш-

ности измерения незначительно, т.к. при любом сопротивлении рамки прибор показывает реальный ток, проходящий по ней. Температура сказывается только на жесткости пружин противодействующего механизма.

В амперметрах на большие токи измерительный механизм включают через шунт – рис. 5.4. Чувствительность амперметра с шунтом :

S = S′/(R_н / R_ш+1)

R_ш R_н

І₀

I

R_c

Рис. 5.4. Включение амперметра через шунт.

Наличие шунта ухудшает температурную стабильность показаний за счет перераспределения токов между шунтом и измерительным механизмом.

Для ее уменьшения используют дополнительное сопротивление из манга-нина, имеющего малый ТКС, включаемое последовательно с рамкой R₀.

Правда, это еще более ухудшает чувствительность прибора. Этот способ используется для амперметров класса точности не лучше 1,0.

В приборах более высоких классов точности используют сложные (параллельно-последовательные) цепи температурной компенсации, используя дополнительные резисторы с ТКС разного знака, например, по схеме рис. 5.5.

R_ш І

R₁ - манганин

R₂ – медь

І_с R_c R₁ R₃ – манганин

R₃

R₃

Рис. 5.5. Последовательно-параллельная схема температурной

компенсации.

Для построения вольтметра магнитоэлектрический механизм включают к измеряемому напряжению через добавочный резистор - рис. 5.6. Значение добавочного резистора определяется из условия обеспечения тока полного отклонения I₀:

I₀=U/(R₀+R_д)

U

R₀ R_д

I₀

Рис. 5.6. Магнитоэлектрический вольтметр.

В вольтметрах R_д > Rо, поэтому влияние температуры на погрешность измерения незначительно, но с уменьшением предела измерения оно увеличивается. Магнитоэлектрические логометры содержат две рамки на одной оси, повернутые друг относительно друга. Логометр измеряет отношение токов, протекающих в обмотках рамок.

α=f(I₁, I₂)

В связи с тем, что вращающие моменты рамок противоположны, логометры не требуют специального создания противодействующего момента. Логометры чаще всего используются в омметрах для определения соотношения токов в плечах измерительной мостовой схемы.

Магнитоэлектрические амперметры изготавливаются на токи от 1 мкА и выше с классом точности от 0,1 до 2.5. На базе таких чувствительных приборов можно создать амперметр июли вольтметр с любым пределом измерения, необходимым на практике.

Существуют магнитоэлектрические приборы с неподвижной катушкой и подвижным магнитом. Такие приборы обладают невысокой точностью, но очень надежны в тяжелых условиях эксплуатации. Область их применения - устройства самолетной и автотракторной техники.