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.