Магнитоэлектричекская система

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Применяя различные преобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы можно использовать также для электрических измерений в цепях переменного тока высокой частоты, для измерения неэлектрических величин, - температуры, давлений, перемещений и т.д. Лабораторные измерения на постоянном токе производятся преимущественно посредством магнитоэлектрических приборов.

Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток. Схема устройства такого прибора показана на рис 1.;

Рисунок 1

Магнитное поле создается сильным постоянным магнитом М подковообразной формы, к ножкам которого прикреплены полюсные наконечники, обращенные друг к другу вогнутыми цилиндрическими поверхностями. Между ними неподвижно укреплен железный цилиндр. В небольшом воздушном зазоре между железным цилиндром и полюсными наконечниками может свободно поворачиваться на оси катушка 3, охватывающая железный цилиндр 2. Катушка состоит из алюминиевого каркаса прямоугольной формы с намотанной тонкой проволокой. На оси 0 укреплена стрелка 4, конец которой перемещается по шкале с делениями. Взаимодействие магнитного поля тока, проходящего по обмотке катушки, и магнитного потока в воздушном зазоре обусловливает возникновение вращающего момента, под действием которого катушка стремится повернуться. Противодействующий момент создается двумя спиральными пружинками 5, закрученными в разные стороны. Пружинки служат в то же время для подвода тока. При пропускании постоянного тока через обмотку катушки последняя будет поворачиваться до тех пор, пока противодействующий момент, увеличиваясь с углом отклонения; не станет равным вращательному моменту.

В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент пропорционален силе проходящего тока . Так как противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинками, пропорционален углу закручивания , то угол отклонения катушки, а следовательно, и скрепленной с нею стрелки, будет пропорционален силе протекающего по обмотке тока. Действительно, М₁ = М₂, тогда a = К × I,

где .

Линейная зависимость между током и углом отклонения обеспечивает равномерность шкалы прибора. Корректор позволяет изменить положение закрепленного конца одной из спиральных пружинок и тем самым производить установку стрелки прибора на нуль. В силу того, что каркас подвижной катушки сделан из алюминия, т.е. из проводника, то возникающая в нем при движении в магнитном поле индукционные токи создают тормозящий момент, что обусловливает быстрое успокоение. Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются:

1) высокая чувствительность и точность показания;

2) малое потребление энергии;

3) равномерность шкалы;

4) апериодичность (стрелка быстро устанавливается на соответствующем делении без колебаний). К недостаткам приборов этой системы относится чувствительность к перегрузкам.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА

Приборы электромагнитной системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепи переменного и постоянного тока. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки 1, по которой протекает измеряемый ток и подвижного железного сердечника (рис. 2).

Рисунок 2

Железный сердечник особой формы с отверстиями закреплен эксцентрично на оси и может входит в щель катушки, поворачиваясь вокруг оси.

Под действием магнитного поля катушки сердечник втягивается в катушку по мере увеличения в ней силы тока. Противодействующий момент создается спиральной пружиной. Приборы электромагнитной системы снабжаются воздушный успокоителем, представляющим собой камеру, в которой перемещается алюминиевый поршенек (демпфер). При повороте сердечника поршенек встречает сопротивление воздуха, вследствие чего колебания подвижной части быстро затухают. Магнитное поле катушки пропорционально току; намагничивание железного сердечника тоже увеличивается с возрастанием тока. Поэтому можно приближенно считать, что в электромагнитном приборе вращающий момент М₁ пропорционален квадрату тока:

где К₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора.

Противодействующий момент М₂, создаваемый пружиной, пропорционален углу поворота подвижной части прибора:

где К₂ – коэффициент пропорциональности, зависящий от упругих свойств пружины.

Равновесие подвижной части прибора определяется равенством моментов, действующих на нее в противоположных направлениях, т.е. М₁ = М₂ откуда

где К = . Выражение показывает, что шкала электромагнитного прибора неравномерная, квадратичная; с изменением направления тока меняется как направление магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерения, как на постоянном, так и на переменном токе низких частот. Достоинством приборов электромагнитной системы являются:

1) возможность измерения как постоянного, так и переменного тока;

2) простота конструкций;

3) механическая прочность;

4) выносливость в отношении перегрузок.

К недостаткам этой системы относятся: неравномерность шкалы, меньшая точность, чем в магнитоэлектрических приборах, зависимость показаний от внешних магнитных полей.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Электродинамические измерительные приборы предназначены для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного токов. Принцип действия приборов электродинамической систем основан на взаимодействии катушек, по которым протекает измеряемый ток. Таким образом, приборы электродинамической системы отличаются от приборов магнитоэлектрической системы тем, что магнитное поле создается не постоянным магнитом, а катушкой, питаемой измеряемым током, На рис. 3 схематически изображено устройство электродинамического прибора.

Рисунок 3

Внутри неподвижно закрепленной катушки может вращаться на оси подвижная катушка, с которой жестко связана стрелка, перемещающаяся над шкалой. Противодействующий момент создается спиральными пружинами. Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки и тока в подвижной катушке создается вращающий момент М₁, под влиянием которого подвижная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельной плоскости витков неподвижной катушки, а их магнитные поля совпадали бы по направлению. Этому противодействуют пружинки, вследствие чего подвижная катушка устанавливается в положение, когда вращающий момент становится равным противодействующему

Катушки в электродинамических приборах, в зависимости от назначения, соединяются между собой последовательно или параллельно. Если катушки прибора соединить параллельно, то он может быть использован как амперметр. Если катушки соединить последовательно и присоединить к ним добавочное сопротивление, то прибор может быть использован как вольтметр.

В первом приближении вращающий момент М₁, действующий на подвижную катушку, пропорционален как току I₁ в неподвижной катушке, так и току I₂ в подвижной катушке:

где К₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора.

Пружина, закручивающиеся при вращении подвижной катушки, создают противодействующий момент М₂, пропорциональный углу a на который повернулась катушка

где К₂ – коэффициент пропорциональности, зависящий от упругих свойств пружины. При равентстве моментов М₁ и М₂ подвижная катушка остановится. Тогда

где . Если катушки соединены последовательно, то

Эти выражения показывают, что шкала электродинамического прибора неравномерная. Однако подбором конструкции катушек можно улучшить шкалу, т.е. приблизить к равномерной.

При перемене направления тока в обеих катушках напряжение вращающего момента не меняется. Отсюда следует, что приборы этой системы пригодны для измерений, как на постоянном, так и на переменном токе. Торможение в этих приборах также, как и в электромагнитных, достигается с помощью воздушного успокоителя.

В электроизмерительной практике, для измерения потребляемой в цепи мощности широко применяется электродинамический ваттметр. Он состоит из двух катушек: неподвижной, с небольшим числом витков толстой проволоки, включаемой последовательно с тем участком цепи, в котором требуется измерить расходуемую мощность, и подвижной, содержащей большое число витков тонкой приволоки и помещенной на оси внутри неподвижной катушки. Подвижная катушка включается в цепь подобно вольтметру, т.е. параллельно потребителю, и для увеличения ее сопротивления R₂ последовательно. с ней вводится добавочное сопротивление r_d. Пусть ток в первой катушке I₁, во второй – I₂. По закону Ома напряжение на зажимах. нагрузки равно:

откуда

Поставив значение I₂ в выражение (1) для, a, получим

Таким образом, отклонение подвижной части пропорционально мощности и поэтому шкалу прибора можно проградуировать в ваттах.

Из этого также следует, что ваттметр этой системы имеет равномерную шкалу.

Достоинствами приборов электродинамической системы являются:

1) возможность измерения, как на постоянном, так и на переменном токе;

2) достаточная точность.

К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы у амперметров и вольтметров; чувствительность к внешним магнитным полям; большая чувствительность к перегрузкам. Электродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом в качестве контрольных приборов для измерений в цепях переменного тока.

ВИБРАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Устройство приборов этой системы основано на резонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы в основном применяются в качестве герцметров, служащих для измерения частоты тока.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Эта система основана на применении одной или нескольких термопар, дающих под влиянием тепла, выделяемого измеряемым током, постоянный ток в измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Приборы термоэлектрической системы в основном применяются для измерения переменных токов высокой частоты.