Магнитоэлектрическая система

В приборах этой системы используется взаимодействие между проводником с током и постоянным магнитом. Измеряемый ток протекает по катушке А, подвешенный между полюсами постоянного магнита NS (рис.1).

Между полюсными наконечниками магнита, имеющими полукруглую форму, вставлен цилиндрический сердечник из мягкого железа. Благодаря малой ширине кольцевого зазора напряженность магнитного поля в нем очень велика, что обеспечивает высокую чувствительность прибора. Кроме того, магнитное поле имеет одинаковую величину напряженности по всей длине зазора В, и силовые линии направлены

всюду по радиусам цилиндра (радиальное поле), что обеспечивает равномерность шкалы прибора. Катушка выполнена в виде легкой рамки и подвешена так, что она может свободно поворачиваться в зазоре В. Когда по катушке течет ток, на нее со стороны магнитного поля в зазоре действуют силы, стремящиеся повернуть рамку с током и поставить её в такое положение, в котором магнитный поток, охватываемый током, максимален. Момент этих сил (отклоняющий момент М_от) пропорционален силе тока, а также площади рамки, числу витков и напряженности (точнее индукции) магнитного поля в зазоре. Очевидно, что если каким-то способом измерить момент М_от, то можно будет определить силу тока, текущего по катушке.

Возможность измерения отклоняющего момента обеспечивается тем, что рамка удерживается в своем начальном положении упругими силами. Они создаются либо спиральными пружинами С₁, С₂. прикрепленными одним концом к оси рамки, а другим - к неподвижным частям прибора, либо упругой нитью, на которой подвешена рамка. Если рамка под действием тока отклонилась на угол от начального положения, то вследствие деформации пружин или нити возникнут силы упругости, стремящиеся вернуть рамку в первоначальное положение. Момент упругих сил (возвращающий момент М_В) зависит от угла отклонения рамки; в силу закона Гука он может считаться пропорциональным этому углу. Очевидно, что рамка будет отклоняться до тех пор, пока возвращающий момент М_В не уравновесит отклоняющий момент М_от. Таким образом, равновесный угол отклонения будет зависеть от силы тока. Отсчитывая этот угол по шкале, с помощью скрепленной с рамкой стрелки или зеркала, можно определить силу тока, если прибор предварительно проградуирован.

Вид зависимости угла отклонения j от силы тока i неодинаков у приборов различных систем. Для магнитоэлектрических приборов характерна линейная зависимость: j ~ i, т.е. равномерная шкала (чувствительность не зависит от силы тока). Это обеспечивается тем, что отклоняющий момент М_от пропорционален току i и не зависит от угла поворота . Действительно, при радиальной форме поля в зазоре плоскость рамки при любой ориентации параллельна силовым линиям.

Отклонения от строго равномерной шкалы могут возникнуть только из-за случайных погрешностей в изготовлении прибора, например, из-за непостоянства ширины зазора.

Укажем еще ряд существенных деталей конструкции магнитоэлектрических приборов. Ток в рамку подводится через пружинки , , которые служат для создания возвращающего момента. Рамка стрелочных приборов делается из алюминия и кроме своей основной роли - служить каркасом для катушки - выполняет функции успокоителя (демпфера). При движении рамки в магнитном поле в ней индуцируется электродвижущая сила и возникает ток, пропорциональный скорости пересечения силовых линий. Магнитное поле действует на этот ток, создавая момент, направленный (по правилу Ленца) навстречу направлению вращения рамки. Если бы этого тормозящего момента не было, подвижная система прибора после отклонения длительное время колебалась бы около нового положения равновесия; колебания затухали бы только из-за незначительного трения в подшипниках и о воздух. К рамке прикреплены стальные полуоси, заканчивающиеся остриями - кернами, которые входят в углубления агатовых подшипников, запресованных на концах винтов Н.

Стрелка D укреплена на оси и перемещается над шкалой. Противовесы М устанавливаются так, чтобы центр тяжести подвижной системы находился на оси вращения. Наружный конец одной из пружин , крепится к поводку К, который может поворачиваться вокруг оси прибора. Этот механизм корректора позволяет в некоторых пределах изменять положение равновесия подвижной системы, устанавливая указатель на нулевое деление шкалы.

Для измерений на постоянном токе применяются почти исключительно магнитоэлектрические приборы. Их достоинствами являются высокая чувствительность, большая точность, равномерность шкалы. Внешние поля слабо влияют на показания магнитоэлектрических приборов, так как их рамка находится в почти замкнутом пространстве и в сильном поле собственного магнита. Главным недостатком магнитоэлектрических приборов является невозможность измерения переменных токов.

Электромагнитная система

В приборах этой системы (рис.2) измеряемый ток, проходя по катушке А, создает магнитное поле, в которое втягивается сердечник В из мягкого железа. Сердечник выполняется обычно в виде тонкого листка, эксцентрично насаженного на ось С. Втягиваясь в катушку, он поворачивается на оси и поворачивает скрепленную с осью стрелку К. Сила, действующая на сердечник, пропорциональна напряженности поля и намагниченности сердечника, а намагниченность сердечника в свою очередь пропорциональна напряженности.

Таким образом, отклоняющий момент пропорционален квадрату напряженности и, следовательно, квадрату силы тока. Возвращающий момент создается спиральными пружинами, как и в магнитоэлектрических приборах, т.е. возвращающий момент пропорционален углу отклонения .

Если бы отклоняющий момент М_от не зависел от , то шкала прибора была бы квадратичной. В действительности силы, действующие на сердечник,

зависят от его положения. Эту зависимость обычно используют для того, чтобы сделать шкалу более равномерной. В качестве успокоителя в электромагнитных приборах применяется воздушный демпфер - поршень Е, связанный с осью и двигающийся в небольшом зазоре в закрытой коробке D. Трение вытесняемого из коробки через зазор воздуха создает тормозящий момент, успокаивающий колебания подвижной системы.

Реже используется индукционный успокоитель - алюминиевый листок, движущийся в зазоре постоянного магнита. Тормозящий момент создается действием магнитного поля на токи Фуко, индуцируемые в листке при его движении. Такой успокоитель конструктивно проще, чем воздушный, но его применение затруднено тем, что поле постоянного магнита изменяет показания прибора.

К достоинствам электромагнитных приборов относится простота конструкции и дешевизна, а также выносливость к перегрузкам, поскольку в них нет токонесущих подвижных частей. Главное же их достоинство - возможность работы на переменном токе, поскольку направления намагниченности сердечника изменяется одновременно с изменением направления тока.

Недостатками приборов электромагнитной системы являются неравномерность шкалы, невысокая точность (это связано с гистерезисом в железе сердечника) и чувствительность к внешним магнитным полям.