Магнитоэлектрические измерительные приборы

Магнито­электрический измерительный механизм состоит из постоянного магнита и проводника с током, выполняемого обычно в виде рамки (катушки), по которой протекает измеряемый ток. Вращаю­щий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и проводника с током.

Конструктивно различают маг­нитоэлектрические механизмы с подвижной рамкой и с подвижным магнитом. Наиболее широко распространен механизм с подвижной рамкой.

По способу создания противодействующего, момента магнитоэлектрические измерительные механизмы подразделяются на измерительные механизмы с ме­ханическим противодействующим моментом и с электрическим противодейст­вующим моментом (логометры).

Момент успокоения создается магнитоиндукционным путем без применения специальных успокоителей за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралю­миниевом каркасе подвижной рамки и в цепи самой рамки, с полем постоянного магнита.

1.3.1 Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим проти­водействующим моментом.

На рис.1.3 показано устройство магнитоэлектриче­ского измерительного механизма с подвижной рамкой (катушкой) и внешним магнитом, где 1 — постоянный магнит, 2 — магнитопровод, 3 — полюсные нако­нечники, 4 — неподвижный сердечник, 5 — спиральная пружина, 6 — подвижная рамка, 7 — рабочий воздушный зазор, 8указатель. Ток к подвижной рамке подводится через две спиральные пружины.

Рис.1.3. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма с подвижной рамкой

При протекании через рамку тока I возникает вращающий момент М_ВР. Рамка перемещается в узком воздушном зазоре толщиной 1...2 мм, в котором создается радиальное магнитное поле с постоянной магнитной индук­цией В.

Для получения зависимости между углом отклонения и током в рамке обратимся к уравнению (1.2), которое применительно к на­шему случаю представляется так:

(1.6)

где Ф — магнитный поток, сцепляющийся с обмоткой рамки; I — ток в обмотке рамки.

Величина Ф может быть подсчитана как произведение индукции В в воздушном зазоре, числа витков w обмотки рамки и суммы пло­щадей двух боковых поверхностей, опи­санных активными сторонами подвиж­ной рамки при ее повороте на угол α от нейтрального положения (оси О₁ — О₂).

В соответствии с (рис. 1.3) активными сторонами обмотки рамки будут являть­ся стороны, расположенные в плоско­сти, перпендикулярной рисунку. Сто­роны рамки, находящиеся в плоскости рисунка, при своем движении скользят вдоль силовых линий, не пересекая их, и поэтому не будут участ­вовать в создании вращающего момента. Следовательно,

Ф = Bswα.

где В – магнитная индукция; s – площадь активных сторон рамки; w – число витков рамки; α - угол отклонения рамки от нейтрального положения.

Подставляя это выражение в формулу (1.6) и дифференцируя его, учитывая, что радиальное поле не зависит от угла поворота рамки α, получим

М = BswI. (1.7)

Так как противодействующий момент создается упругими эле­ментами, то можно воспользоваться формулой M_ПР = -W·α и для установившегося режима написать

BswI = W·α

Откуда

(1.8)

Как видно из выражения (1.8), при перемене направления тока в обмотке рамки меняется на обратное и направление отклонения подвижной части.

Для получения отклонения указателя в нужную сторону необ­ходимо при включении прибора соблюдать указанную на приборе полярность.

Из выражения (1.8) и определения понятия чувствительности следует, что для магнитоэлектрических измерительных механизмов и, следовательно, для магнитоэлектрических приборов чувствитель­ность

(1.9)

Из уравнения (1.9) видно, что чувствительность магнитоэлектри­ческого прибора не зависит от угла отклонения и постоянна по всей шкале, следовательно, магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу.

Приборы магнитоэлектрической системы предназначены только для измерения постоянного тока, т.к. в случае переменного тока вращающий момент будет изменять направление с частотой, равной частоте тока.

Достоинства: высокий класс точности — 0,05 и ниже, равномерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое собственное потребление мощности, большой диапазон измерений, на показания магнитоэлектрических приборов не влияют внешние магнитные и электрические поля.

Недостатки: без преобразователей магнитоэлектрические приборы используют только в цепях постоянного тока, имеют малую нагрузочную способность, сложны и дороги, на их показания влияют колебания температуры.

Применение: магнитоэлектрические исполнительные механизмы с механическим противодействующим моментом используют в амперметрах вольтметрах, омметрах и гальванометрах.

Амперметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, позволяет измерять токи порядка 20... 50 мА. Превышение указанных значений может повести к повреждениям провода рамки и спиральной пружины. Таким образом, сам магнитоэлектрический механизм может выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой манганиновые резисторы, сопротивление которых мало зависит от температуры. Обычно оно во много раз меньше сопротивления рамки R_Р магнитоэлектрического измерительного механизма. Поэтому при включении шунта параллельно рамке (рис. 1.4,а) основная часть измеряемого тока I проходит через шунт, а ток I_Р, проходящий через рамку измерительного механизма, не превышает допустимого значения. Отношение I/I_Р = n, показывающее, во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, называется коэффициентом шунтирования. Сопротивление шунта, которое необходимо выбрать для получения требуемого коэффициента шунтирования, нетрудно определить: I_ШR_Ш = I_РR_Р и I_Ш = I – I_Р, откуда следует, R_Ш = R_Р/(n - 1) .

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до не- скольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Измерение больших токов (до нескольких тысяч ампер) осуществляют при помощи наружных шунтов, которые имеют определенные номинальные падения напряжения (45, 60, 75, 100 и 300 мВ) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5) .

Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный параллельно нагрузке позволяет измерять напряжение. Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор R_ДОБ, сопротивление которого больше сопротивления R_Р (рис. 1.4, б).

а) б)

Рис. 1.4. Схемы включения (а) амперметра и (б)вольтметра

Добавочный резистор R_ДОБ ограничивает ток полного отклонения I, протекающего через нее, до допустимых значений. При этом падение напряжения на рамке U_Р зависит от сопротивления рамки R_Р и обычно не должно превышать десятков милливольт. Остальная часть измеряемого напряжения U должна падать на добавочном сопротивлении. Если необходимо получить верхний предел измерения напряжения, в m раз превышающий значение U_Р, то необходимо включить добавочный резистор, сопротивление которого легко вычисляется на основании очевидных соотношений (рис. 1.4,б):

U = U_Р + U_ДОБ = IR_Р + IR_ДОБ

приняв, U/U_Р = U/IR_Р = m следует

R_ДОБ = R_Р (m- 1).

Добавочные резисторы изготавливают из термостабильных материалов, например, из манганиновой проволоки. Они могут быть внутренними, встроенными в корпус прибора (при напряжениях до 600 В), и наружными (при напряжениях 600-1500 В). Добавочные резисторы имеют определенные номинальные токи (0,5, 1, 3, 5, 7,5, 15 и 30 мА) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1).

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры имеют весьма широкий диа­пазон измеряемых величин — от сотых долей микроампера и десятых долей мил­ливольта до десятков килоампер и сотен киловольт. Этот диапазон определяется высокой чувствительностью измерительного механизма (при измерениях малых токов и напряжений) и возможностями применяемых шунтов и добавочных ре­зисторов (при измерении токов и напряжений больших значений).

Гальванометры постоянного токаиспользуют длявысокоточных измерений малых токов (10^-5…10^-12 А) и напряжения до 10^-4 В, а также в качестве нуль-индикаторов. Для отсчета угла отклонения рамки от нулевого положения используется оптическое отсчетное устройство. Подвижная часть гальванометра укрепляется на подвесе из тонкой упругой ленточки. Эта ленточка создает противодействующий момент, а также служит одним из токоведущих проводников. Другим проводником является безмоментная спираль из серебряной фольги. Рамка выполняется бескаркасной, устройство для успокоения отсутствует. Обычно применяется оптическое отсчетное устройство, состоящее из зеркальца, укрепленного на подвижной части, источника света с оптическими приспособлениями для формирования узкого луча и шкалы с миллиметровыми делениями. После отражения от зеркальца луч падает на шкалу. При повороте подвижной части луч перемещается вдоль шкалы. Гальванометры характеризуются чувствительностью к току и напряжению.

Омметры. Магнитоэлектрические механизмы также используются в приборах для измерения сопротивления на постоянном токе - омметрах. Схема омметра приведена на рис. 1.5,а.

а б

Рис. 1.5. Схемы омметра: а) – для измерения больших сопротивлений;

б) – для измерения малых сопротивлений

Ток, протекающий через микро-амперметр, зависит от сопротивления рамки микроамперметра R_Р , сопротивления добавочного резистора R_ДОБ и сопротивления R_Х , которое нужно измерить. Если сопротивление рамки R_Р мало по сравнению с R_ДОБ и R_Х, , то можно записать

I ≈ E / (R_ДОБ + R_Х).

Отклонение а указателя прибора согласно уравнениям (1.8 и 1.9) можно записать

α = S I ≈ SE / (R_ДОБ + R_Х).

Таким образом, отклонение указателя прибора при условии постоянства напряжения Е является функцией R_Х, и шкала может быть проградуирована в единицах сопротивления — омах.

В процессе эксплуатации напряжение Е батареи изменяется и значение его может отличаться от того, при котором производилась градуировка шкалы. Поэтому перед каждым измерением ключом К замыкают накоротко зажимы, предназначенные для подключения неизвестного сопротивления R_Х, и изменением сопротивления R_ДОБ устанавливают стрелку на отметку 0. Эта отметка находится с правой стороны шкалы и соответствует нулевому значению измеряемого сопротивления.

Омметры, выполненные по схеме, изображенной на( рис. 1.5, а) , удобны для измерения больших сопротивлений (от нескольких ом до сотен мегаом). Для измерения малых сопротивлений используются омметры, собранные по несколько видоизмененной схеме (рис. 1.5, б).

1.3.2 Магнитоэлектрические измерительные механизмы с электрическим противодейст­вующим моментом (логометры).

В логометрах вращающий и противодейству­ющий моменты создаются элект­рическим путем и направлены на­встречу друг другу. На рис.1.6 приведена схема устройства магни­тоэлектрического логометра. В поле постоянного магнита помещена подвижная часть, состоящая из двух жестко закрепленных под определенным углом рамок. Осо­бой формой полюсных наконеч­ников и сердечника, находящегося между ними искусственно создается неравномерное магнитное поле постоянного магнита. Токи к рамкам подводятся через безмоментные токоподводы, не создающие противодействующего момента.

Рис. 1.6 Схема магнитоэлектрического логометра

Направления токов в рамках логометра выбираются так, чтобы моменты М_ВР и М_ПР были направлены в разные стороны.

Т.к.

, а магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ зависят от угла поворота α из – за неоднородности магнитного поля, то в общем виде можно записать

(1.11)

где I₁ и I₂ - токи в рамках; α - угол отклонения подвижной части от некоторого условного нулевого положения.

Равновесие подвижной части наступает при равенстве моментов М_ВР и М_ПР, действующих на рамку, т.е. при условии

Откуда

(1.12)

Приборы электромеханической группы, измеря­ют отношение двух электрических величин, обычно двух то­ков α= f(I₁/ I₂), что позволяет сделать их показания независимыми от напряже­ния источника питания.

Применение.Магнитоэлектрические логометры широко применя­ются в приборах для измерения сопротивления — омметрах и мегаомметрах, в выпрямительных частотомерах.

у

а) б)

Рис. 1.7. Схемы устройства магнитоэлектрических омметров с логометрическим механизмом для измерения: а) больших; б) малых сопротивлений.

На рис. 1.7 приведены схемы магнитоэлектрических омметров с последовательным (рис. 1.7, а) и с параллельным (рис. 1.7, 6) включением измеряемого сопротивления. Последовательное включение применяется при измерении средних и больших сопроти­влений, параллельное — при измерении малых сопротивлений.

При последовательном включении (рис. 1.7, а) токи в рамках:

I₁ = Е /(1₁ + r₀); I₂ = Е/(r₂ + r_х),

Где Е — напряжение питания; r₁ и r₂ - сопротивления рамок;

r₀ и r₃ - известные сопротивления; r_х — неизвестное сопро­тивление.

Тогда согласно выражению (1.12) уравнение преобразования запишется в виде

α = F[(r₂ + r_x) / (r₁ + r₀)]. (1.12)

Из формулы (1.12) видно, что независимо от величины на­пряжения питания Е и при постоянных; r₁ и r₂ r₀ отклонение подвижной части является однозначной функцией r_х и шкала прибо­ра может быть проградуирована в единицах сопротивления.

В приборах с параллельным включением (рис. 1.7, б) при постоянном напряжении питания Е ток I₁, не зависит, а ток I₂ зависит от r_х . Отношение токов, а следовательно, и угол α не зави­сят от напряжения питания и являются однозначной функцией r_х, т.е. и здесь шкала может быть проградуирована в омах. Обе схе­мы обычно объединяют в одном приборе — омметре, переход от одной схемы к другой осуществляется с помощью переключателя.

Логометрические омметры — приборы невысокого класса то­чности (1,5; 2,5; 4,0). Погрешность омметра указывается в проце­нтах от длины рабочей шкалы.

Аналогично рассмотренному принципу построения логометрического ИМ магнитоэлектрической системы выпускают логометры электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и индукционной систем.