Принцип действия и устройство

Приборы с электромагнитным измерительным механизмом действуют на принципе перемещения ферромагнитного сердечника под влиянием магнитного поля неподвижной катушки.

Существуют две конструктивные разновидности этих приборов: с плоской катушкой и круглой катушкой.

В первой конструкции (рис. 4) эксцентричный сердечник 2 втягивается внутрь неподвижной катушки 1. На одной оси О с подвижным сердечником закреплены стрелка 3, спиральная противодействующая пружинка 4 и шток поршня 5, перемещающегося внутри цилиндра 6. Последние два элемента конструкции представляют собой воздушный демпфер, обеспечивающий успокоение подвижной части прибора за счет сопротивления воздуха перемещению стержня в цилиндре.

При прохождении тока по неподвижной катушке создается магнитный поток, намагничивающий ферромагнитный сердечник, который втягивается внутрь катушки. При этом ось О поворачивается, и стрелка прибора отклоняется на угол a.

В приборе с круглой катушкой (рис. 5) внутри катушки К имеются два ферромагнитных сердечника: неподвижный С₁ и подвижный С₂. При протекании тока через катушку оба сердечника намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга, вследствие чего подвижный сердечник С₂ вместе со стрелкой поворачивается и закручивает противодействующую пружинку.

Выражение для вращающего момента М рассматриваемого электроизмерительного механизма можно получить как производную от энергии магнитного поля по угловому перемещению a.

Как известно, энергия магнитного поля W_м = LI²/2, где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника внутри катушки; I – ток в катушке.

При повороте сердечника 2 (рис. 4) на угол da приращение энергии магнитного поля  следовательно, вращающий момент

Поскольку с ростом угла a индуктивность L возрастает, то, приняв в первом приближении производную  получим M = K₁I², где K₁ – постоянный коэффициент. Так как противодействующий момент пружины М_пр = K₂a, то угол поворота  пропорционален квадрату тока, то есть шкала прибора будет неравномерной. Выбором формы сердечника и его расположением относительно катушки можно получить различные зависимости  Обычно стремятся к тому, чтобы при малых токах отношение  имело большие значения, а при больших токах – малые, вследствие чего шкала будет близкой к равномерной в ее рабочей части, то есть от 20% до 100% верхнего предела измерения.

Поскольку вращающий момент зависит от квадрата тока, то приборы электромагнитной системы могут применяться в цепях постоянного и переменного тока.

Среднее значение момента, создаваемого синусоидальным током i = I_msinwt, будет равно

где  – действующее значение тока.

Угол поворота стрелки прибора

также зависит от квадрата действующего значения переменного тока.

Амперметры электромагнитной системы изготовляются на прямое включение в цепь с током до 200¸300А (при больших токах катушка представляет собой один виток, выполненный из медной шины).

Вольтметры электромагнитной системы выпускают на напряжения до 660В при включении последовательно с катушкой добавочных резисторов. Вращающий момент механизма и угол отклонения стрелки вольтметра также зависят от квадрата изменяемой величины.

Достоинства приборов электромагнитной системы: простота конструкции; пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного токов; большая перегрузочная способность; надежность в эксплуатации.

К недостаткам относятся неравномерность шкалы, низкая чувствительность, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле катушки расположено в воздушной среде с большим магнитным сопротивлением, то есть магнитная индукция поля невелика.