Приборы магнитоэлектрической системы

Одной из самых простых (и исторически, пожалуй, самых ран­них) систем, используемых при построении электромеханических приборов является магнитоэлектрическая (МЭ).

Конструкция и принцип действия. На рис. 18 упрощенно пока­зана конструкция механизма такой системы, которая содержит пре­образователь электрической величины (входного измеряемого тока) в механическую (угол отклонения) и отсчетное устройство (ука­затель и шкалу).

Постоянный магнит 1, магнитопровод 2 и цилиндрический сер­дечник 3 из магнитомягкого материала создают равномерное ра­диальное магнитное поле в воздушном зазоре, в котором располо­жена и может поворачиваться рамка 4 с измеряемым током. Рамка (несколько десятков витков медного провода) жестко связана с осью 5, на которой закреплена стрелка 7. Эти элементы образуют подвижную часть механизма.

Как известно, на проводник с током, находящийся в магнит­ном поле, действует сила. При протекании измеряемого тока I в рамке, находящейся в магнитном поле зазора, возникает вращаю­щий момент М, равный произведению индукции В магнитного поля в зазоре, активной (т.е. находя­щейся в магнитном поле) пло­щади рамки S, числу витков w и току I в рамке:

М = BS wI

Рис. 12. Конструкция магнитоэлектрического механизма:

1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – цилиндрический сердечник из магнитомягкого материала; 4 – рамка с измеряемым током; 5 – ось; 6 – спиральная пружина; 7 – стрелка; 8 – шкала

Отсчетное устройство – стрелка 7 и шкала 8 –преобра­зует угол отклонения (поворо­та) рамки α в показания (отсчет). Спиральная пружина 6 служит для создания противодействую­щего момента М _пр:

М _пр= α Ω,

где α – угол поворота подвиж­ной части; Ω–удельный про­тиводействующий момент.

Вращающий момент застав­ляет рамку поворачиваться. Противодействующий момент направ­лен навстречу вращающему. В процессе поворота рамки противо­действующий момент М _прпропорционально растет. Это происхо­дит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М = М _пр

B S wI= α Ω.

Следовательно, угол поворота α имеет вид

α = (BS wI) / Ω..

Таким образом, поскольку значения параметров В, S, w, Ω,практически постоянны, можно говорить о линейной зависимос­ти угла поворота α (и, следовательно, показаний) МЭ приборов от значения измеряемой величины (в данном случае тока I).

Амперметры и вольтметры. Для измерения малых токов (до 100 мА) используются непосредственно магнитоэлектрические измерительные механизмы. Если требуется измерять токи, превосхо­дящие ток полного отклонения механизма, то применяются шун­ты (точные резисторы с малым сопротивлением: десятые – ты­сячные доли ома) – рис. 13, а. При этом через измерительный механизм (ИМ) течет ток I _м, представляющий собой только часть измеряемого тока I. Зная соотношение между сопротивлениями рамки ИМ и шунта R _ш, можно переградуировать шкалу прибора или пересчитать показания в результат измерения.

Рис. 13. Амперметр (а) и вольтметр (б) магнитоэлектрической системы

Схема магнитоэлектрического вольтметра приведена на рис. 13, б. Последовательно с ИМ включается резистор R_V с доста­точно большим сопротивлением. Добавочные резисторы R _Д1и R _Д2обеспечивают несколько диапазонов измерения напряжения U_V (U_V3 > U_V2 > U_V1). Ток I через ИМ на любом диапазоне не должен превосходить номинального значения I _{но м} для механизма.

Рассмотрим пример организации многопредельного вольтмет­ра. Предположим, имеется МЭ механизм с сопротивлением R_ИM = 10 Ом и номинальным током I _ном = 0,001 А. Тогда для организа­ции на базе такого механизма вольтметра с диапазоном измерения напряжения U ₁= 1 В необходимо включить последовательно с механизмом ре­зистор R_V с таким сопротивлением, которое обеспечит при изме­ряемом U ₁ = 1 В ток через механизм I _ном =1,0 мА. Найдем значение этого сопротивления:

R_V = (U ₁ /I _ном ) – R_ИМ = (1:0,001) – 10 = 990 Ом.

Если мы теперь имеем МЭ вольтметр с диапазоном измерения

U ₁ = 1 В и с внутренним сопротивлением R _вн= R _ИM + R_V = 1 кОм, то для расширения предела измерения до U ₂ = 10 В необходимо включить последовательно добавочный резистор сопротивлением R _Д1= 9 кОм. Для расширения предела измерения до U ₃= 100 В (т.е. организации еще одного диапазона) необходимо подключить последовательно с имеющимся резистором R _Д1еще один добавоч­ный резистор R _Д2 = 90 кОм. Таким образом, получаем схему много­предельного вольтметра постоянного тока (см. рис. 13, б).

Особенности магнитоэлектрических приборов. Приборы МЭ си­стемы, по сравнению с другими электромеханическими прибора­ми, имеют ряд преимуществ. Это более высокие точность и чув­ствительность; равномерная (линейная) шкала; сравнительно ма­лое собственное потребление энергии от источника сигнала; прак­тическое отсутствие влияния внешних магнитных полей (так как собственное поле в зазоре значительно). Есть и недостатки. Это возможность работы ИМ только на постоянном токе; сравнительная сложность реальной конструкции; заметная чувствительность к пе­регрузкам, механическим воздействиям, ударам, вибрации; изме­нение упругих свойств пружины со временем, а также зависимость показаний от изменения температуры окружающей среды.

Современные реальные конструкции, конечно, сложнее рас­смотренной.

Обозначение МЭ системы на шкалах приборов: