Приборы электромагнитной системы

Рис.1.1

Измерительная цепь осуществляет количественное или качественное преобразование электрической величины Х в электрическую У, удобную для измерения. Измеряющий механизм преобразует У, в механическую переменную α, угловую или линейную. Значение отсчитывается по шкале отсчетного устройства. Оно градуируется, обычно, в единицах измеряемой величины Х. Измерительная схема представляет собой совокупность резисторов, индуктивностей, емкостей и иных элементов. Подвижная часть измерительного механизма изображена схематически на рис.1.2.

Важно, чтобы зависимость α = f(Х) была линейной и постоянной при изменяющихся внешних условиях.

Рассмотрим принцип действия электромеханического прибора на примере магнитоэлектрической системы. Здесь вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой) по которой идет ток (измеряемый). Постоянный магнит 1 с полюсным наконечником 2 и неподвижным цилиндрическим сердечником 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре 2-3 создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится рамка стоком 4, повешенная на полуосях 5. Спиральные пружинки предназначены для создания противодействующего момента. Через них же подается ток в рамку. Стрелка 7 жестко связана с полуосью 5. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 8.

Момент вращения создается силой Лоренца:

М_вр = 2F·=BωSI, F = IBlsin(BˆI),

где b – ширина рамки, l – ее длина.

Чтобы каждому значению измеряемого тока (входящая величина Х) соответствовало определенное отклонение стрелки α необходимо уравновесить М_вр противодействующим моментом М_пр, противоположным по направлению и возрастающим по мере увеличения угла поворота подвижной части. Он создается плоской спиральной пружиной. Для нее справедливо соотношение М_пр = K α, где K - коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пружинки (удельный противодействующий момент).

Приравняв М_вр = М_пр, получим: - таким образом, угол отклонения прямо пропорционален току. Коэффициент пропорциональности S_i = называют чувствительностью к току магнитоэлектрического прибора.

Можно получить зависимость для приложенного напряжения:

, где R_р – сопротивление рамки. Эти коэффициенты зависят только от параметров цепи и механизма и потому являются постоянными величинами. Поэтому шкала магнитоэлектрического прибора равномерна, а изменение направления тока приводит к отклонению стрелки в обратную сторону. Следовательно, такие приборы могут измерять только постоянный ток. Для измерения переменных токов (или напряжений) необходимо применять выпрямители – преобразователи переменного тока в постоянный. Из группы аналоговых электромеханических приборов эти - наиболее точны и чувствительны. Изменения температуры окружающей среды и внешние магнитные поля не оказывают существенного влияния на их работу. Их шкала равномерна.

Как правило, провод рамок тонок и пропускает ток от 1 до 300 мкА. Задачу измерения больших токов и напряжений решают путем использования шунтов.

, где (I_a – ток рамки).

Класс точности шунтов 0,02-0,5. Как правило, U_ш=75мВ, но могут быть и 45-300мВ.

Для расширения пределов измерения U включают добавочное сопротивление R_д:

R_д = R_р(n-1), где n = .

Добавочное сопротивление бывает встроенным в корпус вольтметра (при U <600В) или снаружи (при U в диапазоне 600-1500В). И шунты, и добавочные сопротивления изготавливают из материалов с высоким удельным сопротивлением и малым α.

Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов и напряжений (I = 10^-5-10^-12А, U= 10^-4В) называют гальванометрами.

Их принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. Вращающий момент: М_вр =, где L – индуктивность катушки с сердечником, α – угол поворота сердечника. Из условия М_вр = М_пр, где М_пр = K α, получаем: . Отсюда следует, что при измерении в цепи переменного тока угол поворота подвижной части прибора электромагнитной системы пропорционален квадрату эффективного значения тока. Электромагнитные приборы равно применимы в цепях постоянного и переменного напряжения. Несмотря на то, что шкала квадратичная, ее приближают к линейной подбором формы сердечника.

Достоинства:

1. простота конструкции,

2. способность к перегрузкам,

3. дешевизна.

Недостатки:

1. невысокая точность,

2. малая чувствительность,

3. большое потребление энергии,

4. сильное влияние внешних магнитных полей.

Для расширения пределов измерения применяют шунты и дополнительные сопротивления или транзисторы тока. Класс точности 1,5; 2,5; 4. Иногда в лабораторных условиях применяют приборы с классом точности 0,5 и 1,0.