Приборы магнитоэлектрической системы

Конструктивно измерительные механизмы (ИМ) приборов данной системы могут быть выполнены с подвижным магнитом или с подвижной катушкой.

Рис. 2.1 Устройство прибора магнитоэлектрической системы:

1 – постоянный магнит; 2 – полюсные наконечники; 3 – неподвижный сердечник; 4 – обмотка; 5, 6 – полуоси; 7, 8 – пружины; 9 – стрелка;

10 - уравновешивающий груз.

Динамика подвижной системы описывается с помощью следующих выражений:

, (2.4)

- момент вращения;

- противодействующий момент;

(2.5)

В – магнитная индукция в зазоре;

S – площадь рамки;

ω – число витков в катушке;

К – жесткость пружины.

- угол поворота.

Из этого следует, что угол поворота рамки () пропорционален чувствительности прибора () и величине измеряемого тока ():

,

где - чувствительность прибора к току.

Для величины измеряемого тока используют следующее соотношение:

;

где - постоянная прибора по току.

Таким образом, значение измеряемого тока можно определить произведением угла поворота (отсчитывается по шкале) и постоянной по току , известной для каждого прибора.

Гасители колебаний: пневматически жидкостные и на вихревых токах. Противодействие пружины используется для подвода тока к рамке. Подвижная система крепится с помощью растяжек, анкерных соединений.

Достоинства: характеризуется высокой линейностью, чувствительностью, стабильностью показателей, малое собственное потребление мощности, большой диапазон измерений, на показания прибора не влияют внешние магнитные и электрические поля.

Недостатки: без преобразователей приборы используют только в цепях постоянного тока, имеют малую перегрузочную способность, сложны и дороги, на показания прибора оказывает влияние изменение температуры окружающей среды.

Применение: магнитоэлектрические ИМ используются в амперметрах, вольтметрах, омметрах, гальванометрах, в электронных приборах. Используют для измерения различных физических величин – электрической и неэлектрической природы.

В логометрах этой системы создаётся второй противодействующей рамкой, что позволяет измерять отношение токов и делает показания прибора независимыми от напряжения источника питания. Подвижная система таких приборов состоит из двух жестко закрепленных между собой под определенным углом рамок. Особой формой полюсных наконечников и сердечника, находящегося между ними, искусственно создается неравномерное поле магнитное поле от постоянного магнита. Токи к рамкам подводятся через безмоментные токоподводы, не создающие противодействующего момента. Направление токов в рамках логометра выбирается так, чтобы моменты, создаваемые рамками, были направлены в противоположные стороны. Тогда в общем виде можно записать:

(2.6)

Равновесие такой подвижной системы наступает при равенстве моментов, действующих на рамки, что определяет соотношение токов вида:

~. (2.7)

Рис. 2.2 Электрическая схема и устройство маг­нитоэлектрического логометра.

У логометра при повороте рамки магнитное поле в воздушном зазоре изменяется неравномерно.

К магнитоэлектрическим приборам относятся и гальванометры – высокочувствительные приборы для измерения крайне малых токов. В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть подвешена на тонкой ленточке или нити, используется более сильное магнитное поле, а стрелка заменена зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 1). Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а угол его поворота оценивается по смещению отбрасываемого им светового зайчика на шкале, установленной на расстоянии около 1 м. Самые чувствительные гальванометры способны давать отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока всего лишь на 0,00001 мкА.

На рисунке показана схема устройства магнитоэлектрического гальванометра постоянного тока.

Рис. 2.3 Схема устройства магнитоэлектрического гальванометра:

1 – подвес; 2 постоянный магнит; 3 – зеркало; 4 – рамка; 5 – полюсные наконечники; 6 – токоподводы; 7 – неподвижный сердечник.

На рамку ИМ при подаче тока действуют вращающий момент, пропорциональный величине измеряемого тока, противодействующий момент, создаваемый закручивающимся подвесом и моментом успокоения. Коэффициент успокоения такой подвижной системы (р) определяется конструктивными параметрами гальванометра (Ψ) и значениями сопротивлений измерительной цепи. Изменяя величину сопротивления можно изменять коэффициент успокоения системы.

Известно, что движение вращающегося тела определяется уравнением

, (2.8)

где J – момент инерции подвижной системы.

Для гальванометра это уравнение примет вид

. (2.9)

Интеграл этого дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами дает описание динамики подвижной системы прибора: .

Рис. 2.4 Передаточная характеристика измерительного устройства.

При слабом демпфировании такой динамической системы колебания подвижной части гальванометра будут постепенно затухать из-за потерь на трение подвижной части прибора (режим – 1).

При критическом значении коэффициента демпфирования происходит быстрое установление стационарного состояния подвижной части прибора (режим - 2). Величина критического сопротивления определяет динамические характеристики гальванометра, и значение этого сопротивления указывается на шкале прибора.

При сильном демпфировании колебаний в системе не будет происходить, движение рамки будет апериодическим (кривая - 3).

К метрологическим характеристикам таких приборов относится: чувствительность, период собственных колебаний, внешнее, и полное критическое значения сопротивлений.

Гальванометры используют для измерения малых токов (до А) и напряжений (до В), а также в качестве нуль - индикаторов.

Резонансные гальванометры имеют подвижную часть, настраиваемую в резонанс с внешним сигналом. По ширине световой полосы судят о величине амплитуды сигнала.

Регистрирующие приборы записывают «историю» изменения значения измеряемой величины. К наиболее распространенным типам таких приборов относятся самописцы, записывающие кривую изменения величины на диаграммном бумажном носителе, аналоговые электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса на экране электронно-лучевой трубки, и цифровые осциллографы, запоминающие однократные или редко повторяющиеся сигналы.

Основное различие между этими приборами – в скорости записи. Ленточные самописцы с их движущимися механическими частями наиболее подходят для регистрации сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее. Электронные осциллографы же способны регистрировать сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей секунды до нескольких секунд.

Резонансный метод измерения частоты

Компьютерные измерительные системы (КИС)

Основные компоненты ИИС

Генераторы электрических сигналов

Принципы построения интеллектуальных и виртуальных измерительных устройств

Вернуться в оглавление: Методы и средства измерений электрических величин