Магнитоэлектрические измерительные механизмы

Магнитоэлектрический измерительный механизм с подвижной катушкой (рамкой) показан на (рис. 3.4 а). В нем подвижной частью является рамка 9, укрепленная на кернах и расположенная в воздушном зазоре 6, образованном магнитопроводом 10 с полюсными наконечниками 7 и сердечником 8 из мягкой стали. Магнитное поле создается постоянным магнитом 2. Силовые линии магнитного поля, замыкаясь через полюсные наконечники и сердечник, проходят в воздушном зазоре 6 в радиальном направлении, создавая, таким образом, в зазоре равномерное радиально направленное поле. Измеряемый ток подводится к рамке 9 через два пружинных токоподвода 3, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. На оси рамки укреплена стрелка 1, перемещающаяся над шкалой. Для уравновешивания подвижной части служат грузики 5. Цифрой 4 обозначен корректор, предназначенный для установки стрелки в нулевое положение.

Распространение получили также магнитоэлектрические измерительные механизмы с подвижным магнитом (рис. 3.4 б). Магнит 1 укреплен на оси 2. Ток, протекающий по катушкам 3, создает магнитное поле, и подвижной магнит стремится установиться вдоль этого магнитного поля. Противодействующий момент создается пружиной 4. Успокоение в приборе достигается с помощью неподвижного медного цилиндра (успокоителя) 5, в котором при движении магнита индуктируются токи, взаимодействующие с полем магнита.

Принцип действия магнитоэлектрического измерительного механизма поясняет схема, представленная на (рис. 3.5 а). Так как силовые линии при рабочем повороте рамки перпендикулярны ее вертикальным сторонам (рис. 3.5 б), то на основании закона Био-Савара, учитывая равномерность поля в зазоре, можно получить величину силы, воздействующей на рамку:

F = BIwl, (3.1)

где B — индукция в зазоре; I — сила тока в рамке; w — число витков рамки; l — длина вертикальной стороны рамки. Пара сил F создает вращающий момент

Mвр = Fa, (3.2)

где a — плечо пары, равное ширине рамки.

Подставляя в выражение (3.2) значение F из формулы (3.1), получим

Mвр = BIwla = BIws,

где s — площадь рамки; s = la.

Противодействующий момент, создаваемый пружинами,

Mпр = Wα,

где W — удельный противодействующий момент, определяемый упругими свойствами пружины; α — угол поворота подвижной системы.

Установившееся отклонение наступит при равенстве вращающего и противодействующего моментов:

Mвр = Mпр. (3.3)

Подставляя в равенство (3.3) выражения для обоих моментов, получим

BIws = Wα,

откуда

α = , или α = S1l.

Величина S1 = я = , представляющая собой угол отклонения, соответствующий единице измеряемого тока, называется чувствительностью к току.

Так как чувствительность к току магнитоэлектрического измерительного механизма является величиной постоянной (не зависящей ни от тока, ни от угла отклонения), то угол отклонения α линейно зависит от измеряемого токаI и шкала магнитоэлектрического измерительного механизма получается равномерной.

При изменении направления тока I направления сил F (см. рис. 3.5) и вращающего момента изменяются на обратные, поэтому этот механизм пригоден лишь для измерения постоянного тока.

Для измерения среднего, или действующего, значения переменного тока магнитоэлектрический измерительный механизм можно применять лишь в сочетании с выпрямляющим устройством.

Успокоение у магнитоэлектрического измерительного механизма относится к магнитоиндукционному типу. Специального устройства для этой цели не требуется, так как при движении рамки в поле постоянного магнита в витках рамки, а также в ее металлическом каркасе индуктируются токи, в результате взаимодействия которых с полем магнита создается успокаивающий момент.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы обладают следующими свойствами:

Ø используются только для измерения постоянного тока;

Ø имеют постоянство чувствительности по всей шкале (равномерность шкалы);

Ø непосредственное измерение тока измерительным механизмом с рамкой, крепящейся на кернах в опорах, ограничено верхним пределом, не превышающим долей ампера, в связи с тем, что при больших токах возникает опасность перегорания токоподводов, и нижним пределом, не превышающим порядка долей миллиампера, так как значение вращающего момента при малых токах становится сравнимым с моментом трения в опорах. Повышение предела измерения требует использования дополнительных преобразователей, а понижение этого предела приводит к необходимости перехода к креплению рамки на растяжках или подвесе;

Ø характеризуются малым потреблением энергии для своей работы, а это является важным условием для измерения в маломощных цепях.