Магнитоэлектрические приборы
Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется либо с подвижной катушкой (рамкой), либо с подвижным магнитом.
Принцип действия магнитоэлектрического механизма основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток. Противодействующий момент может создаваться механическим и электромагнитным способами.
Магнитная система ИМ состоит из постоянного магнита 1, магнитопровода с полюсными наконечниками 4, сердечника 3. Между полюсными наконечниками находится катушка (рамка) 2, по которой протекает ток J (пружинки, создающие противодействующий момент на рисунке не показаны). Рамка соединена со стрелкой 5, перемещающейся по шкале 6. При прохождении тока J по рамке 2, помещенной в равномерное, постоянное магнитное поле с индукцией В, создается вращающий момент МВР, действующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма.
Противодействующий момент в магнитоэлектрическом ИМ может создаваться и электрическим способом. Этот способ используется в логометрическом ИМ. В таком механизме подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой рамок 1 и 2. По обмоткам рамок протекают токи I1 и I2, которые создают моменты М1 и М2.
Направления токов выбираются таким образом, чтобы моменты М1 и М2 действовали на- встречу друг другу. Записав выражения для моментов в виде М1 = S1n1F1(a)I1; М2 =S n2F1(a)I2..Считая один из моментов вращающим, например, М1, а второй М2 - противодействующим, при установившемся равновесии выражение для угла отклонения подвижной части можно представить в виде a= F(I1/I2). Из данного выражения видно, что магнитоэлектрический логометр измеряет отношение токов. Логометрические измерительные механизмы очень часто используются в приборах для измерения сопротивления. Показания таких приборов не зависят от напряжения питания.
Магнитоэлектрические приборы являются наиболее распространенной группой электромеханических приборов.
Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве: 1) амперметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях); 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока: а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов; б) вибрационных гальванометров, используемых в основном в качестве нулевых индикаторов переменного тока; в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.
Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются:
1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.
К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести:
1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.
Магнитоэлектрические приборы занимают первое место среди других электромеханических приборов. Они выпускаются вплоть до класса точности 0,05, а по чувствительности с током полного отклонения до 0,1 мкА (при классе точности 1,5)
Электромагнитные приборы
Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.
В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т. д.
В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе. В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.
В зависимости от характера магнитной цепи приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса. Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга
1 – катушка; 2 – подвижный сердечник; 1 – катушка; 2, 3 - призматические
3 – неподвижный сердечник; 4 – ось; сердечники; 4 – ось; 5 – пружинка;
5 – пружинка; 6 - стрелка 6 - стрелка
В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками.
При прохождении тока J по намагничивающей катушке 1 в результате взаимодействия электромагнитного поля катушки и сердечника возникает вращающий момент МВР, который определяется по формуле
,
где L –индуктивность катушки.
Противодействующий момент может создаваться как с помощью спиральных пружинок так и электрическим способом (в электромагнитных логометрах), а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.
Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры.
Индукционные приборы
Конструктивно индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, которая обычно выполняется в виде алюминиевого диска, укрепленного на оси. Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывают перемещение подвижной части.
По числу магнитных потоков, пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными. Однопоточные индукционные механизмы в измерительной технике в настоящее время не применяются.
Токи I1 и I2, протекающие по обмоткам электромагнитов 1 и 2, возбуждают в сердечниках 1 и 2 магнитные потоки Ф1 и Ф2, сдвинутые по фазе на угол ψ. Эти потоки, пронизывая диск 3, наводят в нем вихревые токи I1,2 и I2,2.
Взаимодействие потоков с токами в диске создает момент. В первом приближении можно считать, что индуктивное сопротивление диска мало пол сравнению с его активным сопротивлением. В этом случае вращающие моменты от взаимодействия потока Ф1 и тока I1,2, а также потока Ф2 и тока I2,2 будут практически равны нулю.
Вращающие моменты от взаимодействия потока Ф1 и тока I2,2, а также потока Ф2 и тока I1,2 будут практически равны
Оба этих момента действуют на подвижную часть в одну сторону. Разные знаки у моментов указывают на то, что один контур тока втягивается в поле, а другой – выталкивается из соответствующего поля.
Результирующий момент
где С = С2 С3 + С1 С4; f - частота изменения потоков; y - угол сдвига фаз между потоками.
Это выражение показывает следующее:
1) для создания вращающего момента необходимо иметь не менее двух переменных магнитных потоков или двух составляющих одного потока, сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве;
2) вращающий момент достигает максимального значения при сдвиге фаз между потоками равным 900;
3) вращающий момент зависит от частоты.
Измерительные мосты