Магнитоэлектрическая система

В приборах этой системы используется взаимодействие между проводником с током и постоянным магнитом. Измеряемый ток протекает по катушке А, подвешенный между полюсами постоянного магнита NS (рис.1).

Между полюсными наконечниками магнита, имеющими полукруглую форму, вставлен цилиндрический сердечник из мягкого железа. Благодаря малой ширине кольцевого зазора напряженность магнитного поля в нем очень велика, что обеспечивает высокую чувствительность прибора. Кроме того, магнитное поле имеет одинаковую величину напряженности по всей длине зазора В, и силовые линии направлены

всюду по радиусам цилиндра (радиальное поле), что обеспечивает равномерность шкалы прибора. Катушка выполнена в виде легкой рамки и подвешена так, что она может свободно поворачиваться в зазоре В. Когда по катушке течет ток, на нее со стороны магнитного поля в зазоре действуют силы, стремящиеся повернуть рамку с током и поставить её в такое положение, в котором магнитный поток, охватываемый током, максимален. Момент этих сил (отклоняющий момент М_от) пропорционален силе тока, а также площади рамки, числу витков и напряженности (точнее индукции) магнитного поля в зазоре. Очевидно, что если каким-то способом измерить момент М_от, то можно будет определить силу тока, текущего по катушке.

Возможность измерения отклоняющего момента обеспечивается тем, что рамка удерживается в своем начальном положении упругими силами. Они создаются либо спиральными пружинами С₁, С₂. прикрепленными одним концом к оси рамки, а другим - к неподвижным частям прибора, либо упругой нитью, на которой подвешена рамка. Если рамка под действием тока отклонилась на угол от начального положения, то вследствие деформации пружин или нити возникнут силы упругости, стремящиеся вернуть рамку в первоначальное положение. Момент упругих сил (возвращающий момент М_В) зависит от угла отклонения рамки; в силу закона Гука он может считаться пропорциональным этому углу. Очевидно, что рамка будет отклоняться до тех пор, пока возвращающий момент М_В не уравновесит отклоняющий момент М_от. Таким образом, равновесный угол отклонения будет зависеть от силы тока. Отсчитывая этот угол по шкале, с помощью скрепленной с рамкой стрелки или зеркала, можно определить силу тока, если прибор предварительно проградуирован.

Вид зависимости угла отклонения j от силы тока i неодинаков у приборов различных систем. Для магнитоэлектрических приборов характерна линейная зависимость: j ~ i, т.е. равномерная шкала (чувствительность не зависит от силы тока). Это обеспечивается тем, что отклоняющий момент М_от пропорционален току i и не зависит от угла поворота . Действительно, при радиальной форме поля в зазоре плоскость рамки при любой ориентации параллельна силовым линиям.

Отклонения от строго равномерной шкалы могут возникнуть только из-за случайных погрешностей в изготовлении прибора, например, из-за непостоянства ширины зазора.

Укажем еще ряд существенных деталей конструкции магнитоэлектрических приборов. Ток в рамку подводится через пружинки , , которые служат для создания возвращающего момента. Рамка стрелочных приборов делается из алюминия и кроме своей основной роли - служить каркасом для катушки - выполняет функции успокоителя (демпфера). При движении рамки в магнитном поле в ней индуцируется электродвижущая сила и возникает ток, пропорциональный скорости пересечения силовых линий. Магнитное поле действует на этот ток, создавая момент, направленный (по правилу Ленца) навстречу направлению вращения рамки. Если бы этого тормозящего момента не было, подвижная система прибора после отклонения длительное время колебалась бы около нового положения равновесия; колебания затухали бы только из-за незначительного трения в подшипниках и о воздух. К рамке прикреплены стальные полуоси, заканчивающиеся остриями - кернами, которые входят в углубления агатовых подшипников, запресованных на концах винтов Н.

Стрелка D укреплена на оси и перемещается над шкалой. Противовесы М устанавливаются так, чтобы центр тяжести подвижной системы находился на оси вращения. Наружный конец одной из пружин , крепится к поводку К, который может поворачиваться вокруг оси прибора. Этот механизм корректора позволяет в некоторых пределах изменять положение равновесия подвижной системы, устанавливая указатель на нулевое деление шкалы.

Для измерений на постоянном токе применяются почти исключительно магнитоэлектрические приборы. Их достоинствами являются высокая чувствительность, большая точность, равномерность шкалы. Внешние поля слабо влияют на показания магнитоэлектрических приборов, так как их рамка находится в почти замкнутом пространстве и в сильном поле собственного магнита. Главным недостатком магнитоэлектрических приборов является невозможность измерения переменных токов.

Электромагнитная система

В приборах этой системы (рис.2) измеряемый ток, проходя по катушке А, создает магнитное поле, в которое втягивается сердечник В из мягкого железа. Сердечник выполняется обычно в виде тонкого листка, эксцентрично насаженного на ось С. Втягиваясь в катушку, он поворачивается на оси и поворачивает скрепленную с осью стрелку К. Сила, действующая на сердечник, пропорциональна напряженности поля и намагниченности сердечника, а намагниченность сердечника в свою очередь пропорциональна напряженности.

Таким образом, отклоняющий момент пропорционален квадрату напряженности и, следовательно, квадрату силы тока. Возвращающий момент создается спиральными пружинами, как и в магнитоэлектрических приборах, т.е. возвращающий момент пропорционален углу отклонения .

Если бы отклоняющий момент М_от не зависел от , то шкала прибора была бы квадратичной. В действительности силы, действующие на сердечник,

зависят от его положения. Эту зависимость обычно используют для того, чтобы сделать шкалу более равномерной. В качестве успокоителя в электромагнитных приборах применяется воздушный демпфер - поршень Е, связанный с осью и двигающийся в небольшом зазоре в закрытой коробке D. Трение вытесняемого из коробки через зазор воздуха создает тормозящий момент, успокаивающий колебания подвижной системы.

Реже используется индукционный успокоитель - алюминиевый листок, движущийся в зазоре постоянного магнита. Тормозящий момент создается действием магнитного поля на токи Фуко, индуцируемые в листке при его движении. Такой успокоитель конструктивно проще, чем воздушный, но его применение затруднено тем, что поле постоянного магнита изменяет показания прибора.

К достоинствам электромагнитных приборов относится простота конструкции и дешевизна, а также выносливость к перегрузкам, поскольку в них нет токонесущих подвижных частей. Главное же их достоинство - возможность работы на переменном токе, поскольку направления намагниченности сердечника изменяется одновременно с изменением направления тока.

Недостатками приборов электромагнитной системы являются неравномерность шкалы, невысокая точность (это связано с гистерезисом в железе сердечника) и чувствительность к внешним магнитным полям.

Электродинамическая система

Измеряемый ток проходит через две катушки - неподвижную В и находящуюся внутри нее подвижную А (рис 3).

Катушки могут включаться либо последовательно (в вольтметрах), либо параллельно (в амперметрах); отклоняющий момент, создаваемый силами магнитного взаимодействия, пропорционален произведению тока в катушках, т.е. квадрату общего тока через прибор. Конструкция подвижной системы такая же, как и в магнитоэлектрических приборах, успокоитель, как в электромагнитной системе, чаще всего воздушный, реже - индукционный.

Достоинствами электродинамических приборов являются возможность измерения переменных токов и большая, чем у электромагнитных приборов, точность (ввиду отсутствия ферромагнитных деталей). Основные недостатки - малая чувствительность, неустойчивость к перегрузкам, сильное влияние внешних магнитных полей, неравномерная шкала, сравнительная сложность конструкции.

Электродинамическая система часто используется в приборах для измерения мощности - ваттметрах.

Индукционная система

Рис. 4

Приборы индукционной системы применяются только в цепях переменного тока. Подвижной частью этих приборов является ротор - диск А или цилиндр (рис.4) из немагнитного проводящего материала. Вращающий момент создается токами, протекающими по двум катушкам В и С. Каждая из них создает в роторе токи Фуко, на которые действует магнитное поле другой катушки. Таким образом, момент пропорционален произведению токов в катушках. Для возникновения момента необходимо, чтобы между токами существовала разность фаз; она может быть создана, например, включением реактивных элементов в цепи катушек.

Индукционные приборы удобно применять для измерения мощности. В настоящее время эта система используется исключительно в счетчиках электрической энергии.

Тепловая система

Измеряемый ток протекает по тонкой проволоке и нагревает её. Температура определяется равновесием между выделяемой мощностью и отдачей тепла в окружающую среду. Повышение температуры вызывает удлинение проволоки и поворот связанной с ней стрелки. Конец нагревающейся проволоки прикреплен к биметаллической пластинке, изгиб которой при нагревании компенсирует удлинение проволоки при изменении температуры среды. Прибор имеет магнитный успокоитель.

Тепловые приборы обладают невысокой чувствительностью, малой точностью, очень боятся перегрузок. В настоящее время они применяются только для измерения токов высоких частот.

Электростатическая система

На базе этой системы строится работа электростатических вольтметров, одна из конструкций которого представлена на рис 5. Подвижная пластина А под действием сил притяжения втягивается в зазор между неподвижными пластинами В. Возвращающий момент создается спиральными пружинами С (или упругими растяжками), на которых подвешивается подвижная система.

Электростатические вольтметры обладают малой чувствительностью и невысокой точностью. Их важным достоинством является очень высокое - теоретически бесконечное - сопротивление, так как они не вносят искажений в исследуемую цепь. Еще важнее, что они могут применяться как для постоянного, так и для переменного тока вплоть до очень высоких частот.

При использовании на переменном токе сопротивление прибора уже не может считаться бесконечным - оно будет определяться его емкостью. Электростатические приборы нечувствительны к внешним магнитным полям, но электрические поля существенно влияют на их показания.

Вибрационная система

К этой системе относятся частотомеры, в которых исследуемый ток проходит по обмотке электромагнита, притягивающего ряд железных язычков. Размеры язычков, а следовательно, и резонансные частоты их колебаний несколько отличаются друг от друга. Практически наблюдается размытие концов язычков при их колебаниях. Язычок, резонансная частота которого совпадает с частотой тока, колеблется с наибольшей амплитудой.

 

Приложение 1

Условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы и вспомогательные части

 

Наименование	Условное обозначение	Наименование	Условное обозначение
Принцип действия прибора
Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой		Электромагнитный прибор
Электродинамический прибор		Ферродинамический прибор
Индукционный прибор		Электростатический прибор
Вибрационный прибор (язычковый)		Тепловой прибор с нагреваемой проволокой
Дополнительные обозначения по виду преобразования
Выпрямитель полупроводниковый		Электронный преобразователь
Дополнительные обозначения по защите от магнитных и электрических полей
Защита от внешних магнитных полей (I категории защищённости)		Защита от внешних электрических полей (I категории защищённости)
II. Обозначение рода тока
Постоянный ток		Переменный ток
III. Обозначение класса точности, положения прибора, прочности изоляции
Класс точности при нормировании погрешности в % от диапазона измерений, например, 1.5	1.5	Горизонтальное положение шкалы
Наклонное положение шкалы под определённым углом к горизонту, например,		Вертикальное положение шкалы
Направление ориентации прибора в земном магнитном поле		Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением, например, 2 кВ
Прибор испытанию прочности изоляции не подлежит		Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи не соответствует нормам (знак выполняется красным цветом)
Внимание! Смотри дополнительные указания в паспорте и инструкции по эксплуатации	!
IV. Обозначение зажимов и корректора
Отрицательный зажим		Положительный зажим
Общий зажим (для многопредельных и комбинированных приборов)		Зажим, соединённый с корпусом
Зажим (винт, шпилька) для заземления

 

Лабораторная работа 2-01