 |
Приборы магнитоэлектрической системы
|
|
|
|
В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой), по которой протекает измеряемый ток. Конструктивно различают магнитоэлектрические механизмы с подвижной рамкой и с подвижным магнитом. Наиболее широко распространен механизм с подвижной рамкой. В свою очередь измерительные механизмы с подвижной рамкой делятся на механизмы с внешним магнитом и с внутренним магнитом. По способу создания противодействующего момента магнитоэлектрические измерительные механизмы подразделяются на измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом (логометры).
Момент успокоения создается магнитоиндукционным путем (без применения специальных успокоителей) за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной рамки и в цепи самой рамки, с полем постоянного магнита.
По существовавшей до недавнего времени классификации в названии типа приборов используется буква М (например, М4263).
На рис. 3.4 показана конструкция прибора с подвижной рамкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод 2 с полюсными наконечниками 3 и неподвижный сердечник 4 составляют магнитную систему механизма. В зазоре 7 между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 6, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или без каркаса). Спиральные пружинки 5 создают противодействующий момент и одновременно используются для подачи измеряемого тока в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 8.
|
|
|
Рис. 3.2. Конструкция магнитоэлектрического механизма
Рис. 3.3. Амперметр (а) и многопредельный вольтметр (б)
магнитоэлектрической системы
Вращающий момент, действующий на рамку
где B – магнитная индукция; S – площадь рамки; w – число витков обмотки рамки; i – измеряемый ток.
Угол поворота подвижной части измерительного механизма
где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента; SI – чувствительность измерительного механизма по току.
Отсюда следует, что магнитоэлектрический измерительный механизм с механическим противодействующим моментом непосредственно является измерителем тока. Кроме того, поскольку SI, есть величина постоянная, не зависящая от измеряемой величины и угла поворота подвижной части, прибор будет иметь равномерную шкалу.
Если ток синусоидальный (i = Im sin ω t), то мгновенное значение вращающего момента M вp t = BSwIm sin ω t. Учитывая, что у магнитоэлектрических измерительных механизмов период собственных колебаний подвижной части приблизительно 1 с, на частотах свыше 10 Гц рамка в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения тока.
Вследствие этого угол поворота подвижной части будет определяться средним за период Т значением вращающего момента
Таким образом, при синусоидальном токе М вр и, соответственно, угол поворота подвижной части ∝ равны нулю. Поэтому для измерений на синусоидальном токе магнитоэлектрические измерительные механизмы не применяют.
При протекании по рамке переменного несинусоидального тока магнитоэлектрический прибор будет измерять постоянную составляющую.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом применяются в амперметрах и вольтметрах постоянного тока, гальванометрах, а также в некоторых типах омметров.
Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры. В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно или с помощью шунта. Непосредственное включение применяется в микро- и миллиамперметрах при измерении токов не более 30 мА. В остальных случаях в амперметрах используют шунты, поскольку высокие значения измеряемого тока недопустимы для токоподводящих пружинок и провода подвижной рамки. В многопредельных амперметрах используют многопредельные шунты.
|
|
|
В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается добавочный резистор (рис.). В многопредельных вольтметрах используют цепочку добавочных резисторов.
Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры позволяют проводить измерения в широком диапазоне токов и напряжений – от сотых долей микроампера и десятых долей милливольта до десятков килоампер и сотен киловольт. Этот диапазон определяется высокой чувствительностью измерительного механизма (при измерениях малых токов и напряжений) и возможностями применяемых шунтов и добавочных резисторов (при измерении больших токов и напряжений).
Переносные магнитоэлектрические приборы в большинстве случаев делают высокоточными (классов 0,1 – 0,5), многопредельными и часто комбинированными. Щитовые приборы, как правило, являются однопредельными, чаще всего классов точности 1,0, 1,5 и 2,5.
Основными достоинствами магнитоэлектрических приборов являются равномерная шкала, высокая точность и высокая чувствительность.
Равномерность шкалы связана с независимостью чувствительности от угла поворота подвижной части и измеряемой величины. Высокая точность объясняется рядом причин. Равномерная шкала позволяет уменьшить погрешности градуировки и отсчета. Влияние внешних электрических полей отсутствует, а влияние внешних магнитных полей незначительно благодаря сильному собственному магнитному полю в воздушном зазоре (0,2 – 1,2 Тл). По этой же причине приборы имеют малое собственное потребление энергии. В отношении чувствительности магнитоэлектрические приборы не имеют себе равных среди электромеханических приборов. Например, микроамперметр М95 имеет ток полного отклонения 0,1 мкА (при классе точности 1,0). Поэтому гальванометры в большинстве случаев являются магнитоэлектрическими.
|
|
|
К недостаткам магнитоэлектрических приборов следует отнести невозможность их непосредственного применения для измерения в цепях переменного тока, невысокую перегрузочную способность (при перегрузке перегорают токоподводящие пружинки или растяжки), Подверженность влиянию температуры. Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является амперметр с шунтом. При неизменном токе с повышением температуры сопротивления измерительного механизма и шунта меняются по-разному, вследствие чего происходит перераспределение токов между шунтом и подвижной катушкой. Для уменьшения возникающей температурной погрешности применяют схемы термокомпенсации.
Магнитоэлектрические гальванометры. Высокочувствительные приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используют в качестве нуль индикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится посередине шкалы.
Так как чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от внешних влияющих факторов. Поэтому чувствительные гальванометры при выпуске из производства не градуируются в единицах измеряемой физической величины и им не присваиваются классы точности. В качестве метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки. Чувствительность гальванометров зависит от способа крепления рамки: на кернах (а), на растяжках (б) и на подвесе (в).
Рис. 3.3. Способы крепления рамки гальванометра:
на кернах (а), на растяжках (б), на подвесе (в)
Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие ленты или нити из специальных сплавов. Они служат для создания противодействующего момента и одновременно для подвода измеряемого тока. В особо чувствительных гальванометрах рамка установлена на подвесе (рис. 3.8, в). В гальванометрах с рамкой на подвесе вторым проводником является тончайшая лента или нить, не создающая противодействующего момента. Современные гальванометры позволяют измерять токи 10-5... 10-12 А и напряжения до 10-4 В.
|
|
|
Магнитоэлектрические логометры. В логометрах противодействующий момент создается электрическим путем. Подвижная часть этих приборов состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, по которым протекают токи I 1 и I 2. Токи в рамках направлены таким образом, что создаваемые ими моменты действуют навстречу друг другу. Приняв один из моментов вращающим, другой можно считать противодействующим.
Угол поворота подвижной части зависит от отношения токов в его обмотках:
Магнитоэлектрические логометры применяются в мегаометрах – приборах для измерения больших сопротивлений. Схема магнитоэлектрического мегаомметра представлена на рис. 8.5. На этой схеме 1 и 2 – рамки логометра с сопротивлениями R 1 и R 2; R н и R д – добавочные резисторы, постоянно включенные в схему; Rх – измеряемое сопротивление; U – напряжение источника питания, в качестве которого применяется магнитоэлектрический генератор с ручным приводом, встроенный в корпус прибора. Так как
то
то есть угол отклонения подвижной части определяется значением Rx и не зависит от напряжения источника питания U. Современные мегаомметры имеют класс точности 1,0; 1,5.
Рис. 8.5. Схема включения логометрического измерительного
механизма в магнитоэлектрическом мегаомметре
Выпрямительные приборы
Выпрямительные приборы представляют собой соединение одно- или двухполупериодного выпрямителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Они применяются для измерения напряжения и силы тока в частотном диапазоне от звуковых частот до ВЧ и СВЧ. В однополупериодных схемах (рис. 3.11, а) ток i через магнитоэлектрический прибор, включенный последовательно с диодом Д 1, проходит только в положительный полупериод. В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода велико, ток протекает через диод Д 2, включенный параллельно прибору. Диод Д 2 защищает диод Д 1 от пробоя. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно с Д 2 включен резистор R, сопротивление которого равно сопротивлению магнитоэлектрического прибора.
Рис. 3.4. Схемы вольтметра среднего выпрямленного значения
и временные диаграммы: а – однополупериодное выпрямление;
б – двухполупериодное выпрямление
Значение вращающего момента измерительного магнитоэлектрического механизма при протекании по рамке пульсирующего выпрямленного тока
M вр t = BSwi.
|
|
|
Вследствие инерционности подвижной части измерительного механизма ее отклонение будет определяться средним значением вращающего момента, который для схем одно- и двухполупериодного выпрямления соответственно будет равен:
где Т – период; I ср – среднее значение измеряемого тока.
Угол поворота подвижной части измерительного механизма для схем одно- и двухполупериодного выпрямления соответственно будет равен:
Отклонение подвижной части выпрямительного прибора пропорционально среднему значению измеряемого тока I ср. При измерениях в цепях переменного тока шкалы приборов, как правило, градуируются в действующих (средних квадратических) значениях синусоидального тока частотой 50 Гц. Среднее и действующее значения переменного тока связаны между собой через коэффициент формы кривой тока.
k ф = I / I ср,
где I – действующее значение измеряемого тока.
Таким образом, при одном и том же действующем значении, но при разной форме измеряемого тока (при разных k ф) угол поворота подвижной части будет разным, то есть показания выпрямительных приборов зависят от формы кривой измеряемого тока (а для вольтметров – напряжения).
К недостаткам выпрямительных приборов относятся:
- неравномерность начальной части шкалы (0 – 15 %), что связано с нелинейностью прямых вольт-амперных характеристик диодов;
- невысокий класс точности (чаще всего 1,5; 2,5), что обусловлено нестабильностью характеристик полупроводниковых диодов;
- подверженность влиянию температуры окружающей среды вследствие температурной зависимости вольт-амперных характеристик диодов (снижение влияния температуры обеспечивается специальными схемами термокомпенсации).
Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление мощности и сравнительно широкий диапазон рабочих частот (до 100 кГц с применением точечных кремниевых диодов и схем частотной компенсации).
Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения классов точности 1,5 и 2,5 с пределами измерения по току от 2 мА до 600 А, по напряжению – от 0,3 до 600 В.
По существовавшей до недавнего времени классификации в названии типа выпрямительных приборов использовалась буква Ц (например, Ц4352).
|
|
|
