5. Буквенные условные обозначения функций, выполняемых приборами

Чувствительность – отношение изменения выходной величины dy к вызвавшему её изменению входной величины dx:

S=dy/dx

Рисунок 2. 1 – Структура прибора

Измерительная цепь – осуществляет преобразование измеряемой электрической величины Х в электрическую X', удобную для измерения (сопротивление ток). Измерительная цепь содержит резисторы и другие элементы, необходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

Измерительный механизм преобразует электрическую величину Х' в механическое перемещение (угловое или линейное) ά, значение которого отсчитывается по шкале отсчетного устройства, обычно проградуированного в единицах измеряемой величины.

К общим узлам и деталям относятся: корпус, шкала, указатель, детали для установки подвижной части, успокоитель, устройство для создания противодействующего момента, корректор.

Корпус – защищает измерительный механизм.

Указатель – механический или световой. Механический – легкая стрелка из стекла или алюминия. Световой – луч, отражающийся от легкого зеркальца, укрепленного на подвижной части измерительного механизма, и падающий затем на шкалу.

Детали для установки подвижной части – обеспечивают свободное вращение последней; три способа установки: на кернах, на растяжках, на подвесе.

Успокоитель предназначен для того, чтобы стрелка не испытывала слишком долгих колебаний (воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители).

Корректор – для установки стрелки в нулевое положение.

  Магнитоэлектрические измерительные механизмы.

 В магнитоэлектрических измерительных механизмах вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки – рамки.

Обратимся к рассмотрению принципа действия магнитоэлектрических измерительных механизмов.

На рис. 2. 1 показана подвижная рамка измерительного механизма, находящаяся в равномерном радиальном магнитном поле. При протекании по обмотке рамки тока возникают силы F, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы ее плоскость стала перпендикулярной к направлению O₁ – O₂. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавливается.

Рисунок 2. 1 – Подвижная катушка в радиальном магнитном поле

Для получения зависимости между углом отклонения и током в рамке обратимся к уравнению (2. 1), которое применительно к нашему случаю представляется так:

                                (2. 1)

где Ф — поток, сцепляющийся с обмоткой рамки;

I — ток в обмотке рамки.

Величина Ф может быть подсчитана как произведение индукции В в воздушном зазоре, числа витков ω обмотки рамки и суммы площадей двух боковых поверхностей, описанных активными сторонами подвижной катушки при ее повороте на угол а от нейтрального положения (оси O₁ – О₂).

В соответствии с рис. 2. 1 активными сторонами обмотки рамки будут являться стороны, расположенные в плоскости, перпендикулярной рисунку. Стороны рамки, находящиеся в плоскости рисунка, при своем движении скользят вдоль силовых линий, не пересекая их, и поэтому не будут участвовать в создании вращающего момента. Следовательно:

                                          (2. 2)

где r—радиус рамки относительно оси вращения; l—длина рамки; α — угол отклонения рамки от нейтрального положения. Обозначив площадь катушки через s, можем написать:

откуда

                                             (2. 3)

Как видно из выражения (2. 3), при перемене направления тока в обмотке рамки меняется на обратное и направление отклонения подвижной части.

Для получения отклонения указателя в нужную сторону необходимо при включении прибора соблюдать указанную на приборе полярность.

Из выражения (2. 3) и определения понятия чувствительности следует, что для магнитоэлектрических измерительных механизмов и, следовательно, для магнитоэлектрических приборов чувствительность:

                                                (2. 4)

Из уравнения (2. 4) видно, что чувствительность магнитоэлектрического прибора не зависит от угла отклонения и постоянна по всей шкале; отсюда следует, что магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу. Это позволяет выпускать их комбинированными и многопредельными.

Магнитоэлектрические приборы относятся к числу наиболее точных. Они изготовляются вплоть до класса точности 0, 1. Высокая точность этих приборов объясняется рядом причин. Наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета. Благодаря сильному собственному магнитному полю влияние посторонних полей на показания приборов весьма незначительно. Внешние электрические поля на работу приборов практически не влияют. Температурные погрешности могут быть скомпенсированы с помощью специальных схем.

Большим достоинством магнитоэлектрических приборов является высокая чувствительность. В этом отношении магнитоэлектрические приборы не имеют себе равных. Известны магнитоэлектрические микроамперметры с током полного отклонения 0, 1 мкА(например, типа М95, класса точности 1, 0).

Благодаря этим достоинствам магнитоэлектрические приборы применяют с различными преобразователями переменного тока в постоянный для измерений в цепях переменного тока.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов следует отнести несколько более сложную и дорогую конструкцию, чем, например, конструкция электромагнитных приборов, невысокую перегрузочную способность (при перегрузке обычно перегорают токоподводящие пружинки или растяжки для создания противодействующего момента) и, самое главное, отмеченную выше возможность применения в качестве амперметров и вольтметров лишь для измерений в цепях постоянного тока (при отсутствии преобразователей).

Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом используются главным образом в амперметрах, вольтметрах и гальванометрах, а также в некоторых типах омметров.

Рассмотрим особенности устройства измерительных механизмов магнитоэлектрических логометров.

  Как было указано выше, в логометрах противодействующий момент создается не механическим путем, а электрическим. Для этого в магнитоэлектрическом логометре (рис. 2. 2) подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой рамок 1 и 2, по обмоткам которых протекают токи I₁ и I₂. Пружинки для создания механического противодействующего момента не ставятся, а ток к обмоткам подводится с помощью безмоментных токопроводов, выполняемых в виде тонких неупругих металлических ленточек.

Направления токов в обмотках выбираются так, чтобы моменты M₁ и M₂, создаваемые рамками, действовали навстречу друг другу. Один из моментов вращающий, а второй — противодействующий. Хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота. Значит, один (или несколько) из параметров, определяющих значение момента, должен являться функцией угла α. Технически наиболее просто сделать зависящей от угла поворота индукцию В. Для этого магнитное поле в зазоре должно быть неравномерным, что достигается неравномерностью зазора (с этой целью сердечник на рис. 3. 2 сделан эллипсоидальным).

В общем виде выражения для моментов M₁ и M₂ могут быть записаны так:

где ;  и  — функции, выражающие закон изменения индукции для рамок 1 и 2 при перемещении их в зазоре. При установившемся равновесии моменты M₁ и M₂, равны, т. е.

откуда

Выражение для угла поворота можно представить так:

                                            (2. 5)

Из выражения (2. 5) видно, что отклонение подвижной части логометра зависит от отношения токов в его обмотках.

Измерительные механизмы магнитоэлектрических логометров применяют, прежде всего, в омметрах.

Электромагнитные измерительные механизмы. Вращающий момент в электромагнитных измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, обычно составляющими подвижную часть механизма.

В настоящее время наибольшее применение получили три конструкции измерительных механизмов:

а) с плоской катушкой;

б) с круглой катушкой;

в) с замкнутым магнитопроводом.

На рис. 2. 3 показан измерительный механизм с плоской катушкой. Катушка I наматывается медным проводом и имеет воздушный зазор, в который может входить эксцентрично укрепленный на оси сердечник 2.

Материал сердечника должен обладать высокой магнитной проницаемостью, что способствует увеличению вращающего момента при заданном значении потребления мощности прибором, и минимальной коэрцитивной силой, что уменьшает погрешность от гистерезиса. Обычно материалом сердечника в щитовых приборах служит электротехническая (кремнистая) сталь, а в точных переносных приборах — пермаллой.

При наличии тока в катушке сердечник стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т. е. втягивается в зазор катушки. При этом закручиваются пружинки 3, в результате чего возникает противодействующий момент. Для успокоения движения подвижной части в электромагнитных измерительных механизмах применяют обычно воздушные или жидкостные успокоители. На рис. 2. 3 представлен измерительный механизм с воздушным успокоителем, состоящим из камеры 4 и крыла 5.

Одним из существенных недостатков электромагнитных измерительных механизмов с плоской или с круглой катушкой является сильное влияние внешних магнитных полей. Это объясняется тем, что собственное магнитное поле невелико. Для защиты от внешних полей применяются в основном два способа — астазирование и экранирование.

В астатическом измерительном механизме на оси подвижной части укреплены два одинаковых сердечника, каждый из которых размещается в магнитном поле одной из катушек, включенных между собой последовательно. Направление обмоток выбрано так, что магнитные поля катушек, равные по значению и конфигурации, направлены навстречу друг другу. При этом подвижная часть будет находиться под действием суммы двух моментов, каждый из которых создается одним из сердечников и действующей на него катушкой. Если такой измерительный механизм попадает в равномерное внешнее поле, то один из моментов, для которого направления собственного и возмущающего полей будут совпадать, увеличится, а второй — соответственно уменьшится. Суммарный момент, а, следовательно, и показания прибора при этом не изменяются. Недостатки астатического измерительного механизма заключаются в усложнении и удорожании конструкции, а также в том, что астазирование исключает действие только равномерных полей.

При магнитном экранировании измерительный механизм помещается внутрь замкнутой оболочки из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью (чаще всего из пермаллоя). Действие экрана состоит в том, что магнитные линии внешнего поля, стремясь пройти по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, сгущаются внутри стенок экрана, почти не проникая во внутреннюю область. Для улучшения магнитной защиты иногда применяются экраны из двух или нескольких оболочек.

На рис. 2. 4 показан электромагнитный измерительный механизм с замкнутым магнитопроводом. Катушка 1 помещена на магнитопровод 2 с полюсными наконечниками 3. При наличии тока в обмотке катушки подвижный сердечник 4 стремится повернуться по часовой стрелке вокруг оси 0, втягиваясь в рабочее пространство между полюсными накладками.

Достоинствами измерительного механизма с замкнутым магнитопроводом являются: повышенная чувствительность, уменьшение погрешности от влияния внешних магнитных полей, возможность относительно просто менять характер шкалы путем изменения положения левого полюсного наконечника относительно правого. Обычно в измерительных механизмах с замкнутым магнитопроводом применяют растяжки и жидкостное успокоение.

В заключение отметим, что по своему устройству электромагнитные измерительные механизмы являются самыми простыми среди измерительных механизмов приборов разных групп.

На основании уравнения (2. 1) определим вращающий момент электромагнитного измерительного механизма. Электромагнитная энергия катушки, по обмотке которой протекает ток:

где L — индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника;

I — ток в обмотке.

Выражение для вращающего момента будет:

Если противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения:

Откуда:

,                                        (2. 6)

Из выражения (2. 6) видно следующее:

1. Знак угла отклонения подвижной части не зависит от направления тока в обмотке. Это значит, что электромагнитные приборы могут применяться для измерений в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока (или напряжение).

2. Шкала электромагнитного прибора неравномерная, т. е. между измеряемой величиной (током) и углом отклонения нет прямо пропорциональной зависимости. Характер шкалы зависит от множителя  т. е. от закона изменения индуктивности с изменением угла поворота сердечника и от квадрата тока в катушке.

Меняя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20—25% верхнего предела диапазона измерений.

Устройство измерительного механизма электромагнитного логометра с катушками А и Б представлено на рис. 3. 5. Сердечники на оси укреплены так, что при повороте подвижной части в некоторых пределах индуктивность одной катушки увеличивается, а другой — уменьшается, вследствие чего вращающие моменты направлены в противоположные стороны. Взаимным влиянием одной катушки на другую пренебрегаем. Для статического равновесия можем написать:

 или

Решая это уравнение относительно , получим:

                                   (2. 7)

Электромагнитные измерительные механизмы используются в настоящее время в амперметрах, вольтметрах, в фазометрах и частотомерах. Кроме этих приборов, применяются резонансные электромагнитные приборы, в которых частота собственных колебаний подвижной часта (сердечника) настраивается в резонанс с частотой тока в обмотке. К таким устройствам относятся вибрационные частотомеры.

Главными достоинствами электромагнитных приборов являются: простота конструкции и, как следствие, дешевизна и надежность в работе; способность выдерживать большие перегрузки, что объясняется отсутствием токоподводов к подвижной части; возможность применения для измерений в цепях постоянного и переменного тока (отдельных приборов до частоты примерно 10000 Гц).

К недостаткам приборов относятся относительно малые точность и чувствительность.