Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из наиболее распространенных конструкций электромагнитного измерительного механизма представлена на рис. 2.23, где 1— катушка; 2 —сердечник, укрепленный на оси прибора; 3—спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4— воздушный успокоитель. (Встречаются также другие конструктивные модификации измерительных механизмов этой системы.) Под действием магнитного поля сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.
Уравнение преобразования. Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает ток I,
(2.60)
где L —индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.
Согласно (2.2) вращающий момент
(2.61)
При установившемся отклонении подвижной части механизма М вр =М пр, где М пр =Wa, т.е. уравнение преобразования прибора имеет вид
(2.62)
Если по катушке протекает переменный ток i(t), то необходимо произвести усреднение по времени:
(2.63)
По определению действующее значение тока
(2.64)
т.е.
(2.65)
Из (2.65) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока. Линеаризация шкалы производится при помощи выбора специальной формы сердечника.
Амперметры. Промышленностью выпускаются амперметры с номинальным током от долей ампера до 200А. Наиболее распространены амперметры на 5А, Последнее обстоятельство связано с тем, что на практике для расширения пределов измерения используются трансформаторы тока, причем номинальное значение тока во вторичной обмотке выбирается, как правило, равным 5А, На рис. 2.24 показано включение амперметра во вторичную обмотку трансформатора тока. Здесь w 1 ,— первичная обмотка; w 2 —вторичная; I 1и I 2 — соответствующие токи.
Вольтметры. Если учесть, что ток через катушку прибора I=U/R и, где U— приложенное напряжение, а R и—сопротивление катушки, то из (2.65) следует
(2.66)
Таким образом, шкала измерительного механизма может быть проградуирована и в единицах напряжения. Для расширения пределов измерения вольтметров используются добавочные сопротивления, поэтому приборы можно выполнять многопредельными. Промышленностью выпускаются электромагнитные вольтметры с номинальным напряжением от долей вольта до сотен вольт.
К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, низкая стоимость, надежность, способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.
Недостатками являются: большое собственное потребление энергии, малая точность, малая чувствительность, сильное влияние внешних магнитных полей.
Приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты, Класс точности этих приборов 1,5 и 2,5. В некоторых особых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000Гц, вольтметры до 400Гц. Используются они и в лабораторной практике как переносные приборы классов точности 0,5 и 1,0.
Резонансный (вибрационный) частотомер. Электромагнитные механизмы нашли применение также для изготовления частстомеров, предназначенных для контроля частот 50 и 400Гц. Такие частотомеры (рис. 2.25) состоят из электромагнита 1 с сердечником 2, на обмотку которого подается напряжение с измеряемой частотой. В поле электромагнита находится якорь 3, скрепленный с планкой 4, на которой укреплен ряд стальных пластинок 6 с различными собственными частотами. Пружинные опоры 5 позволяют якорю и пластинкам 6 совершаю вынужденные колебания с удвоенной частотой напряжения. При этом наибольшую амплитуду будет иметь та пластинка, у которой частота собственных колебаний совпадает с частотой второй гармоники вынужденных колебаний.
Погрешность резонансных частотомеров составляет около 1%. Она определяется размером пластинок и их числом. К достоинствам рассматриваемых приборов относятся их простота и удобство в эксплуатации. Недостатки—узкость пределов измерения (например, 45—55Гц, 350—450Гц) и невозможность использования на подвижных объектах из-за появления паразитных механических вибраций.
Измерительные трансформаторы тока. Как указывалось выше, для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров применяются измерительные трансформаторы тока, которые преобразуют большие значения токов I 1, в малые I 2. Коэффициент трансформации К 1 =I 1 /I 2в основном определяется отношением числа витков во вторичной обмотке w 2 к их числу в первичной обмотке w 2, т.е. К I» w2/ w 1. Схема включения амперметра с трансформатором тока ТА представлена на рис. 2.26. Чтобы получить значение измеряемого тока I 1следует измеренное амперметром значение тока I 2умножить на коэффициент трансформации:
На практике вместо действительного коэффициента трансформации К I приходится использовать номинальный коэффициент трансформации К I н, что приводит к погрешности определения тока I 1. Классы точности трансформаторов тока переносных лабораторных: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; стационарных, устанавливаемых на подстанциях: 0,2; 0,5; 1,0; 3; 5; 10. Номинальные значения сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки лежат в пределах от 0,2 до 2,0Ом. Увеличение сопротивления нагрузки приводит к увеличению погрешностей. Размыкание вторичной обмотки недопустимо, так как оно вызывает появление на разомкнутых концах высокого напряжения, опасного длялюдей и способного привести к нарушению изоляции.
Измерительные трансформаторы напряжения. Для расширения пределов измерения вольтметров электромагнитной, электродинамической и электростатической систем применяются измерительные трансформаторы напряжения, которые преобразуют высокое напряжение U 1подводимое к первичной обмотке, в низкое U2, снимаемое со вторичной. Коэффициент трансформации К U=U1 /U 2приближенно равен отношению числа витков первичной обмотки ю, к числу витков во вторичной, т.е. К U» w1 /w 2. Схема включения вольтметра с трансформатором напряжения ТV представлена на рис. 2.27. Значение измеряемого напряжения U 1определяется из формулы U 1 =K U U 2Использование вместо действительного коэффициента трансформации К~ приводит к погрешностям определения напряжения U 1 ,. Классы точности лабораторных трансформаторов напряжения: 0,05; 0,1; 0,2; стационарных: 0,2; 0,5; 1,0; 3.
