Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на воздействии магнитного поля постоянного магнита на подвижную катушку с током, помещенную в это поле. Устройство прибора такой системы с механической противодействующей силой показано на рис. 9.3. Прибор состоит из неподвижной части, представляющей собой подковообразный магнит 3 с полюсными наконечниками, которые выполнены из магнитомягкой стали и имеют цилиндрическую расточку. В пространстве между полюсными наконечниками неподвижно закреплен стальной цилиндрический сердечник 2, который необходим для создания в воздушном зазоре 1 между полюсными наконечниками и сердечником равномерного радиально направленного поля. В воздушном зазоре расположена подвижная катушка 4, выполненная из тонкого изолированного провода, намотанного на алюминиевый каркас прямо-угольной формы (или без каркаса). Концы обмотки соединены со спиральными пружинами 5 (растяжками или подвесом), изолированно закрепленными на стальных полуосях 00₁ рамки. С другой стороны, пружины своими свободными концами соединены с двумя неподвижными проводами, подводящими ток к катушке, т. е. пружины являются токоведущими частями прибора. Пружины изготовляют из фосфористой бронзы. Их основное назначение — создание противодействующего момента в приборе и возвращение подвижной системы в первоначальное (нулевое) положение, когда прибор отключен от сети.

Вращающий момент подвижной системы прибора создается в результате взаимодействия подвижной катушки с током и магнитного поля в воздушном зазоре магнита и пропорционален электромагнитнойсиле F = = wBlI, действующей на подвижную катушку:

 (9.7)

где l, b, S — соответственно длина, ширина и площадь катушки; В —магнитная индукция в воздушном зазоре; w — число витков катушки. Под действием вращающего момента М_вр катушка прибора поворачивается и стрелка отклоняется до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту:

 (9.8)

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от жесткости пружин; α — угол закручивания пружин. Из условия равенства вращаю-
 щего и противодействующего моментов wBSI = Кα  находим угол поворота стрелки прибора:

 (9.9)

Из (9.9) следует, что угол поворота стрелки прибора магнитоэлектри-ческой системы пропорционален току, проходящему через обмотку катушки. Поэтому у этих приборов шкала равномерная, что делает их
удобными в эксплуатации.

Величина S_I = α/I называется чувствительностью прибора магнито-электрической системы к току, причем чем больше S_I, тем меньший ток требуется для равного перемещения подвижной части прибора. Чувст-вительность у этих приборов не зависит от угла α и постоянна по всей шкале.

Направление отклонения стрелки приборов магнитоэлектрической системы зависит от направления измеряемого тока, поэтому при включе-нии их в цепь переменного тока на подвижную катушку действуют быстроизменяющиеся по значению и направлению механические силы, среднее значение которых равно нулю. Следовательно, такие приборы пригодны только для измерений в цепях постоянного тока.

Успокоение подвижной системы прибора достигается тормозящим действием вихревых токов, наводимых в алюминиевой рамке катушки при перемещении ее в магнитном поле постоянного магнита NS, так как, согласно правилу Ленца, магнитное поле рамки противодействует магнитному полю магнита, что мешает вращению рамки и быстро гасит eе колебания.

Приборы магнитоэлектрических систем производятся на токи не более 150—200 мА, так как при больших токах происходит недопустимый нагрев спиральных пружин (или растяжек), служащих, как отмечалось ранее, токоподводящими элементами системы. Для расширения пределов измерения магнитоэлектрических приборов по току используют шунты (масштабные преобразователи), представляющие собой сопротивление,
включенное параллельно прибору для того, чтобы только определенная часть измеряемого тока проходила через сам прибор.

Измерительные приборы магнитоэлектрической системы можно применять при измерениях в цепях переменного тока, если в цепь под-вижной катушки включить преобразователь переменного тока в постоян-ный или пульсирующий.

Магнитоэлектрические приборы обладают следующими положитель-ными свойствами: высокой чувствительностью и большой точностью измерений; незначительной собственной потребляемой мощностью; незначительной зависимостью работы приборов от внешних магнитных полей и температуры окружающей среды, равномерностью шкалы по всей ее длине и большим диапазоном измерения значений тока (от10^-6 до 50 А)  и напряжения (от 10^-3 до нескольких сотен вольт при применении добавочных сопротивлений); хорошей апериодичностью, т. е. быстрым успокоением подвижной системы.

К отрицательным свойствам магнитоэлектрических приборов следует отнести слабую перегрузочную способность (токопроводящие пружины при перегрузках перегреваются, изменяя упругие свойства) и необходимость при измерениях в цепях переменного тока применять специальные преобразователи.

Наибольшее распространение получили выпрямительные (детектор-ные) и термоэлектрические приборы. Выпрямительные приборы пред-ставляют собой сочетание магнитоэлектрических приборов с полу-проводниковыми выпрямителями. Так, на рис. 9.4 представлена схема прибора детекторной системы, в которой прибор включен в диагональ моста, собранного на полупроводниковых (германиевых или кремниевых) диодах. Выпрямитель преобразует переменный ток в пульсирующий (одного направления), который измеряется магнитоэлектрическим прибором. Вращающий момент прибора пропорционален мгновенному значению тока, но из-за инерции его подвижной системы отклонение стрелки прибора пропорционально среднему значению вращающего момента за период или среднему значению выпрямленного
тока:

 (9.10)

Шкалу детекторного прибора можно отградуировать в действую-щих значениях, если в цепи проходит синусоидальный ток, так как между ними существует соотношение I = [π/(2 )]I_ср, = 1,11I_ср. Однако для измерения действующих значений несинусоидальных токов детекторные приборы использовать нельзя.

Детекторные приборы имеют высокую чувствительность, небольшое собственное потребление мощности, их можно использовать при повы-шенных частотах (без частотной компенсации - до 2 000 Гц, а с частотной компенсацией — до 40000 Гц). Наивысший класс точности таких
приборов 1,0.

Приборы термоэлектрической системы представляют собой сочета-ние магнитоэлектрического прибора с термопреобразователем, состоящим из термопары (иногда из нескольких термопар) и нагревателя, через который проходит измеряемый переменный ток. На рис. 9.5 показана схема прибора термоэлектрической системы, в которую входят магнитоэлектрический прибор 1, термопреобразователь в виде термопары 2 и проволочного нагревательного элемента 3, по которому проходит измеряемый переменный ток I. Магнитоэлектрический прибор соединен со свободными концами термопары, а рабочие концы термопары (горячий спай) присоединены непосредственно к проволочному нагревательному элементу, нагреваемому проходящим по нему током.

Количество теплоты, выделяемой в проволочном нагревательном элементе, пропорционально квадрату измеряемого действующего зна-чения переменного тока. Так как спай термопары нагревается проволоч-ным нагревателем, то температура спая и э. д. с. термопары находится в прямой зависимости от количества теплоты, выделяемой в нагревателе. Таким образом, отклонение стрелки измерительного прибора про-порционально квадрату действующего значения переменного тока.

Основным положительным свойством приборов термоэлектрической системы является возможность измерения с их помощью переменных токов высокой частоты, в частности тока в пределах 10^-3-50 А частотой до 5 МГц, а также напряжения в пределах 0,1 — 1000 В частотой от 20 Гц до 3 МГц. Наивысший класс точности этих приборов 1,0.

К недостаткам термоэлектрических приборов относятся малая перегрузочная способность, значительное собственное потребление мощ-
ности, зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды, ограниченный срок службы термопар.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение методической, инструментальной, абсолютной, относительной и приведенной погрешностям.

2. Поясните принцип действия и назначение отдельных деталей магнитоэлектрического измерительного механизма.

3. Изобразите условные обозначения, приводимые на шкалах приборов магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.