3. Расширение пределов измерений

Магнитоэлектрические приборы используются в цепях постоянного тока в качестве амперметров и вольтметров. Поскольку ток в рамке I_p не может превосходить 10мА, а сопротивление обмотки рамки R_р составляет не более десятков Ом, то для расширения пределов измерения в амперметрах используются шунты R_ш, а в вольтметрах – добавочные сопротивления R_д.

Для уменьшения погрешности измерения необходимо, чтобы полное сопротивление амперметра R_р и шунта R_ш было на два порядка меньше, а общее сопротивление вольтметра R_р и добавочного сопротивления R_д были на два порядка больше сопротивления любого элемента измеряемой цепи.

На рис. 3а показана схема включения амперметра А параллельно шунту R_ш. Для расширения пределов измерения в K раз, сопротивление шунта определяется по формуле:

(4)

где I_рд – допустимый ток рамки (амперметра); I_н – наибольшее значение измеряемого тока; K = I_н/I_рд – коэффициент расширения пределов измерения по току.

Рис. 3

Шунты бывают встроенные в корпус амперметра и наружные (на большие токи, измеряемые сотнями и тысячами ампер). Материалом для изготовления шунтов служит манганин – сплав меди, марганца и алюминия, имеющий очень низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКR = 10^-6) и высокую допустимую температуру (t_доп = 300С).

На рис. 3б показана схема включения добавочного резистора R_д последовательно с сопротивлением R_р вольтметра V. Сопротивление резистора R_д определяется из условия, чтобы ток рамки при наибольшей величине измеряемого напряжения U_н не превосходил допустимого значения (I_рд  10мА).

В процессе измерения ток рамки а угол отклонения стрелки  = cI_р = ckU = cU, то есть будет прямо пропорционален измеряемому напряжению. Добавочные резисторы встраиваются в корпус вольтметра, а при измерениях высоких напряжений применяются наружные добавочные резисторы.

3. Приборы электромагнитной системы

   1. Принцип действия и устройство

Приборы с электромагнитным измерительным механизмом действуют на принципе перемещения ферромагнитного сердечника под влиянием магнитного поля неподвижной катушки.

Существуют две конструктивные разновидности этих приборов: с плоской катушкой и круглой катушкой.

В первой конструкции (рис. 4) эксцентричный сердечник 2 втягивается внутрь неподвижной катушки 1. На одной оси О с подвижным сердечником закреплены стрелка 3, спиральная противодействующая пружинка 4 и шток поршня 5, перемещающегося внутри цилиндра 6. Последние два элемента конструкции представляют собой воздушный демпфер, обеспечивающий успокоение подвижной части прибора за счет сопротивления воздуха перемещению стержня в цилиндре.

П

Рис. 4

ри прохождении тока по неподвижной катушке создается магнитный поток, намагничивающий ферромагнитный сердечник, который втягивается внутрь катушки. При этом ось О поворачивается, и стрелка прибора отклоняется на угол .

В приборе с круглой катушкой (рис. 5) внутри катушки К имеются два ферромагнитных сердечника: неподвижный С₁ и подвижный С₂. При протекании тока через катушку оба сердечника намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга, вследствие чего подвижный сердечник С₂ вместе со стрелкой поворачивается и закручивает противодействующую пружинку.

Выражение для вращающего момента М рассматриваемого электроизмерительного механизма можно получить как производную от энергии магнитного поля по угловому перемещению .

Как известно, энергия магнитного поля W_м = LI²/2, где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника внутри катушки; I – ток в катушке.

При повороте сердечника 2 (рис. 4) на угол d приращение энергии магнитного поля следовательно, вращающий момент

(5)

(5)

П

Рис. 5

оскольку с ростом угла  индуктивность L возрастает, то, приняв в первом приближении производную получим M = K₁I², где K₁ – постоянный коэффициент. Так как противодействующий момент пружины М_пр = K₂, то угол поворота пропорционален квадрату тока, то есть шкала прибора будет неравномерной. Выбором формы сердечника и его расположением относительно катушки можно получить различные зависимости Обычно стремятся к тому, чтобы при малых токах отношение имело большие значения, а при больших токах – малые, вследствие чего шкала будет близкой к равномерной в ее рабочей части, то есть от 20% до 100% верхнего предела измерения.

Поскольку вращающий момент зависит от квадрата тока, то приборы электромагнитной системы могут применяться в цепях постоянного и переменного тока.

Среднее значение момента, создаваемого синусоидальным током i = I_msint, будет равно

(6)

где – действующее значение тока.

Угол поворота стрелки прибора

(7)

также зависит от квадрата действующего значения переменного тока.

Амперметры электромагнитной системы изготовляются на прямое включение в цепь с током до 200300А (при больших токах катушка представляет собой один виток, выполненный из медной шины).

Вольтметры электромагнитной системы выпускают на напряжения до 660В при включении последовательно с катушкой добавочных резисторов. Вращающий момент механизма и угол отклонения стрелки вольтметра также зависят от квадрата изменяемой величины.

Достоинства приборов электромагнитной системы: простота конструкции; пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного токов; большая перегрузочная способность; надежность в эксплуатации.

К недостаткам относятся неравномерность шкалы, низкая чувствительность, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле катушки расположено в воздушной среде с большим магнитным сопротивлением, то есть магнитная индукция поля невелика.