3.2.2.1. Магнитоэлектрические приборы

Магнитоэлектрические приборы (МЭП) состоят из

- измерительной цепи,

- магнитоэлектрического измерительного механизма и

- отсчётного устройства (см. рис.).

Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой (измерительные механизмы с внешним и внутрирамочным магнитом).

Преимущества измерительных механизмов с внутрирамочным магнитом - лучшее использование магнитной энергии магнита, что позволяет создавать миниатюрные приборы.

На рисунке показана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка 9, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевый каркас (при- меняют и бескаркасные рамки).

Рис. Схемаустройства магнитоэлектрического прибора:

1 - постоянный магнит; 2 - полюсные наконечники; 3 - неподвижный сердечник; 4, 10 - полуоси; 5, 6 - спиральные пружины; 7 - передвижные грузики; 8 - стрелка; 9 - подвижная прямоугольная катушка

Катушка (рамка) может поворачиваться в зазоре на полуосях 4 и 10.

Спиральные пружины 5 и 6 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (механические и электрические соединения на рисунке не показаны).

Рамка жёстко соединена со стрелкой 8. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 7.

На рамку действует вращающий момент

М_вр = Ψ₀I,

где Ψ₀ = BSw - потокосцепление данного контура с магнитным полем постоянного магнита,

B - магнитная индукция в рабочем зазоре,

S - активная площадь рамки,

w - число витков обмотки рамки.

Кроме вращающего момента М_вр на подвижную часть измерительного механизма действует противодействующий момент М_пр, обычно создаваемый пружиной и равный

М_пр = αW,

где α - угол поворота подвижной части,

W - удельный противодействующий момент.

Движение (вращение) подвижной части происходит до тех пор, пока противодействующий момент не уравновесит вращающий. При этом

Ψ₀I = αW,

откуда

α = Ψ₀I/W.

Отношение Ψ₀/W = S_I - чувствительность измерительного механизма к току I.

Тогда

α = S_II.

Отсюда видно, что отклонение подвижной части происходит линейно с ростом тока в обмотке рамки подвижной части, т.е. измерительный механизм магнитоэлектрической системы позволяет получить равномерную шкалу прибора.

В магнитоэлектрических приборах успокоение подвижной части магнитоиндукционное, т.е. создается взаимодействием магнитных полей от вихревых токов в каркасе катушки и поля постоянного магнита.

Достоинства магнитоэлектрических приборов:

- высокий класс точности (из-за высокой стабильности элементов измерительного механизма) - 0,05 и ниже,

- равномерная шкала,

- высокая и стабильная чувствительность,

- незначительное влияние на режим измерительной цепи (так как мощность потребления измерительного механизма мала - не более нескольких десятых долей ватта),

- большой диапазон измерений,

- на показания МЭП не влияют внешние магнитные и электрические поля.

- хорошее успокоение.

Недостатки:

- сложность и относительно высокая стоимость,

- невысокая перегрузочная способность, обусловленная лёгким перегревом пружин и изменением их свойств,

- температурные влияния на точность измерения,

- пригодность для измерения только в цепях постоянного тока.

Применение. Магнитоэлектрические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, гальванометрах (обычных, баллистических и вибрационных) и омметрах.

Амперметры. Магнитоэлектрический ИМ, включенный в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, позволяет измерять силу тока порядка 20... 50 мА.

Для расширения пределов измерения используют шунты (манганиновый резистор), сопротивление которых мало зависит от температуры.

Вольтметры. Магнитоэлектрический механизм, включенный параллельно нагрузке, может использоваться в качестве милливольтметра.

Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор R_доб.

Логометры. Логометры - электромеханические приборы, измеряющие отношение двух электрических величин, обычно двух токов: α = f(I₁/I₂), что позволяет сделать их показания независимыми в известных пределах от напряжения источника питания.

В логометрах вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем и направлены навстречу друг другу.

На рисунке приведена схема устройства магнитоэлектрического логометра:

Рис. Схема устройства магнитоэлектрического логометра

В поле постоянного магнита помещена подвижная часть, состоящая из двух жестко закрепленных под определенным углом рамок.

Особой формой полюсных наконечников и сердечника, находящегося между ними, искусственно создается в зазоре между ними неравномерное магнитное поле постоянного магнита.

Токи к рамкам подводятся через безмоментные токоподводы, не создающие противодействующего момента.

Направления токов в рамках логометра выбираются так, чтобы моменты М_вр и М_пр были направлены в разные стороны.

Тогда в общем виде можно записать:

М_вр = I₁f₁(α); М_пр = I₂f₂(α), (1)

где I₁ и I₂ - токи в рамках; α - угол отклонения подвижной части от некоторого условного нулевого положения.

Равновесие подвижной части наступает при равенстве моментов М_вр и M_пр, действующих на рамку, т.е. при условии I₁f₁(α) = I₂f₂(α).

Отсюда

I₁/I₂ = f₂(α)/f₁(α) = f(α) или α = F (I₁/I₂). (2)

Омметры. Магнитоэлектрические логометры широко применяют в приборах для измерения сопротивления - омметрах и мегомметрах, в выпрямительных частотомерах и устройствах для измерения неэлектрических величин (температуры, давления, уровня жидкости и др.)

На рисунке приведены схемы магнитоэлектрических омметров с последовательным (см. рис. а) и параллельным (см. рис. б) включением измеряемого сопротивления.

Рис. Схемы устройства магнитоэлектрических омметров с логометрическим механизмом для измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений

Последовательное включение r_х применяется при измерении средних и больших сопротивлений.

В первой схеме силы тока в катушках определяются по формулам

I₁ = Е/(r₁ + r₀); I₂ = Е/(r₂ + r_х),

где Е - напряжение питания; r₁ и r₂ - сопротивления обмоток рамок; r₀ - известное сопротивление; r_х - неизвестное сопротивление.

Тогда согласно (2) уравнение преобразования будет иметь вид

α = F[(r₂ + r_х)/(r₁ + r₀)]. (3)

Из (3) видно, что независимо от величины напряжения питания Е и при постоянных r₁, r₂ и r₀ отклонение подвижной части является однозначной функцией r_х, и шкала прибора может быть проградуирована в единицах сопротивления.

В приборах с параллельным включением r_х (см. рис. б) при постоянном напряжении Е сила тока I₁ не зависит, а сила тока I₂ зависит от r_х.

Отношение токов, а следовательно, и угол α не зависят от напряжения питания и являются однозначной функцией r_х, т. е. и здесь шкала может быть проградуирована в Oмах.

Обе схемы обычно объединяют в одном приборе - омметре; переход от одной схемы к другой осуществляется с помощью переключателя.

Логометрические омметры - приборы невысокого класса точности (1,5; 2,5; 4,0).

Погрешность омметра указывается в процентах от длины рабочей шкалы.

Аналогично рассмотренному принципу построения логометрического ИМ магнитоэлектрической системы выпускают логометры электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и индукционной систем.