Принцип действия, основы теории и применения измерительных механизмов

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. 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 О1– О2. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавливается.

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

(1)

где Ф – поток, сцепляющийся с обмотками; I - ток в обмотке рамки.

Величина Ф может быть подсчитана как произведение индукции B в воздушном зазоре, числа витков ω обмотки рамки и суммы площадей двух боковых поверхностей, описанных активными сторонами подвижной катушки при ее повороте на угол от нейтрального положения (оси О1– О2).

В соответствии с рис. 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 вращающегося момента. Следовательно,

 

 

где r – радиус рамки относительно оси вращения; l – длина рамки; - угол отклонения рамки от нейтрального положения.

Обозначив площадь катушки через s, может написать

Подставляя это выражение в формулу (1) и дифференцируя его, получим

(2)

Так как противодействующий момент создается упругими элементами, то можно воспользоваться формулой и для режима установившегося отклонения написать

,

 

откуда

 

(3)

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

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

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

(4)

Из уравнения (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 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 типов омметров.

Рассмотрим особенности устройства измерительных механизмов магнитоэлектрических логометров.

Как указано выше, в логометрах противодействующий момент создается не механическим путем, а электрическим. Для этого в магнитоэлектрическом логометре (рис.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 на встречу 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 . Технически наиболее просто сделать зависящей от угла поворота индукцию . Для этого магнитное поле в зазоре должно быть неравномерным, что достигается неравномерностью зазора (с этой целью сердечник на рис. 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 представит так:

(5)

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

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. 3 показан измерительный механизм с плоской катушкой. Катушка 1 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 сердечника 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. 3 представлен измерительный механизм с воздушным успокоителем, состоящий 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 их которых создается одним из сердечников и действующей на него катушкой. Если такой измерительный механизм попадает в равномерное внешне 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, сгущается внутри стенок экрана, почти не проникая во внутреннюю область. Для улучшения магнитной защиты иногда применяются экраны из двух или нескольких оболочек.

На рис. 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 стрелки вокруг оси 0, втягиваясь в рабочее пространство между полюсными накладками.

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

На основании уравнения 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

(6)

Из выражения (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.

 

Электродинамические измерительные механизмы. В электродинамических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами (рис. 5).

Неподвижная катушка 1 обычно состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. От расстояние между катушками зависит до некоторой степени конфигурация магнитного поля, что, как увидим далее, влияет характер шкалы. Неподвижные катушки изготовляют из медного провода намоткой его га изоляционный каркас. Подвижная катушка 2 выполняется обычно бескаркасной из медного или алюминиевого провода. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки.

Собственное магнитное поле электродинамических измерительных механизмов невелико, поэтому для защиты от влияния внешних полей применяются экранирование и астазирование.

Нужная степень успокоения обеспечивается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

При наличии тока в обмотках катушек измерительного механизма возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки неподвижных и подвижных катушек совпадали (рис. 5).

Определим вращающий момент электродинамического измерительного механизма. Электромагнитная энергия двух контуров с токами

 

Где L1 и L2 – индуктивности неподвижных и подвижных катушек;

M1, 2 – взаимная индуктивность между ними.

Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому

(7)

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то для режима установившегося отклонения получим

откуда

(8)

Из уравнения (8) следует:

1. При одновременном изменении направлений токов I1 и I2 знак угла отклонения не меняется. Поэтому приборы электродинамической системы могут применяться для измерений в цепях как переменного, так и постоянного тока.

2. Характер шкалы прибора зависит от произведения токов и от закона изменения взаимной индуктивности между неподвижными и подвижными катушками, т.е. от формы катушек и их взаимного расположения. Меняя зависимость от , можно несколько улучшить шкалу, однако полностью равномерной для амперметров и вольтметров ее сделать не удается. Уравнение (8) является общим для разных конструкций электродинамических измерительных механизмов.

 

Электростатические измерительные механизмы. В электростатических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной. Из принципа работы электростатических измерительных механизмов следует, что непосредственно они могут измерять только напряжение, т.е. применяться в вольтметрах. В электростатических измерительных механизмах отклонение подвижной части связано с изменением емкости. В настоящее время практическое применение находят электростатические механизмы, в которых изменение емкости происходит или вследствие изменения активной площади пластин или при изменении расстояния между пластинами. Первый тип механизмов используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения (в десятки и сотни вольт), а второй – для киловольтметров.

Неподвижная часть этих механизмов с изменяющейся активной площадью пластин (рис. 6) состоит из одной, двух или большего числа камер 1. Увеличивая число камер, можно повысить чувствительность.

 

Каждая камера представляет собой две металлические пластины с воздушным зазором между ними. В зазоры свободно входят тонкие алюминиевые пластины 2 подвижной части. Если к подвижным и неподвижным пластинам подвести измеряемое напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины будут стремиться войти внутрь камер. Поворот подвижных пластин, жестко укрепленных на оси 3, вызовет закручивание упругих элементов (обычно растяжек), создающих противодействующий момент. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть остановится, и по положению указателя на шкале можно будет определить измеряемое напряжение.

Электростатический измерительный механизм с изменением расстояния между электродами (рис. 7) состоит из двух неподвижных пластин (электродов) 1, между которыми подвешена на тонких металлических ленточках 2 подвижная пластина 3. Подвижный электрод электрически соединен с одной из неподвижных пластин и изолирован от другой. При наличии между электродами разности потенциалов подвижная пластина отталкивается от одноименно заряженной неподвижной пластины и притягивается к пластине с зарядом противоположного знака. Следует отметить, что направление перемещения пластины 3 не зависит от знака напряжения U. Перемещение неподвижной пластины посредством тяги 7 и мостика 4 передается на ось 6 и стрелку 5. Противодействующий момент в рассматриваемом механизме создается весом неподвижной пластины. Это требует установки прибора в такое положение, чтобы при отсутствии напряжения стрелка стояла на нулевой отметке.

На показания электростатических приборов почти не влияют частота измеряемого напряжения, изменения температуры окружающего воздуха и посторонние магнитные поля. Зато в очень сильной степени сказывается действие электрических полей. Вращающий момент, действующий на подвижную часть, имеет небольшое значение. Собственное потребление приборов мало: на постоянном токе оно равно нулю.

Эти свойства определяют области применения электростатических вольтметров и особенности их конструкции.

Электростатические вольтметры используются для изменения напряжений в широком диапазон частот (20 Гц – 30 МГц) в маломощных цепях, а также в цепях высокого напряжения для измерения напряжений до десятков и сотен киловольт без применения громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных сопротивлений. По точности эти приборы соответствуют чаще всего классам 1, 0 – 1, 5 – 2, 5. Однако они могут быть выполнены и очень точными – класса 0, 1 и даже 0, 05.

Для уменьшения влияния внешних электрических полей применяются электростатическое экранирование. Экран соединяется с одним из зажимов прибора, который при измерениях заземляется. Ввиду малого значения вращающего момента в большинстве случаев неподвижная часть электростатических приборов укрепляется на растяжках и применяется световой отсчет.

Выражение для угла отклонения подвижной части электростатического измерительного механизма может быть получено на основании следующих рассуждений.

Энергия электрического поля системы заряженных тел

где С – емкость системы заряженных тел; U – напряжение, приложенное к ним.

На основании выражения для вращающего момента получим

Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то для режима установившегося равновесия

 

 

откуда

(9)

Из выражения (9) следует, что электростатические вольтметры могут применятся для измерений в цепях постоянного и переменного тока, так как при изменении полярности напряжения U направление отклонения подвижной части не меняется.

При линейном приросте емкости, т.е. при электростатический вольтметр имел бы квадратичную шкалу. Для приближения характера шкалы к равномерному выбирают соответствующим образом форму подвижных и неподвижных пластин, т.е. задаются определенным законом изменения емкости с изменением угла поворота. Это способ позволяет получить практически равномерную шкалу на участие от 15 – 25 до 100% ее диапазона показаний.