Электромагнитные приборы и их устройство

Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой 1 со стальным сердечником 3, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской (рис. 324, а) или круглой (рис. 324,б) катушкой.

В приборах с плоской катушкой сердечник установлен на оси, несущей стрелку. При прохождении тока по катушке 1 сердечник 3 будет намагничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось и стрелку. Повороту оси препятствует спиральная пружина 2. Когда усилие, создаваемое пружиной, уравновесит усилие, созданное катушкой, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале определенный ток.

Вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора, пропорционален силе притяжения F электромагнита, под действием которой сердечник втягивается в катушку.

Рис. 324. Устройство электромагнитных измерительных механизмов с плоской (а) и круглой (б) катушками

Сила притяжения F, как было показано в § 93, пропорциональна квадрату индукции в, создаваемой магнитным полем катушки; следовательно, она пропорциональна квадрату тока I в катушке. Поэтому вращающий момент

M = c₁I² (96)

где c₁ — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров прибора (числа витков и размеров катушки, материала и формы сердечника) и положения сердечника относительно катушки.

При втягивании сердечника в катушку вращающий момент М изменяется пропорционально I².

Под действием момента М подвижная часть прибора будет поворачиваться до тех пор, пока этот момент не будет уравновешен противодействующим моментом M_пр = c₂?, созданным пружинами или растяжками. В момент равновесия М = M_пр, откуда

α= (c1/c2) I² = kI² (97)

где к — постоянная величина.

Следовательно, в приборах с электромагнитным измерительным механизмом угол поворота а подвижной части и стрелки пропорционален квадрату тока, проходящего по катушке. Поэтому такой прибор имеет неравномерную (квадратичную) шкалу. Для сглаживания этой неравномерности сердечнику придается особая лепестко-образная форма, вследствие чего форма магнитного поля и усилие, создаваемое катушкой, изменяются по мере втягивания сердечника.

Устранение колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое осуществляется демпфером 5.

Рис. 325. Устройство астатического измерительного механизма

В приборах с круглой катушкой подвижная система поворачивается в результате взаимодействия двух стальных намагничивающихся пластинок 3, расположенных внутри катушки 1. Одна из них укреплена на оси прибора, а другая — на внутренней поверхности каркаса катушки. При прохождении тока по катушке пластины намагничиваются, и их одноименные полюсы оказываются расположенными друг против друга. Между ними возникают силы отталкивания и создается вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой 4.

Применение. Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока. При периодическом изменении тока, проходящего через прибор, усилие, создаваемое его катушкой, не будет изменяться по направлению, так как оно пропорционально квадрату тока. Угол отклонения стрелки определяется некоторым средним усилием F, значение которого пропорционально среднему квадратичному значению тока или напряжения. Следовательно, электромагнитные приборы в цепях переменного тока измеряют действующие значения тока или напряжения.

Катушка при измерениях может быть включена в электрическую цепь последовательно или параллельно двум точкам, между которыми действует некоторое напряжение. В первом случае прибор будет работать в качестве амперметра, во втором — в качестве вольтметра.

Достоинством приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока. К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.

Астатические приборы. Катушки электромагнитных приборов создают относительно слабое магнитное поле, так как силовые линии этого поля проходят в основном по воздуху. Поэтому такие приборы весьма чувствительны к влиянию внешних магнитных полей. Для защиты от этих влияний электромагнитные приборы окружают стальными экранами или выполняют астатическими.
В астатическом приборе имеются две плоские катушки 1 и два сердечника 2, расположенные на общей оси (рис. 325). Обмотки катушек включают так, чтобы направления их магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ были противоположны. Вращающие моменты действуют на подвижную систему прибора в одинаковом направлении. Поэтому внешний магнитный поток Ф_вн будет усиливать поле одной катушки и ослаблять поле другой; создаваемый же ими суммарный вращающий момент будет оставаться неизменным.

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с магнитным полем катушки, которое возникает при прохождении по обмотке катушки электрического тока. Схема такого прибора приведена на рис. 15.13. Между полюсными наконечниками 2 постоянного магнита / неподвижно закреплен стальной сердечник 3 цилиндрической формы, с помощью которого создается однородное радиально направленное магнитное поле. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками и цилиндрическим сердечником свободно перемещается на оси катушка (рамка) 4, которая охватывает стальной сердечник. Катушка соединяется через противодействующие пружины 5 и 6 с источником измеряемого постоянного тока. Для измерения переменного тока магнитоэлектрические приборы не годятся. Кроме того, эти приборы очень чувствительны к перегрузкам. Поэтому их применяют в основном как контрольные и лабораторные приборы. [ 1 ]

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. Концы обмотки соединены со спиральными пружинами 5 (растяжками или подвесом), изолированно закрепленными на стальных полуосях OOj рамки. 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. [ 2 ]

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. 2.3. 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. Концы обмотки соединены со спиральными пружинами 5 (растяжками или подвесом), изолированно закрепленными на стальных полуосях 00, 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. [ 3 ]

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии проводников с измеряемым током и полем постоянного магнита. Приборы применяются в цепях постоянного тока для измерения токов и напряжений. Они имеют равномерную шкалу, высокую чувствительность и точность, небольшую потребляемую мощность, устойчивость к перегрузкам. Внешние магнитные поля и изменение температуры окружающего воздуха мало влияют на их показания. [ 4 ]

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии проводника при протекании по нему тока с полем постоянного магнита. Конструктивно [2] приборы этой системы разделяют на приборы с подвижной рамкой - магнитоэлектрические, в которых неподвижно закреплен магнит и поворачивается (или перемещается) катушка с током, и приборы с подвижным магнитом - магнитоэлектрические с подвижным магнитом, в которых неподвижно закреплена катушка и поворачивается (или перемещается) магнит. [ 5 ]

Прибор магнитоэлектрической системы.

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, проходящим по обмотке подвижной катушки, помещенной в этом поле. [ 6 ]

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, проходящим по подвижной обмотке. [ 7 ]

На чем основан принцип действия прибора магнитоэлектрической системы. [ 8 ]

Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии тока в рамке прибора с магнитным полем постоянного магнита. Если кроме поля магнита есть еще внешнее поле, то оно либо усиливает основное поле, либо ослабляет его, что вызывает дополнительную погрешность. [ 9 ]

Магнитоэлектрическую систему применяют для измерения величины и напряжения постоянного тока. Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы заключается во взаимодействии постоянного тока, проходящего через изолированную проволоку, намотанную на подвижную рамку, и магнитного поля постоянного магнита. В результате взаимодействия рамка вместе со стрелкой поворачивается на определенный угол и показывает величину или напряжение измеряемого тока. Конструкция измерительного механизма приборов не позволяет измерять большие напряжения и токи. [ 10 ]

Внешний вид [ IMAGE ] Схема устройства.

Угол поворота подвижной катушки зависит от величины тока, проходящего через прибор, и силы противодействия спиральных пружин. Мы видим, что принцип действия приборов электродинамической системы похож на принцип действия приборов магнитоэлектрической системы. Разница между ними в том, что в приборах магнитоэлектрической системы магнитное поле создается постоянным магнитом, а в приборах электродинамической системы - неподвижной катушкой, по которой проходит ток. [ 11 ]

Магнитоэлектрические приборы имеют принцип действия взаимодействия поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток.
Узел для создания вращающего момента состоит из сильного постоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток (рисунок 1, а).
Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т.е. в радиальном магнитном поле. При этом возникает пара сил F, создает вращающий момент (рисунок 1, б).
Рисунок 1 - магнитоэлектрический прибор:
1 - корректор, 2 - противодействующие пружины;
3 - подвижная катушка, 4 - полюсные наконечники;
5 - стрелка; 6-сердечник.
Энергия магнитоэлектрической системы является суммой энергии поля магнита Wпм, энергии катушки с током и энергии взаимодействия поля магнита и катушки с током Ψ ∙ И, где Ψ - потокосцепления, численно равное произведению числа силовых магнитных линий, пересекающихся обеими сторонами катушки при ее повороте на угол α, на число витков n ее обмотки Ψ = B ∙ n ∙ s ∙ α (1)
где В - магнитная индукция в зазоре, Тл; s - площадь обеих сторон катушки, м2.
Таким образом, вся энергия, сосредоточенная в узле, что вызывает крутящий момент равен Wем = Wпм + L ∙ I 2 / 2 + B ∙ n ∙ s ∙ α ∙ I (2)
На основании формулы , дифференцируя выражение (2) по перемещению, получим уравнение вращающего момента MВ = B ∙ n ∙ s ∙ I (3)
На основании формулы Мп = W ∙ α аналогично выражению отклонения подвижной части магнитоэлектрического прибора подлежало следующей зависимости:
(4)
где Si = B ∙ n ∙ s / W - чувствительность прибора по току.
Формула (4) является уравнением шкалы прибора магнитоэлектрической системы. Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально измеряемому току, шкала равномерная (линейная), при включении следует соблюдать полярность, так как прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь, по которой протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов; в цепи с током синусоидальной формы вследствие инерции подвижной части показания будут равны нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гцподвижная часть с указателем будет совершать колебательные движения. Это свойство магнитоэлектрических приборов используется для индикации частоты, близкой к нулю, например частоты биений.
Время установления показаний сокращается с помощью электромагнитного успокоения, возникающего за счет индуцированного тока в катушке, возбуждаемого при пересечении ею магнитного поля: I = e / RΣ, где е - индуцированная ЭДС, a RΣ - сумма сопротивлений подвижной катушки и внешней цепи, на которую она заперта.
Аналогично формуле (3) находим момент электромагнитного успокоения
. Коэффициент успокоения согласно формуле будет. (5)
Для увеличения коэффициента успокоения нужно уменьшать общее сопротивление, что не всегда возможно. Простой выход состоит в том, что катушка наматывается на алюминиевом каркасе, в котором индуцируется ЭДС; тогда формула (5) примет следующий вид: где RK - электрическое сопротивление каркаса.
Если катушку нежелательно делать тяжелой, то она выполняется бескаркасной (витки склеиваются), а для получения индуцированной ЭДС наматывают дополнительный короткозамкнутый виток.
Существуют конструкции магнитоэлектрических приборов с неподвижной катушкой и подвижным магнитом на одной оси с указателем, рисунок 1, б.
Достоинства магнитоэлектрических приборов: малое потребление мощности от измеряемой цепи (10 -5 ÷ 10 -8 Вт); высокая чувствительность (до 3 ∙ 10-11А); высокая точность (до класса 0.05); воздействующая величина - только температура окружающей среды.
Недостатки магнитоэлектрических приборов: сравнительно сложное изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных перегрузок (как правило деформируются или перегорают пружинки, подводящих ток, нити растяжек и подвесов). Магнитоэлектрические приборы применяются как амперметры, вольтметры и гальванометры для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный - и для измерений в цепях переменного тока.
Амперметры магнитоэлектрической системы. Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро-или миллиамперметра и милливольтметра, а не амперметра и килоамперметра.
Для измерения больших постоянных токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт, представляющий собой прямоугольную манганинову пластину.Для измерения токов выше 50 А применяют внешние шунты.Переносные приборы снабжаются внутренними шунтами или внешними магазинами шунтов на несколько номинальных токов.

Рисунок 2 - Шунт амперметра. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения m = I / IA и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки) RA.
Для электрической цепи схемы рисунка 2 справедливы следующие равенства:
IARA = IшRш; I = m ∙ IA; Iш = I - IA.
Отсюда сопротивление шунта
Rш = RАIA / Iш = RAIA / (m ∙ IA - IA) = RA / (m - 1).
Очевидно, что через катушку прибора будет протекать 1 / m часть измеряемого тока, а через шунт - в (m-1) раз больше.
Погрешность шунтировано амперметра возрастает вследствие неточности шунтов (0,005 ÷ 0,5%) и различных температурных коэффициентов сопротивления катушки и шунта.
Вольтметры магнитоэлектрической системы. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение U. В этом случае уравнение (4) следует переписать в виде
(6)
где SU - чувствительность вольтметра по напряжению; RV - сопротивление проводов катушки.
Сопротивление обмотки катушки для измерения больших напряжений женщин и последовательно ей включают дополнительные резисторы с сопротивлением Rд, рисунок 3.

Рисунок 3 - Дополнительный резистор вольтметра. Пусть задано расширить предел измерения в
m = U / UV раз. Для электрической цепи, представленного на рисунке 3 из закона Ома UR / Rд = UV / RV, откуда, учитывая закон Кирхгофа UR = U - UV, находится Rд = RV ∙ UR / UV = RV / (m-1). Очевидно, что на катушке прибора падение напряжения составит 1 / m часть напряжения U, а на дополнительном резисторе в (m-1) раз больше U.
В формуле (6) вместо RV нужно подставлять RV + Rд.

Литература.
Ф. В. Кушнир. Электрорадиоизмерения. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1983. - С. 56

Электронные вольтметры переменного тока является сочетанием выпрямителя на электровакуумных или полупроводниковых диодах, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма.
Рисунок 1 - Структурные схемы электронных вольтметров переменного и постоянного тока (а), переменного тока (б) и постоянного тока (в).
Основными узлами схем электронных вольтметров являются: выпрямитель В, усилитель переменного тока П, усилитель постоянного тока ППС и магнитоэлектрический измерительный прибор Р.
Структурная схема рисунок 1, а используется для универсальных электронных вольтметров переменного и постоянного тока. Нижний предел измерения таких вольтметров ограничивается порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно 0,1 - 0,2 В. При использовании в выпрямителях высокочастотных диодов подобные электронные вольтметры работают в диапазоне от 20-30 Гц до 100-300 МГц.
Электронные милли-и микровольтметр переменного тока выполняются по схеме рисунка 1, б. Электронные вольтметры, выполненные по структурной схеме рисунка 1, б, имеют большую чувствительность и точность, но меньший рабочий частотный диапазон, который ограничивается усилителем П.
Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока (рисунок 1, в) включает усилитель постоянного тока, построенный по типу предварительного преобразования постоянного напряжения в переменное посредством электромеханического или полупроводникового модулятора М, усиление усилителем П с последующим выпрямлением выпрямителем В. Использование усилителя с преобразованием усиливаемой напряжения позволяетсущественно стабилизировать коэффициент преобразования схемы и, следовательно, повысить точность вольтметра.Схема ППС с предыдущей модуляцией усиливаемой напряжения используется также в универсальных электронных вольтметрах.
Для реализации описываемых структурных схем используются в основном полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы, интегральные схемы), однако и электронные лампы находят достаточно широкое применение. Это объясняется многофункциональностью электронных ламп, возможностью обеспечить с их помощью высокое входное сопротивление вольтметра, а также имела чувствительностью характеристик ламп к воздействию температуры и радиации.
В зависимости от того, какое значение переменного напряжения измеряется электронным вольтметром, различают вольтметры среднего, действующего и амплитудного значения.