2.2.2 Область применения

Магнитоэлектрические приборы являются наиболее распространенной группой электромеханических приборов.

Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве: 1) амперметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях); 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока: а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов; б) вибрационных гальванометров, используемых в основном в качестве нулевых индикаторов переменного тока; в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести: 1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.

Магнитоэлектрические приборы занимают первое место среди других электромеханических приборов. Они выпускаются вплоть до класса точности 0,05, а по чувствительности с током полного отклонения до 0,1 мкА (при классе точности 1,5)[3].

2.3 Электромагнитные ИП

2.3.1 Принцип работы электромагнитных ИП

Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т.д.

В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе. В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.

Обе группы приборов делятся на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные. В поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки имеется постоянный магнит. Поляризованные нерезонансные приборы не обладают высокой точностью. Из резонансных приборов в основном применяются язычковые герцметры.

В зависимости от характера магнитной цепи нерезонансные приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса. Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга (рисунок 2.3.1).

Рисунок 2.3.1 - Прибор с магнитопроводом:

1 - катушка; 1 - катушка;

2 - подвижный сердечник; 2, 3 - призматические сердечники;

3 - неподвижный сердечник; 4 - ось; 4 - ось; 5 - пружинка;

5 - пружинка; 6 - стрелка. 6 - стрелка.

В приборах второго типа подвижный ферромагнитный сердечник втягивается в магнитное поле катушки с током (рисунок 2.3.2)

Рис. 2.3.2 - Прибор без магнитопровода

1 - плоская катушка; 2 - сердечник; 1 - катушка; 2 - стержень;

3 - магнитный шунт; 3, 5 - полюсные наконечники;

4 - ось. 4 - сердечник.

В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками.

При прохождении тока Jпо намагничивающей катушке 1 в результате взаимодействия электромагнитного поля катушки и сердечника возникает вращающий момент МВР, который определяется по формуле

, (2.5)

где L - индуктивность катушки.

Противодействующий момент может создаваться как с помощью спиральных пружинок так и электрическим способом (в электромагнитных логометрах), а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора

(2.6)

Из выражения (2.6) следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока (или напряжения) [3].

2.3.2 Области применения

Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры.

Однопредельные амперметры и миллиамперметры имеют наиболее простую ИЦ, состоящую из одной рабочей катушки механизма, включаемой непосредственно в сеть. Разные пределы измерения по току в таких амперметрах получают изменением числа витков и сечения провода катушки при одинаковых ампер-витках. При очень больших токах (200--300 А) рабочая катушка превращается в виток из медной шины. Для расширения пределов измерения амперметров переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

В многопредельных амперметрах, применяемых в качестве переносных приборов, рабочую катушку выполняют секционированной и с помощью переключателя получают различные схемы соединения секций катушки. Двух предельные амперметры имеют две секции, включаемые последовательно или параллельно, а трех предельные - четыре, включаемые последовательно, смешанно или параллельно.

Применение терморезисторов (термисторов) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления дает возможность одновременно снизить температурную погрешность и собственное потребление вольтметра. В схеме вольтметра с терморезистором для получения температурной компенсации в широком интервале температур терморезистор Rt шунтируют проволочным резистором Rшиз манганина и этим выпрямляют его температурную характеристику. Можно применять терморезисторы и для многопредельных переносных вольтметров класса 0,5.

Промышленностью выпускаются электромагнитные амперметры с номинальным током от долей ампера до двухсот ампер. Большое распространение получили щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты класса точности 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они могут использоваться на повышенных частотах (амперметры до 8 кГц). Лабораторные приборы выпускаются классов точности 0,5 и 1,0. Кроме рассмотренных измерительных механизмов, применяют также и электромагнитные логометрические механизмы. Электромагнитные логометры применяются в фазометрах, фарадомерах, частотомерах.

Электромагнитные приборы обладают рядом достоинств, к которым можно отнести:

1) возможность использования, как на постоянном, так и на переменном токе; 2) простоту конструкции и дешевизну; 3) надежность в эксплуатации; 4) широкий диапазон пределов измерений; 5) способность выдерживать большие перегрузки и др.

Недостатками электромагнитных приборов являются:

1) большое собственное потребление энергии; 2) малая чувствительность; 3) сильное влияние внешних магнитных полей; 4) неравномерность шкалы. Следует отметить, что изменяя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20-25 % верхнего предела измеряемой величины[3].

2.4 Электродинамические ИП

2.4.1 Принцип работы электродинамических ИП

Электродинамический ИМ состоит из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты. Катушки выполняют круглыми или прямоугольными. Круглые катушки дают, по сравнению с прямоугольными, увеличение чувствительности на 15--20%. Приборы с прямоугольными катушками имеют меньшие размеры прибора по вертикали.

Неподвижные катушки обычно выполняют из двух половин (секций) 1 (рисунок 2.4.1). При этом, изменяя расстояние между катушками, можно менять конфигурацию магнитного поля. Подвижные катушки 2 размещают внутри неподвижных. На оси подвижной катушки закрепляется стрелка 3.Вращающий момент создается при взаимодействии магнитного поля, создаваемого током I₁, проходящим по катушке 1, и магнитным полем, создаваемым током I₂, проходящим через катушку 2. Электромагнитная энергия W_eдвух контуров с токами

, (2.7)

где L1, L2 - индуктивность неподвижной и подвижной катушек; M12 - взаимная индуктивность катушек.

Рис. 2.4.1 - Электродинамические ИМ

Так как индуктивность катушек не зависит от угла поворота, поэтому вращающий момент, действующий на подвижную катушку 2

. (2.8)

При механическом создании противодействующего момента угол отклонения подвижной может быть определен по формуле

. (2.9)

При протекании по катушкам переменных токов сдвинутых по фазе на угол:

и . (2.10)

Мгновенное значение вращающего момента

. (2.11)

Так как подвижная часть ИМ реагирует на среднее значение М_ВР равное

, (2.12)

где I₁и I₂- действующие значения токов;?- угол сдвига фаз между векторами токов I₁и I₂.

Угол отклонения подвижной части равен

. (2.13)

В электродинамических логометрических измерительных механизмах противодействующий момент создается электрическим способом. Подвижная часть такого механизма состоит из двух 2 и 3 (рисунок 2.4.2) жестко закрепленных между собой под определенным углом?катушек[3].

Рисунок 2.4.2 - Электродинамический логометрический ИМ