Урок 1. Магнитоэлектрические приборы и их применение

Магнитоэлектрические приборы (МЭП), как и любые электромеханические измерительные приборы, состоят из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ) измерительного механизма (ИМ) и отсчетного устройства (ОУ).

Рис. 2.1. Структурная схема электромеханического измерительного прибора.

Конструктивно измеритель­ный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Рис.2.2. Устройство магнитоэлектрического прибора.

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 4, намо­танная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (применяют и бескаркасные рамки). Катушка (рамка) может поворачиваться в зазоре на полуосях 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10.

Принцип действия МЭП. Проходя по проводникам обмотки рамки, ток I взаимодействует с магнитным потоком постоянного магнита, что вызывает появление механических сил F, создающих вращающий момент Мвр для рамки. Из теоретических основ электротехники известно выражение для механической работы, совершаемой при перемещении проводника с током в магнитном поле:

F dα = dW_М ,

где F— сила, действующая на проводник в направлении элементарного перемещения

dα; dW_М - изменение запаса энергии магнитного поля.

Если проводник движется по окружности с радиусом r, то

dx=r dα,,

где dα — элементарный угол поворота.

Следовательно,

Fdα=dW_{М .}

Здесь F_r— вращающий момент - М_ВР, т. е.

М_ВР dα = dW_М.

Тогда окончательно запишем:

М_ВР = dW_М / dα. (2.1)

Это уравнение является обобщенным выражением вращающего момента для всех приборов, в которых используют сила электромагнитного поля.

Противодействующий момент в приборах необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвижной части. В аналоговых электромеханических приборах противодействующий момент создается либо при помощи спиральных пружин (растяжек и подвесов), либо за счет энергии электромагнитного поля (в логометрах).

В случае, когда противодействующий момент соз­дается спиральной пружинкой

М_ПР = W·α, (2.2)

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от геометрических размеров и материала пружины (растяжек)

Уравнение шкалы. Выражение для вращающего момента, действующего на рамку при протекании по ней тока I, мо­жет быть получен, исходя из обобщенного выражения вращаю­щего момента (2.1). Запас электромагнитной энергии в контуре с током I, нахо­дящемся в поле постоянного магнита, выражается формулой:

W_М = І·Ψ,

где Ψ — полное потокосцепление данного контура с магнитным полем постоянного магнита. Тогда

М_ВР = Ι·dΨ / dα. (2.3)

При повороте рамки на угол dα каждая ее сторона опишет дугу dα·b/2, пересекая при этом силовые линии магнитного поля; число пересеченных линий будет равно произведению пройденного пути dα·b/2 на длину активной стороны рамки l и на индук­цию в зазоре В.

Полное изменение потокосцепления с рамкой равно произве­дению числа силовых линий, пересеченных обеими сторонами рамки, на число витков ее обмотки, т. е.

dΨ = 2·Βlω dα·b/2,

где ω - число витков обмотки.

Произведение ·Βl равно площади рамки; обозначив еечерез S, получим:

dΨ =BSωdα.

Если положить dα =1 рад, то произведение BSω - величина постоянная для каждого данного прибора - будет равна измене­нию потокосцепления при повороте рамки на 1 рад. Обозначая его через Ψ₀, запишем:

Ψ₀ = BSω [ вб/рад ], (2.4)

Тогда

dΨ = Ψ₀ · dα. (2.5)

Подставляя выражение (2.5) формулу (2.3), получим вы­ражение вращающего момента для магнитоэлектрического меха­низма в следующем виде:

М_ВР = Ι · Ψ₀. (2.6)

Установившееся положение подвижной катушки наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов М_ВР = М_ПР, т.е. с учетом (2.2) запишем:

Ι ·Ψ₀ = W·α. (2.7)

Отсюда находим уравнение шкалы измерительного механизма магнитоэлектрической системы

α = Ι · Ψ₀ / W

или

α = S · Ι, (2.8)

где величина S = Ψ₀ / W является чувствительностью прибора (в радианах на ампер).

Используя выражение (2.4) можно ввести в уравнение шкалы конструктивные параметры измерительного механизма:

α = Bsω Ι · 1 /W, (2.9)

т.е. угол отклонения подвижной части прямо пропорционален току в рамке, поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы.

Успокоение подвижной части магнитоэлектрических приборов магнитоиндукционное, т.е. создается взаимодействием магнитных полей от вихревых токов в каркасе рамки и поля постоянного магнита.

Достоинства: высокий класс точности, равномерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое собственное потребление мощности, большой диапазон измерений, на показания МЭП не влияют внешние магнитные и электрические поля.

Недостатки: без преобразователей МЭП используют только в цепях постоянного тока, имеют малую нагрузочную способность, сложны и дороги, на их показания влияют колебания температуры.

Метрологические характеристики MЭП: классы точности – 0,05; 0,1 и т.д., равно-мерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое собственное потребление мощности, большой диапазон измерений, большой МВР, успокоение только магнитоиндукционное.

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

МЭП используют для измерения постоянного тока – I, напряжения – U, сопротивления – R.

Рис. 2.3. Магнитоэлектрические измерительные приборы серии PQ

Магнитоэлектрические приборы могут быть использованы и для измерения переменного тока и напряжения, но с преобразователями переменного тока в постоянный. Это выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы. Обычно такие приборы градуируются в действующих значениях тока или напряжения.

На рис. 2.3. представлены магнитоэлектрические измерительные приборы серии PQ, которые используются для измерения постоянного тока или напряжения; диапазон измерений от 100mА до 100А, от 15mV до 600V; сменные шкалы; работа с шунтами; монтаж на щите; габаритные размеры: 48 х 48, 72 х 72, 96 х 96, 144 x 144. Класс точности 1,5;