Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы

Общие сведения. Магнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы поменяют для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры и кулонметры). Магнитоэлектрические приборы применяют также для измерения или индикации малых токов и напряжений (гальванометры). Кроме того, магнитоэлектрические приборы используют для регистрации электрических величин (самопишущие приборы и осциллографические гальванометры).

Измерительный механизм. Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током. Применяют магнитоэлектрические механизмы с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Наиболее распространен механизм с подвижной катушкой.

На рисунке показано устройство магнитоэлектрического измерительного механизма с подвижной катушкой, где 1 – постоянный магнит, 2 – магнитопровод, 3 – полюсные наконечники, 4 – неподвижный сердечник, 5 – спиральная пружина, 6 – подвижная катушка, 7 – магнитный шунт, 8 – указатель. Ток к подвижной катушке подводится через две спиральные пружинки. При протекании тока i через подвижную катушку возникает вращающий момент, мгновенное значение которого определяется выражением.

Энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с подвижной катушкой, WЭМ =Ψ i , где Ψ = Вsωα – потокосцепление подвижной катушки; В - индукция в воздушном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками; s – площадь катушки; ω – число витков обмотки катушки; α – угол поворота катушки.

Если ток синусоидальный ( i = IM ω t ), то вращающий момент

М t = Bsω IM sin ω t . При этом работа механизма зависит от соотношения частоты тока ω и частоты собственных колебаний подвижной части механизма ωO . У измерительных механизмов магнитоэлектрических амперметров, вольтметров, омметров период собственных (свободных) колебаний подвижной части примерно одна секунда (ωO = 6,28с-1). Следовательно, отклонение подвижной части измерительного механизма при частоте тока более 10 Гц практически равно нулю. В диапазоне частот до 10 Гц подвижная часть колеблется с частотой входного тока, причем максимальное отклонение зависит от частоты. Поэтому приборы с такими измерительными механизмами применяют в цепях постоянного тока.

При протекании через катушку постоянного тока I вращающий момент

М=Вs ωI .

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то α = Bs ωI / W = S1I , где S1 = Bs ω/ W – чувствительность измерительного механизма к току.

Из выражения α = Bs ωI / W = S1 I следует, что при постоянной индукции В в зазоре угол отклонения подвижной катушки пропорционален току в катушке, а знак угла отклонения меняется при изменении направления тока.

Магнитный шунт 7 в виде пластины из ферромагнитного материала используется для регулировки индукции в воздушном зазоре механизма путем перемещения шунта. При этом происходит перераспределение магнитных потоков через воздушный зазор и шунт. Это необходимо, например, для изменения чувствительности механизма.

В магнитоэлектрических логометрических измерительных механизмах подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек 1 и 2, по обмоткам которых протекают токи I1 и I2. Ток к катушкам подводится с помощью металлических лент, практически не имеющих противодействующего момента. Моменты М1 и М2 , создаваемые взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и токов катушек, направлены навстречу друг другу. Так как хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части, то для этого, например, зазор выполняют неравномерным.

В этом случае при равенстве моментов В1 (α) s1ω1 I1 = B2 (α) s2 ω2 I2 , откуда получаем

α = F (I1/I2)

В магнитоэлектрических механизмах осуществляется магнитоиндукционное успокоение за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной катушки при ее перемещении, и поля постоянного магнита и за счет взаимодействия токов, наводимых в цепи катушки, и поля магнита.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют некоторые особенности, которые придают магнитоэлектрическим приборам определенные положительные свойства. Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность и малое собственное потребление энергии, имеют линейную и стабильную номинальную статическую характеристику преобразования α = f ( I ), что объясняется стабильностью свойств применяемых материалов. У этих механизмов отсутствует влияние электрических полей и мало влияние магнитных полей из-за достаточно сильного поля в воздушном зазоре (0,2 – 1,2 Тл). Однако эти механизмы имеют малую перегрузочную способность по току, относительно сложны и дороги. Недостаток их также в том, что обычный механизм реагирует только на постоянный ток.