Системы электроизмерительных механизмов

Электроизмерительные приборы классифицируются по системам в за­висимости от физического явления, используемого в них для целей измере­ния (обычно для получения вращаю­щего момента). Из числа этих си­стем, широкое применение имеют магнитоэлектрическая, электромагнитная, индукционная, электродинамиче­ская и ферродинамическая.

В приборах магнитоэлектри­ческой системы (рис. 6) вращающий мо­мент создается взаимодействием то­ка, проходящего по катушке с полем постоянного магнита, то есть использует­ся энергия магнитного поля системы, состоящей из постоянного магнита и контура с током.

На концах постоянного магнита 1 закреплены полюсные наконечники 2, между которыми помещен неподвижный ци­линдр 3. Полюсные наконечники и неподвижный цилиндр выполнены из магнитно-мягкого материала. Такая конст­рукция магнитной системы позволяет получить в зазоре между полюсными наконечниками 2 и цилиндром 3 равно­мерное радиальное постоянное магнитное поле. В этом поле находится подвижная катушка 4, которая чаще всего на­матывается на алюминиевый каркас, одновременно выпол­няющий роль электромагнитного успокоителя подвижней части системы. Подвижная катушка 4 крепится на полу­осях 5 или растяжках. Измеряемый постоянный ток посту­пает в катушку через спиральные пружины 6, которые соз­дают противодействующий момент. Кроме того, вспомога­тельными элементами конструкции магнитоэлектрического измерительного прибора являются: 7— устройство уста­новки нулевого положения указателя-стрелки 8, 9 — балан­сир, 10 — шкала.

Так как катушка (рамка) находится в магнитном поле, то, как только по ней начинает течь ток, появляется сила Ампера, создающая вращающий момент и поворачивающая катушку на полуосях 5. Отклонение катушки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент М_вр не уравновесится противодействующим моментом М_пр. При этом стрелка 8 отклонится на угол α, пропорциональный току в катушке (т.к. сила ампера F_A = IBl). То есть

I = C_пр∙α,

где С_Пр — постоянная прибора («цена деления»).

Магнито­электрические измерительные меха­низмы пригодны лишь для постоянно­го тока, поэтому для измерений пере­менного тока они соединяются с раз­личными преобразователями (выпря­мителями, термоэлементами, электрон­ными лампами), преобразующими из­меряемый переменный ток в пропор­циональный ему постоянный.

Маг­нитоэлектрические приборы чувстви­тельны и выносливы к перегрузкам. По этой причине чувствитель­ные гальванометры в большинстве слу­чаев изготовляются магнитоэлектриче­ской системы. Область применения этой систе­мы — лабораторные и промышленные измерения при постоянном токе.

В приборах электромагнит­ной системы вращающий момент создается воздействием магнитного поля измеряемого тока, проходящего по неподвижной катушке прибора, на подвижный ферромагнитный сердеч­ник. Механические силы, возникаю­щие в подобном устройстве, стремятся расположить сердечник так, чтобы магнитный поток был наибольшим, иными словами, чтобы энергия магнитного поля устройства была возможно больше.

В приборе с круглой катушкой (рис. 7) внутри катушки устано­влены два сердечника: подвижный 1 и неподвижный 2. Когда по катушке 4 проходит ток, тогда оба сердечника намагничиваются и отталкивание их одноименных полюсов создает вра­щающий момент. В приборе, показан­ном на рисунке, ферромагнитный экран 3 надет непосредственно на ка­тушку.

Вращающий момент приборов этой системы определяется изменением магнитной энергии W при поворо­те подвижной части.

При изменении направления тока напра­вление момента в приборе не меняет­ся, следовательно, прибор пригоден и для переменного тока.

Класс точности элек­тромагнитных приборов обычно не вы­ше 1,5 главным образом из-за влия­ния гистерезиса и вихревых токов. Влияние остаточного намагничивания особенно сказывается при измерениях постоянного тока, приборы этой системы исключительно выносли­вы к перегрузкам. Наряду с этим не­обходимо отметить их дешевизну и простоту устройства.

Областью применения электромаг­нитных приборов являются преимуще­ственно измерения переменных напря­жений и токов (кроме высокой часто­ты). Большинство амперметров и вольтметров в промышленных уста­новках принадлежит к электромаг­нитной системе.

Электродинамические при­боры основаны на принципе взаи­модействия проводников, по которым проходит ток: два проводника с одинаково направленными токами взаим­но притягиваются, с противоположно направленными токами взаимно от­талкиваются.

Прибор этой системы состоит из неподвижной 1 и подвиж­ной 2 катушек (рис. 8), ток в последнюю подводится через спи­ральные пружины 3, которые вместе с тем создают противодействующий момент. Подвижная катушка прибора стремится стать так, чтобы направле­ние ее магнитного поля совпало с на­правлением поля неподвижной ка­тушки. Вращающий момент прибо­ра может быть определен через изме­нение энергии общего магнитного поля катушек.

При одновременном изменении на­правления тока в обеих катушках направление вращающего момен­та остается неизменным, следователь­но, прибор пригоден как для постоян­ного, так и для переменного токов, причем шкала у прибора для обоих родов тока одна и та же. Благодаря отсутствию стали прибор может, быть сделан весьма точным.

электродинамические при­боры плохо выносят перегрузку (в особенности амперметр). Наконец, изго­товление прибора относительно слож­но, в силу чего он дорог.

Электродинамические приборы со стальным магнитопроводом носят на­звание ферродинамических. Однако применение стали уменьшает точность прибора вследст­вие влияния гистерезиса и вихревых токов; кроме того, конструкция прибо­ра значительно усложняется. В силу этих причин ферродинамические при­боры для точных измерений мало при­годны.

Область применения электродина­мических приборов — лабораторные измерения переменного тока, главным образом измерения мощности.

В индукционных приборах (рис. 9) вращающий момент со­здается взаимодействием токов, наво­димых в подвижной части прибора 1, с магнитными потоками неподвижных электромагнитов 2 и 3.

Результирующее вращающееся маг­нитное поле прибора создается двумя или более переменными магнитными потоками, не совпадающими по фазе и по расположению в пространстве. Вращающееся магнитное поле наводит вихревые токи в металле диска 1. Вих­ревые токи, в свою очередь, взаимо­действуя с вращающимся магнитным полем, создают вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4. В качестве успокоителя применяется постоянный магнит 5, в поле кото­рого движется диск прибора.

Индукционный прибор может быть сконструирован в виде вольтметра, амперметра и ваттметра.

достоинства этой системы, обусловлены применением стальных сердечников; приборы имеют большой вращающий момент, не боят­ся внешних магнитных влияний, а благодаря отсутствию подвода тока в подвижную часть устойчивы к пере­грузкам.

Электростатическая си­стема основана на использовании для измерения сил взаимодействия заряженных проводников. В электро­статическом вольтметре (рис. 10) имеется система подвижных пластин 1, укрепленных на общей оси, и система неподвижных пластин 2. Источник то­ка, напряжение которого должно быть измерено, соединяется одним полюсом с подвижной частью, другим — с не­подвижными пластинами. Пластины прибора образуют конденсатор, ем­кость С которого изменяется при от­клонении подвижной части; силы элек­тростатического притяжения стремят­ся увеличить энергию электриче­ского поля прибора и создают вра­щающий момент. Противодействующий момент со­здается пружиной.

Изменение знака напряжения не меняет знака вращающего момента, поэтому электростатический вольтметр приго­ден для измерения постоянного и пе­ременного напряжений. В ряде слу­чаев весьма существенным преиму­ществом прибора является то, что он практически не потребляет энергии.

Электростатические вольтметры при­меняются преимущественно в лабора­ториях для непосредственного измере­ния высоких напряжений.

Тепловая система основана на использовании для отклонения по­движной части удлинения металличе­ской нити, нагреваемой измеряемым током.

тепловые приборы плохо выно­сят перегрузки, неточны вследствие чувствительности к температурным влияниям и потребляют относительно много энергии. По всем этим причи­нам в настоящее время тепловые при­боры применяются лишь внемногих случаях для измерений токов высокой частоты.