Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры

2.1. Устройство и принцип действия

Приборы магнитоэлектрической (МЭ) системы основываются на взаимодействии магнитного поля подвижной катушки (рамки) с током и поля неподвижного постоянного магнита.

Устройство прибора МЭ системы показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Устройство прибора МЭ системы

Неподвижные магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и ферромагнитный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка (рамка) 4, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или без каркаса). Рамка закреплена на полуосях 5. Спиральные пружинки 6, предназначенные для создания противодействующего момента, одновременно используются для подачи измеряемого тока в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 7. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 8.

Принцип действия прибора МЭ системы заключается в следующем:

На подвижную часть механизма действуют два момента:

– вращающий М_вр, создаваемый за счет взаимодействия магнитных полей постоянного магнита и рамки с измеряемым током I;

– противодействующий М_пр, создаваемый спиральными пружинками.

Эти два момента направлены встречно.

Момент вращающий М_вр прямопропорционален току I:

, (2.1)

где В – магнитная индукция поля постоянного магнита в зазорах, где находится рамка;

s – площадь рамки;

w – число витков обмотки рамки;

I – ток в рамке.

Параметры В, s, w для конкретного прибора постоянны.

Момент противодействующий М_пр вычисляют по формуле:

, (2.2)

где m – удельный противодействующий момент пружинок (постоянная для конкретной конструкции величина);

α – отклонение подвижной части.

Когда М_вр = М_пр, имеет место установившееся отклонение подвижной части (статическое равновесие). Приравняв выражения (2.1) и (2.2), получим уравнение шкалы прибора МЭ системы:

. (2.3)

Обозначив , получим уравнение шкалы прибора:

, (2.4)

где S_I = const – чувствительность по току, дел/А.

Из уравнения (2.4) следует:

– шкала приборов МЭ системы равномерная (линейная), так как (2.4) – уравнение прямой линии;

– при изменении направления тока в катушке (– I ) изменяется знак отклонения на противоположный (– α), а это значит, что приборы МЭ системы могут применяться только на постоянном токе, так как при переменном токе суммарный за период М_вр равен нулю.

Достоинства приборов МЭ системы:

– высокая чувствительность;

– малое собственное потребление мощности, менее 1 Вт;

– слабое влияние внешних магнитных полей, т.к. имеется сильное, хорошо «организованное» с помощью полюсных наконечников 2 и неподвижного сердечника 3 магнитное поле постоянного магнита;

– высокая для электромеханических приборов точность (класс точности до 0,1).

Недостатки приборов МЭ системы:

– сложность устройства из-за наличия подвижной катушки;

– малая перегрузочная способность по току.

Приборы МЭ системы находят широкое применение, как в качестве переносных лабораторных приборов высокой точности (классов 0,1 – 0,5), так и щитовых приборов, но уже меньших классов точности (1,0 или 1,5).

МЭ измерительные механизмы используются для создания амперметров, вольтметров, омметров и ряда других приборов.

Измерительные механизмы МЭ амперметров и вольтметров принципиально не различаются. В зависимости от назначения прибора (для измерения тока или напряжения) меняется его измерительная цепь. В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно или при помощи шунта. В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается высокоомный добавочный резистор, и прибор подключается к тем точкам схемы, между которыми необходимо измерить напряжение.

Амперметр без шунта применяется в том случае, если весь измеряемый ток можно пропустить через токопроводящие пружины и обмотку рамки измерительного механизма. Обычно значение этого тока не превышает 20-30 мА, т.е. такая схема возможна только для микро- и миллиамперметров.

Шунты на токи до 30 А помещаются в корпусе амперметра (внутренние шунты), на большие токи устанавливаются отдельно (наружные шунты).

Амперметры включаются последовательно с нагрузкой сопротивлением R_Н, и их сопротивление R_А должно быть гораздо меньше R_Н (R_А << R_Н). Сопротивление вольтметра R_V, включаемого параллельно R_Н, должно быть гораздо больше, чем R_Н (R_V >>R_Н).

Переносные МЭ приборы часто делают комбинированными (например, вольтамперметрами).

2.2. Вопросы для самопроверки

1. Вследствие каких конструктивных особенностей приборы МЭ системы обладают высокой чувствительностью?

2. Почему приборы МЭ системы имеют малую мощность потребления энергии?

3. Почему у приборов МЭ системы малая перегрузочная способность по току?

4. Как устроен МЭ амперметр?

5. Как устроен МЭ вольтметр?

6. Какой из МЭ приборов и почему имеет наибольшее внутреннее сопротивление:

- амперметр;

- миллиамперметр;

- микроамперметр?