Действие приборов магнитоэлектрической системы основано на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и измеряемого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки, помещенной в этом магнитном поле (рисунок 1).
Основными частями прибора являются постоянный магнит 2, между полюсами 1 которого укреплен ферромагнитный сердечник 3 цилиндрической формы. Сердечник предназначен для уменьшения магнитного сопротивления между полюсами и обеспечения равномерного распределения магнитного потока в воздушном зазоре. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и сердечником расположена катушка 4, которая жестко связана с осью и стрелкой, перемещающейся своим концом по шкале прибора. При прохождении тока через катушку возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита.
Электромагнитный вращающий момент, действующий на катушку, пропорционален силе тока и магнитной индукции в воздушном зазоре. Так как магнитное поле в воздушном зазоре распределено равномерно и направлено радиально, а противодействующий момент, создаваемый пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части прибора, то угловое отклонение стрелки пропорционально измеряемому току, то есть oc=SI, где S – чувствительность прибора.
Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая чувствительность, большая точность, относительно небольшое влияние внешних магнитных полей, малое потребление энергии, малое влияние температуры, равномерность шкалы.
Недостатки: работает только в цепи постоянного тока, чувствителен к перегрузкам, высокая стоимость, обусловленная сложностью конструкции.
Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в качестве амперметров и вольтметров. Магнитоэлектрический прибор является составной частью омметра, с помощью которого непосредственно измеряют электрическое сопротивление.
Применяя термопреобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы используют для измерений в цепях переменного тока.
Почти все технические измерения в цепях постоянного тока осуществляются приборами данной системы. Лишь в немногих случаях, когда значение имеет не точность, а дешевизна и надежность приборов, постоянный ток измеряется электроизмерительными приборами электромагнитной системы.
Приборы электромагнитной системы
Действие приборов электромагнитной системы основано на взаимодействии магнитного поля тока неподвижной катушки 1 и сердечника 2 из ферромагнитного материала, выполненного в форме пластины (рисунок 2). Созданное измеряемым током магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его в катушку, поворачивая при этом стрелку, укрепленную на одной оси с сердечником.
При изменении направления тока в катушке меняются и магнитные полюса сердечника, следовательно, направление перемещения подвижной частей остается неизменным, и прибор оказывается пригодным для измерения в цепях как постоянного, так и переменного токов.
Угол поворота а стрелки прибора определяется по формуле
где I – ток, протекающий по катушке; L-индуктивность катушки; k – постоянный коэффициент.
Противодействующий момент создается пружиной 3, воздушный успокоитель 4 обеспечивает плавное перемещение стрелки.
Так как угол поворота стрелки пропорционален квадрату силы тока, а производная индуктивности катушки является величиной непостоянной, то шкала прибора оказывается неравномерной.
Достоинства приборов электромагнитной системы: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного токов, простота и надежность конструкции, дешевизна, устойчивость к перегрузкам.
Недостатки: чувствительность к внешним магнитным полям, сравнительно большая потребляемая мощность, относительно низкие чувствительность и точность.
Область применения: в качестве амперметров и вольтметров для технических измерений.
В лабораторных приборах высокого класса точности для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяют экранирование.
В измерительных механизмах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается взаимодействием измеряемого постоянного тока в катушке механизма с полем постоянного магнита. Существуют два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом, причем первые применяются значительно чаще, чем вторые.
Принцип действий магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и обмотки с током. В воздушном зазоре 1 (рис. 7.1) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными наконечниками NS неподвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с обмоткой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки. 
Рамка жестко соединена с двумя полуосями О и О’, которые своими концами опираются о подшипники. На полуоси О закреплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5′, через которые к катушке подводится измеряемый ток I, противовесы 6. Полюсные наконечники NS и стальной цилиндр 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В. В результате взаимодействия магнитного поля с током в проводниках обмотки 3 создается вращающий момент. Рамка с обмоткой при этом поворачивается и стрелка отклоняется на угол α. Электромагнитная сила Fэм , действующая на обмотку, равна Fэм = wBlI.
Вращающий момент, создаваемый силой Fэм,
где d и l— ширина и длина рамки (обмотки); С1 – коэффициент, зависящий от числа витков w, размеров обмотки и магнитной индукции В.
Повороту рамки противодействуют спиральные пружинки 5 и 5′, создающие противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания α:
где С2 — коэффициент, зависящий от жесткости пружинок.
Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов
Мвр = Мпр, т. е. когда C1I = С2α. Угол поворота стрелки
С2 пропорционален току. Следовательно, у приборов магнитоэлектрической системы шкала равномерная, что является их достоинством.
Направление вращающего момента (определяемое правилом левой руки) изменяется при изменении направления тока. При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющиеся по значению и направлению механические силы, среднее значение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нулевого положения. Поэтому эти приборы нельзя применять непосредственно для измерений в цепях переменного тока.
Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: точность показаний, малая чувствительность к посторонним магнитным полям, незначительное потребление мощности, равномерность шкалы. К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобразователей при измерениях в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам (тонкие токопроводящие пружинки 5 и 5′ из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства).
15. электромагнитные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения
Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин.
Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой со стальным сердечником, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской или круглой катушкой.
Достоинством приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока.
К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.
Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока.
16. Электродинамические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения
Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек одной, неподвижно закрепленной, и другой, сидящей на оси и могущей поворачиваться.
Достоинствами электродинамических приборов являются пригодность для измерения постоянного и переменного тока, равномерность шкалы у ваттметров и относительно высокая точность по сравнению с другими приборами, предназначенными для измерений в цепях переменного тока.
К недостаткам относится сильное влияние внешних магнитных полей на точность измерений, чувствительность к перегрузкам и относительно высокая стоимость.
Электродинамические приборы применяют обычно в качестве точных лабораторных приборов, а также в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии в цепях постоянного тока.
17.ферродинамические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения
Работа ферродинамических приборов основана на том же принципе, что и приборов электродинамической системы. Для усиления магнитного поля в ферродинамическом измерительном механизме применен магнитопровод из ферромагнитного материала.
Ферродинамические приборы используют в качестве щитовых амперметров, ваттметров и вольтметров, работающих в условиях тряски и вибраций (например, на э. п. с. переменного тока). Кроме того, их применяют в качестве самопишущих приборов, так как они имеют значительный вращающий момент, преодолевающий трение в записывающих устройствах.
Достоинства: незначительное влияние внешних магнитных полей, большой вращающий момент, прочная конструкция, устойчивость к вибрациям и ударам, небольшая потребляемая мощность.
Недостатки: дополнительные погрешности вследствие влияния гистерезиса и вихревых токов, зависимость показаний от частоты, невысокая точность щитовых приборов – обычно 1,5; 2,0.
18 электростатические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения
Принцип действия: основой электростатических приборов является электростатический измерительный механизм с отсчетным устройством.
Они применяются, главным образом, для измерения напряжений переменного и постоянного тока. Находят применение также электрометры — электростатические приборы специальной конструкции, требующие вспомогательных источников питания. Электрометры обладают повышенной чувствительностью к напряжению.
Достоинствами электростатических приборов являются:
малое собственное потребление мощности, что объясняется малыми токами утечки и малыми диэлектрическими потерями в изоляции, малой емкостью измерительного механизма, большой диапазон измеряемых напряжений, возможность измерений на постоянном и на переменном токе, независимость показаний от частоты в широком диапазоне и формы измеряемого напряжения, независимость показаний от внешних магнитных полей.
К недостаткам электростатических приборов можно отнести:
малую чувствительность по напряжению, влияние внешних электростатических полей, что требует экранирование измерительного механизма, неравномерную шкалу (при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 15-25 % до 100 % от ее номинального значения).
Принцип действия магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии поля постоянного магнита и проводников с током. В воздушном зазоре 1 (рис. 2) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными наконечниками NS неподвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с катушкой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки.
Рисунок 2 – Устройство прибора
Катушка жестко соединена с двумя полуосями О и О’, сидящими в подшипниках. На полуоси О закреплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5′, через которые к катушке подводится измеряемый ток. Полюсные наконечники NS и стальной цилиндр 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное и радиальное распределение индукции В магнитного поля. В результате взаимодействия магнитного поля с током в проводниках катушки 3 создается вращающий момент. Рамка с катушкой при этом поворачивается, и стрелка отклоняется на угол a. Электромагнитная сила Fэм , действующая на каждую из двух сторон катушки, равна wBLI. Вращающий момент, создаваемый парой сил Fэм , Мвр = Fэмd = wBL >
где С2 — коэффициент, зависящий от жесткости пружинок. Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов
Угол поворота стрелки
a = 
= С×I
пропорционален величине тока; следовательно, у приборов магнитоэлектрической системы шкала равномерная, что является их достоинством.
Направление вращающего момента (определяемое правилом левой руки) изменяется при изменении направления тока. Поэтому при включении прибора нужно соблюдать полярность включения.
При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющиеся по величине и направлению механические силы, среднее значение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нулевого положения. Поэтому эти приборы нельзя применять непосредственно для измерений в цепях переменного тока.
В приборах магнитоэлектрической системы успокоение (демпфирование) стрелки происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки 5 в магнитном поле постоянного магнита NS в ней индуктируются вихревые токи. Направление этих токов по правилу Ленца таково, что они противодействуют вращению рамки и быстро успокаивают ее колебания.
Измерительные приборы магнитоэлектрической системы находят применение также при измерениях в цепях переменного тока. При этом в цепь подвижной катушки включают преобразователи переменного тока в постоянный или пульсирующий ток. Наибольшее распространение получили детекторная и термоэлектрическая системы.
На (рис. 3, а) показана принципиальная схема для измерения переменного тока прибором детекторной системы.
Рисунок 3 – Схемы включения магнитоэлектрического прибора детекторной (а) и термоэлектрической (б) систем в цепь переменного тока
Измерительный прибор включен в диагональ АВ моста, собранного из четырех выпрямительных полупроводниковых диодов. При переменном токе в цепи в диагонали АВ возникает пульсирующий ток, не меняющий своего направления. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита, создает изменяющийся по величине, но действующий в одном направлении вращающий момент, пропорциональный току.
Отклонение стрелки прибора пропорционально среднему значению вращающего момента за период, а следовательно, среднему значению тока. Если в цепи действует синусоидальный ток, то шкалу прибора можно отградуировать в действующих значениях тока, поскольку между средним и действующим значениями тока существует определенное соотношение. При отклонении формы кривой тока от синусоиды правильное измерение действующих значений при указанной выше градуировке шкалы оказывается невозможным.
В приборах термоэлектрической системы в качестве преобразователя используется термопара 1. Измерительный прибор 2 соединен со свободными концами термопары, а рабочие концы, образующие ее горячий спай, нагреваются измеряемым током проволочного нагревательного элемента 3 (рис. 3, б).
Количество тепла Q, выделяемого в нагревателе, пропорционально квадрату действующего значения тока. Температура нагрева горячего спая термопары и ее ЭДС находятся в прямой зависимости от величины Q. В связи с этим отклонение стрелки измерительного прибора, пропорциональное ЭДС термопары, также находится в прямой зависимости от квадрата действующего значения тока.
Вольтметры и амперметры детекторной и термоэлектрической систем применяются для измерений в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц) и повышенных частот.
Достоинства приборов магнитоэлектрической системы:
1) точность показаний;
2) малая чувствительность к посторонним магнитным полям;
3) незначительное потребление мощности;
4) равномерность шкалы.
К недостаткам следует отнести:
1) необходимость применения специальных преобразователей при измерениях в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам (тонкие токопроводящие пружинки 5 и 5′ из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства).
Электромагнитная система
Принцип действия электромагнитных приборов основан на втягивании стального сердечника в неподвижную катушку при существовании в ней тока. Неподвижный элемент прибора — катушка 1, выполненная из изолированной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 4).
Подвижный элемент — стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка, эксцентрично укреплен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток в витках катушки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в катушку. При этом ось О поворачивается, и стрелка прибора отклоняется на угол a.
Магнитная индукция В в сердечнике (при отсутствии насыщения) пропорциональна току катушки. Сила F, с которой сердечник втягивается в катушку, зависит от величины тока и магнитной индукции В в сердечнике. Приближенно принимают, что сила F, а следовательно, и обусловленный ею вращающий момент пропорциональны квадрату тока в катушке:
Мвр = СI 2 .
Рисунок 4 – Устройство прибора Рисунок 5 -Устройство астатического электромагнитной системы механизма электромагнитной системы прибора
Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу a. В связи с этим угол отклонения стрелки находится в квадратичной зависимости от тока; шкала прибора оказывается неравномерной.
Для успокоения подвижной части прибора обычно применяют воздушный демпфер. Он состоит из изогнутого цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О. Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечивает быстрое установление стрелки на определенном делении шкалы.
Достоинства приборов электромагнитной системы:
1) простота конструкции;
2) пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока;
3) надежность в эксплуатации.
К недостаткам следует отнести:
1) неравномерность шкалы;
2) влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле катушки расположено в воздушной среде и поэтому его индукция невелика.
Для ослабления влияния посторонних магнитных полей в некоторых приборах применяют две катушки 1 и 2 (рис. 5) и два сердечника, установленные на общей оси и действующие в одном направлении вращающие моменты
Катушки расположенные так, что их магнитные потоки Ф1 и Ф2 направлены в противоположные стороны. Постороннее магнитное поле Фвн ослабляет поток Ф1 (уменьшая вращающий момент Мвр1 и одновременно усиливает поток Ф2, увеличивая вращающий момент Мвр2 . В результате общий вращающий момент Мвр.рез остается неизменным и зависит только от измеряемого тока. Приборы такой конструкции называются астатическими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимых посторонними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в стальные корпуса.
Электродинамическая система
Приборы этой системы (рис. 6, а) состоят из двух катушек: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная катушка укреплена на оси ОО‘ и расположена внутри неподвижной катушки. На оси ОО‘ подвижной катушки укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4 и 4’, через которые подводится ток к катушке 2. Эти пружинки одновременно создают противодействующий момент Мпр ,
Рисунок 6 – Устройство прибора
электродинамической системы (а) и принцип
действия (б)
пропорциональный углу закручивания a. Принцип действия прибора (рис. 6, б) основан на взаимодействии тока I2 подвижной катушки с магнитным потоком Ф1 неподвижной катушки.
При постоянном токе электромагнитная сила Fэм, действующая на проводники подвижной катушки, пропорциональна току I2 и магнитной индукции B1. Поскольку индукция B1 пропорциональна току I1 неподвижной катушки, вращающий момент, действующий на подвижную катушку, пропорционален произведению токов катушек:
где С¢ и С¢¢— коэффициенты пропорциональности. При переменном токе вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значений токов:
Показание прибора в этом случае определяется средним за период значением вращающего момента:
.
Здесь С — коэффициент, зависящий от числа витков, геометрических размеров и расположения катушек; I1 и I2 — действующие значения токов в катушках; y — угол сдвига фаз между векторами токов I1 и I2 .
При равенстве моментов (Мвр = Мпр) подвижная катушка отклоняется на угол a и стрелка указывает на шкале числовое значение измеряемой электрической величины. Для успокоения подвижной части прибора используют воздушные демпферы. Электродинамические приборы применяют, главным образом, для измерения мощности в цепях переменного тока.
Достоинства приборов электродинамической системы:
1) высокая точность (обусловленная отсутствием ферромагнитных сердечников).
2) возможность использования для измерения электрических величин в цепях постоянного и переменного тока.
Недостатками приборов являются:
1) чувствительность к перегрузкам;
2) влияние посторонних магнитных полей на точность измерений;
3) неравномерность шкалы;
Электростатическая система
Энергия, запасенная системой заряженных пластин электростатического прибора при фиксированном напряжении
W= 
,
может изменятся только вследствие изменения электроемкости. Поэтому такие приборы могут быть построены на основе изменения расстояния между пластинами, активной площади пластин или среды между ними. Во всех случаях с поворотом подвижной части прибора должна изменяться энергия W за счет изменения емкости C.
Устройство вольтметра электростатической системы с переменным расстоянием между пластинами показано на рисунке 7. Измеряемое напряжение подключается к клеммам «А» и «Б» вольтметра, соединенным с двумя неподвижными изолированными пластинами «а» и «с». Между неподвижными пластинами на тонких бронзовых ленточках (пружинах) подвешена подвижная пластина «b» и электрически соединена с одной из неподвижных пластин. При включении напряжения эти пластины получают заряд одного знака, и подвижная пластина отталкивается от неподвижной. Вторая неподвижная пластина получает заряд противоположного знака, поэтому она притягивает к себе подвижную пластину. Таким образом, силы, действующие на подвижную пластину со стороны неподвижных, направлены в одну сторону. Поступательное перемещение подвижной пластины через тягу «d» преобразуется во вращательное движение оси и стрелки прибора.
Устройство электростатического вольтметра с переменной активной площадью показано на рисунке 8. Подвижные пластины «с» всегда получают заряды, противоположные по знаку зарядам неподвижных камер «а» и «b», и втягиваются в них. Успокаивающий момент создается, как правило, магнитоиндукционным способом.
Ценным свойством электростатических вольтметров является: отсутствие собственного потребления мощности при измерениях на постоянном токе и очень малое потребление мощности на переменном.
 |
 |
 |
 |
Рисунок 7 -Устройство вольтметра Рисунок 8 – Устройство электро-
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-08; Нарушение авторского права страницы