магнітоелектрична система

Принцип дії магнітоелектричних приладів заснований на взаємодії поля постійного магніту і провідників зі струмом. У повітряному зазорі 1 (рис. 2) між нерухомим сталевим циліндром 2 і полюсними наконечниками NS нерухомого постійного магніту розташована алюмінієва рамка з котушкою 3, що складається з w витків ізольованого дроту.

Малюнок 2 - Пристрій приладу

Котушка жорстко з'єднана з двома півосями О і О ', які сидять в підшипниках. На піввісь Про закріплені вказівний стрілка 4 і дві спіральні пружинки 5 і 5 ', через які до котушки підводиться вимірюваний струм. Полюсні наконечники NS і сталевий циліндр 2 забезпечують в зазорі 1 рівномірне і радіальний розподіл індукції В магнітного поля. В результаті взаємодії магнітного поля з струмом в провідниках котушки 3 створюється обертовий момент. Рамка з котушкою при цьому повертається, і стрілка відхиляється на кут a. Електромагнітна сила Fем. діюча на кожну з двох сторін котушки, дорівнює wBLI. Момент, що обертає, створюваний парою сил Fем. Мвр = Fем d = wBLId = С1I, де d і L - ширина і довжина рамки (котушки); С1 - коефіцієнт, що залежить від числа витків w, розмірів котушки і магнітної індукції В. Повороту рамки протидіють спіральні пружинки 5 і 5 ', що створюють протидіючий момент, пропорційний куту закручування a:

де С2 - коефіцієнт, що залежить від жорсткості пружинок. Стрілка встановлюється на певному розподілі шкали при рівності моментів

Кут повороту стрілки

пропорційний величині струму; отже, у приладів магнітоелектричної системи шкала рівномірна, що є їхньою перевагою.

Напрямок крутного моменту (визначається правилом лівої руки) змінюється при зміні напрямку струму. Тому при включенні приладу потрібно дотримуватись полярності включення.

При включенні приладу магнітоелектричної системи в ланцюг змінного струму на котушку діють швидко змінюються за величиною і напрямком механічні сили, середнє значення яких дорівнює нулю. В результаті стрілка приладу не буде відхилятися від нульового положення. Тому ці прилади не можна застосовувати безпосередньо для вимірювань в ланцюгах змінного струму.

У приладах магнітоелектричної системи заспокоєння (зменшення) стрілки відбувається завдяки тому, що при переміщенні алюмінієвої рамки 5 в магнітному полі постійного магніту NS в ній индуктируются вихрові струми. Напрямок цих струмів за правилом Ленца таке, що вони протидіють обертанню рамки і швидко заспокоюють її коливання.

Вимірювальні прилади магнітоелектричної системи знаходять застосування також при вимірах в ланцюгах змінного струму. При цьому в ланцюг рухливої ​​котушки включають перетворювачі змінного струму в постійний або пульсуючий струм. Найбільшого поширення набули детекторна і термоелектрична системи.

На (рис. 3, а) показана принципова схема для вимірювання змінного струму приладом детекторной системи.

Малюнок 3 - Схеми включення магнітоелектричного приладу детекторной (а) і термоелектричної (б) систем в ланцюг змінного струму

Вимірювальний прилад включений в діагональ АВ моста, зібраного з чотирьох випрямних напівпровідникових діодів. При змінному струмі в ланцюзі в діагоналі АВ виникає пульсуючий струм, що не міняє свого напрямку. Цей струм, взаємодіючи з магнітним полем постійного магніту, створює змінюється за величиною, але діючий в одному напрямку крутний момент, пропорційний струму.

Відхилення стрілки приладу пропорційно середньому значенню крутного моменту за період, а отже, середнім значенням струму. Якщо в ланцюзі діє синусоїдальний струм, то шкалу приладу можна отградуировать в діючих значеннях струму, оскільки між середнім і чинним значеннями струму існує певне співвідношення. При відхиленні форми кривої струму від синусоїди правильне вимірювання діючих значень при зазначеній вище градуировке шкали виявляється неможливим.

У приладах термоелектричної системи в якості перетворювача використовується термопара 1. Вимірювальний прилад 2 з'єднаний з вільними кінцями термопари, а робочі кінці, що утворюють її гарячий спай, нагріваються вимірюваним струмом дротяного нагрівального елементу 3 (рис. 3, б).

Кількість тепла Q. виділяється в нагрівачі, пропорційно квадрату діючого значення струму. Температура нагріву гарячого спаю термопари і її ЕРС знаходяться в прямій залежності від величини Q. У зв'язку з цим відхилення стрілки вимірювального приладу, пропорційне ЕРС термопари, також знаходиться в прямій залежності від квадрата діючого значення струму.

Вольтметри і амперметри детекторной і термоелектричної систем застосовуються для вимірювань в ланцюгах змінного струму промислової частоти (50 Гц) і підвищених частот.

Переваги приладів магнітоелектричної системи:

1) точність показань;

2) мала чутливість до сторонніх магнітних полів;

3) незначне споживання потужності;

4) рівномірність шкали.

До недоліків слід віднести:

1) необхідність застосування спеціальних перетворювачів при вимірах в ланцюгах змінного струму і чутливість до перевантажень (тонкі струмопровідні пружинки 5 і 5 'з фосфористої бронзи при перевантаженнях нагріваються і змінюють свої пружні властивості).

Принцип дії електромагнітних приладів заснований на втягуванні сталевого сердечника в нерухому котушку при існуванні в ній струму. Нерухомий елемент приладу - котушка 1, виконана з ізольованого дроту, включається в електричний ланцюг (рис. 4).

Рухомий елемент - сталевий сердечник 2, що має форму пелюстки, ексцентрично укріплений на осі О. З цією ж віссю жорстко з'єднані вказівний стрілка 3, спіральна пружинка 4, забезпечувала-ющая протидіє момент, і поршень 5 успокоителя. Струм в витках котушки 1 утворює магнітний потік, сердечник 2 намагничивается і втягується в котушку. При цьому вісь Про повертається, і стрілка приладу відхиляється на кут a.

Магнітна індукція В в осерді (при відсутності насичення) пропорційна току котушки. Сила F. з якої сердечник втягується в котушку, залежить від величини струму і магнітної індукції В в осерді. Наближено приймають, що сила F. а отже, і обумовлений нею крутний момент пропорційні квадрату струму в котушці:

Малюнок 4 - Пристрій приладу Малюнок 5 -улаштування астатического електромагнітної системи механізму електромагнітної системи приладу

Протидіє момент, врівноважує момент, що обертає, пропорційний куту a. У зв'язку з цим кут відхилення стрілки знаходиться в квадратичної залежності від струму; шкала приладу виявляється нерівномірною.

Для заспокоєння рухомої частини приладу зазвичай застосовують повітряний демпфер. Він складається з вигнутого циліндра 6 і поршня 5, шток якого укріплений на осі О. Опір повітря, який чиниться переміщенню поршня в циліндрі, забезпечує швидке встановлення стрілки на певному розподілі шкали.

Переваги приладів електромагнітної системи:

1) простота конструкції;

2) придатність для вимірювання в колах постійного і змінного струму;

3) надійність в експлуатації.

До недоліків слід віднести:

1) нерівномірність шкали;

2) вплив сторонніх магнітних полів на точність показань. Останнє обумовлено тим, що магнітне поле котушки розташоване в повітряному середовищі і тому його індукція невелика.

Для ослаблення впливу сторонніх магнітних полів в деяких приладах застосовують дві котушки 1 і 2 (рис. 5) і два сердечника, встановлені на загальній осі і діючі в одному напрямку обертаючі моменти

Котушки розташовані так, що їх магнітні потоки Ф1 і Ф2 спрямовані в протилежні сторони. Стороннє магнітне поле ФВН послаблює потік Ф1 (зменшуючи крутний момент Мвр1 і одночасно підсилює потік Ф2. Збільшуючи крутний момент Мвр2. В результаті загальний крутний момент Мвр.рез залишається незмінним і залежить тільки від вимірюваного струму. Прилади такої конструкції називаються астатичними. Для зменшення похибки вимірювань , внесених сторонніми магнітними полями, деякі прилади екранують, поміщаючи їх в сталеві корпусу.

Прилади цієї системи (рис. 6, а) складаються з двох котушок: нерухомої 1 і рухомий 2. Рухома котушка укріплена на осі ОО 'і розташована всередині нерухомої котушки. На осі ОО 'рухомий котушки укріплені вказівний стрілка 3 і спіральні пружинки 4 і 4', через які підводиться струм до котушки 2. Ці пружинки одночасно створюють протидіючий момент МПР,

Малюнок 6 - Пристрій приладу

електродинамічної системи (а) і принцип

пропорційний куту закручування a. Принцип дії приладу (рис. 6, б) заснований на взаємодії струму I2 рухливої ​​котушки з магнітним потоком Ф1 нерухомої котушки.

При постійному струмі електромагнітна сила Fем. діюча на провідники рухливої ​​котушки, пропорційна току I2 і магнітної індукції B1. Оскільки індукція B1 пропорційна току I1 нерухомої котушки, що обертає момент, діючий на рухому котушку, пропорційний твору струмів котушок:

де С ¢ і С ¢¢ - коефіцієнти пропорційності. При змінному струмі крутний момент пропорційний добутку миттєвих значень струмів:

Показання приладу в цьому випадку визначається середнім за період значенням крутного моменту:

Тут С - коефіцієнт, що залежить від числа витків, геометричних розмірів і розташування котушок; I1 і I2 - діючі значення струмів в котушках; y - кут зсуву фаз між векторами струмів I1 і I2.

У разі рівного розподілу моментів (Мвр = МПР) рухома котушка відхиляється на кут a і стрілка вказує на шкалі числове значення вимірюваної електричної величини. Для заспокоєння рухомої частини приладу використовують повітряні демпфери. Електродинамічні прилади застосовують, головним чином, для вимірювання потужності в ланцюгах змінного струму.

Переваги приладів електродинамічної системи:

1) висока точність (обумовлена ​​відсутністю феромагнітних сердечників).

2) можливість використання для вимірювання електричних величин в колах постійного і змінного струму.

Недоліками приладів є:

1) чутливість до перевантажень;

2) вплив сторонніх магнітних полів на точність вимірювань;

3) нерівномірність шкали;

Енергія, запасені системою заряджених пластин електростатичного приладу при фіксованій напрузі

може зміняться тільки внаслідок зміни електроємна. Тому такі прилади можуть бути побудовані на основі зміни відстані між пластинами, активної площі пластин або середовища між ними. У всіх випадках з поворотом рухомої частини приладу повинна змінюватися енергія W за рахунок зміни ємності C.

Пристрій вольтметра електростатичного системи з змінною відстанню між пластинами показано на малюнку 7. Вимірюється напруга підключається до клем «А» і «Б» вольтметра, сполученим з двома нерухомими ізольованими пластинами «а» і «с». Між нерухомими пластинами на тонких бронзових стрічках (пружинах) підвішена рухома пластина «b» і електрично з'єднана з однією з нерухомих пластин. При включенні напруги ці пластини отримують заряд одного знака, і рухома пластина відштовхується від нерухомою. Друга нерухома пластина отримує заряд протилежного знака, тому вона притягує до себе рухому пластину. Таким чином, сили, що діють на рухому пластину з боку нерухомих, спрямовані в одну сторону. Поступальне переміщення рухомий пластини через тягу «d» перетворюється в обертальний рух осі і стрілки приладу.

Пристрій електростатичного вольтметра зі змінною активною площею показано на малюнку 8. Рухливі пластини «с» завжди отримують заряди, протилежні за знаком зарядів нерухомих камер «а» і «b», і втягуються в них. Заспокійливий момент створюється, як правило, магнітоіндукціонний способом.

Цінною властивістю електростатичних вольтметрів є: відсутність власного споживання потужності при вимірах на постійному струмі і дуже мале споживання потужності на змінному.