Магнитоэлектрические измерительные механизмы

Конструкция прибора магнитоэлектрической системы показана на рис. 5.2, 5.3. Между полюсами постоянного магнита 1расположены полюсные наконечники 2с цилиндрической расточкой. Магнитное поле замыкается через сердечник 3 цилиндрической формы, выполненный из магнитомягкого материала и укрепленный неподвижно с помощью латунной накладки 5. В кольцевом зазоре между наконечниками и сердечником создается равномерное магнитное поле. В этом же зазоре расположена подвижная катушка (рамка 4), выполненная из изолированной медной проволоки. Проволока либо навивается на алюминиевый каркас, либо скрепляется клеем. К рамке с двух сторон приклеиваются алюминиевые буксы для крепления растяжек или кернов. Стрелка 6и вся подвижная часть механизма уравновешиваются грузиками 7, играющими роль противовеса.

Для регулировки магнитного поля в зазоре предусмотрен шунт 8,выполненный из магнитомягкого материала, по которому замыкается часть магнитного потока. Ток к рамке подводится по спиральным пружинам и растяжкам. Возникающий вращающий момент

(5.1)

где В – магнитная индукция в зазоре; s – площадь рамки; w – число витков;
I – ток, протекающий по обмотке рамки. Установившееся отклонение подвижной части определяется равенством , где М_пр – противодействующий момент; – угол поворота подвижной части (см. рис. 5.3);
W – коэффициент, зависящий от свойств упругого элемента и называемый удельным противодействующим моментом. Противодействующий момент линейно зависит от угла поворота подвижной части. При М = – М_пр имеем BswI = . Откуда

(5.2)

Рис. 5.2. Магнитоэлектрический измерительный механизм	Рис. 5.3. Определение угла отклонения измерительного механизма

Выражение (5.2) представляет собой уравнение преобразования, где Si – чувствительность механизма к току. Из (5.2) следует, что угол отклонения пропорционален току, т. е. прибор имеет линейную шкалу. Успокоители в магнитоэлектрических приборах обычно магнитоиндукционного типа. Момент успокоения М_р образуется за счет вихревых токов в алюминиевом каркасе рамки.

Магнитоэлектрические механизмы обычно работают на постоянном токе. Если колебание имеет синусоидальную форму, то среднее значение вращающего момента равно нулю

Принципы построения магнитоэлектрических приборов используются в гальванометрах – высокочувствительных приборах, предназначенных для измерения малых токов (до А) и напряжений.

Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую чувствительность. Удается сконструировать приборы с отклонением на всю шкалу при токе 0,01 мкА. Высокая чувствительность объясняется концентрацией магнитного поля магнита в узком зазоре, из-за чего индукция получается большой. Сильное магнитное поле в зазоре делает слабым влияние внешних полей на показания прибора. При использовании магнитных экранов погрешность из-за внешних полей можно свести до десятых долей процента. Потребление тока от внешней цепи приборами магнитоэлектрической системы очень мало, что позволяет снизить потребляемую мощность до 10^-9 Вт.

Магнитоэлектрические приборы относятся к числу высокоточных приборов с классом точности 0,2; 0,1 и даже 0,05. Для достижения высокой точности применяются специальные приемы: искусственное старение магнита, термокомпенсация и т. п. К недостаткам приборов магнитоэлектрической системы относятся чувствительность к перегрузкам (ток протекает по рамке из тонкого провода), сложность и относительно высокая стоимость.

Электродинамические приборы

В приборах электродинамической системы имеются две пары катушек – подвижных и неподвижных. Подвижная катушка 1 (рис. 5.4, а) может поворачиваться относительно неподвижной 2,состоящей из двух частей, разделенных зазором. Магнитное поле катушек замыкается по воздуху. Вращающий момент перемещает стрелку 4,укрепленную на оси 5, относительно шкалы 3.Успокоитель 6– воздушного типа. Для увеличения вращающего момента иногда применяют магнитопроводы.

Рис. 5.4. Прибор электродинамической системы

Такие приборы называются ферродинамическими. Вращающий момент находится с помощью уравнения Лагранжа

, (5.3)

где – энергия магнитного поля; – угол отклонения подвижной части механизма. Как следует из (5.3), вращающий момент равен производной от энергии системы по углу . Энергия системы, состоящей из двух катушек 2 стоками и (рис. 5.4, б), определяется соотношением , где и – индуктивности катушек, а – взаимоиндуктивность. При дифференцировании учитываем, что токи и , а также индуктивности и постоянны. Лишь зависит от угла поворота . Следовательно, .

Если пропустить по катушкам переменные токи и , подвижная часть прибора будет реагировать лишь на среднее значение вращающего момента

При установившемся отклонении справедливы соотношения

и

Если токи и синусоидальны и имеют фазовый сдвиг , то

,

где и – среднеквадратические (действующие) значения токов.
Следовательно,

.(5.4)

Отсюда следует, что показания прибора определяются произведением токов и и углом . При = 90° отклонение равно нулю.

При последовательном соединении катушек (рис. 5.5, a) и

Если прибор используется для измерения напряжения, то включают дополнительный резистор (рис. 5.5, б), который ограничивает ток через прибор. Показания прибора определяются формулой

Рис. 5.5. Схема включения прибора

Параллельное включение обмоток используется в амперметрах, рассчитанных на большой ток (рис. 5.5, в). При этом основную часть тока пропускают по неподвижной катушке, которая наматывается толстым проводом. При этом уменьшается ток через рамку.

Введя коэффициент распределения токов по обмоткам
и обозначив измеряемый ток , из (5.4) имеем

Подбирая величину k, можно построить прибор для измерения больших токов.

Независимое включение катушек электродинамического механизма применяется в ваттметрах – приборах для измерения мощности. Схема включения катушек показана на рис. 5.5, г. Неподвижная катушка с малым сопротивлением включается последовательно с нагрузкой R_H. Подвижная катушка с последовательно включенным резистором R_доб подключается параллельно нагрузке. При таком соединении отклонение подвижной части прибора пропорционально средней активной мощности, рассеиваемой на нагрузке за период Т, т. е.

.

При измерении мощности в цепях переменного тока иногда требуется измерять реактивную мощность . Приборы, измеряющие , называют варметрами. В этих приборах создается искусственный фазовый сдвиг 90° между напряжением, приложенным к параллельной цепи, и током в рамке. В этом случае

Знак минус указывает, что стрелка отклоняется в обратную сторону. Для нормальной работы прибора необходимо переключить концы одной из обмоток. Зажимы, обозначенные звездочкой (*) на рис. 5.5, г, называются генераторными и подключаются со стороны генератора.

Основная погрешность электродинамических приборов на постоянном токе определяется механическими свойствами механизма, постоянством параметров измерительной цепи и точностью градуировочной характеристики. Механические свойства могут быть доведены до высокой степени совершенства. Стабильность параметров измерительной цепи повышается, если в качестве добавочного сопротивления R_доб (см. рис. 5.5) используется проволочный резистор (из манганина). Градуировку можно выполнить весьма точно на постоянном токе с помощью образцовых приборов (компенсаторов). Однако постоянный ток лучше измеряется магнитоэлектрическими приборами, так как электродинамические потребляют мощность 3 – 15 Вт. Поэтому представляет интерес градуировка на постоянном токе с последующим использованием прибора на переменном токе.

В вольтметрах (рис. 5.5, б) частотная погрешность вызывается индуктивным сопротивлением его цепи. Поэтому если прибор градуирован на постоянном токе, при измерении переменных токов возникнет существенная погрешность. Вольтметр, градуированный на постоянном токе, но с частотной коррекцией, при классе точности до 0,2 показан на рис. 5.6. При использовании электродинамического прибора в ка-

Рис. 5.6. Частотная коррекция

честве амперметра катушки включаются последовательно. В этом случае изменение активного сопротивления (например, от температуры) и изменение индуктивного сопротивления (при изменении частоты) не вызывают погрешности измерения, поскольку прибор показывает тот ток, который через него протекает. Если амперметр рассчитан на большой ток и его обмотки включаются параллельно (рис. 5.5, в), то погрешность измерения определяется перераспределением токов между ветвями при изменении температуры и частоты. Для коррекции в схему вводят резисторы R1 и R2 и конденсатор С1 (рис. 5.7). При выполнении условия L1R1 = L2R2 удается устранить перераспределение токов при изменении частоты. Шунтирование R2 конденсатором С1 устраняет различие показаний на постоянном и переменном токах.

	По сравнению с приборами магнитоэлектрической системы электродинамические более чувствительны к внешним полям. Экранирование прибора экраном из ферромагнитного материала существенно ослабляет влияние внешних полей. Другой прием носит название – астазирование.
Рис. 5.7. Температурная и частотная коррекция

В приборах такого типа используются две подвижные катушки, которые создают два вращающих момента. Катушки расположены так, что внешнее магнитное поле увеличивает один вращающий момент и настолько же уменьшает другой. Сумма моментов остается неизменной. Астатические механизмы применяются сравнительно редко, так как имеют сравнительно сложную конструкцию.

Электромагнитные приборы

К электромагнитным относятся такие приборы, в которых поле, созданное неподвижной катушкой с протекающим по ней током, воздействует на один или несколько сердечников из ферромагнитного материала, эксцентрично расположенных на оси. Подвижная часть стремится расположиться так, чтобы энергия системы катушек с током была наибольшей. Измерительный механизм (рис. 5.8) состоит из катушки 1 с обмоткой из медного провода, имеющей воздушный зазор, и сердечника 2. Сердечник укреплен на оси 3. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4. Успокоение – магнитоиндукционное или жидкостное.

Вращающий момент определяется соотношением (5.3). Энергия магнитного поля системы зависит от квадрата тока и индуктивности катушки L (WM = 1/2 i2L). При повороте подвижной части механизма сердечник перемещается относительно катушки, что вызывает изменение индуктивности L. Следовательно, мгновенное значение вращающего момента

, а среднее .

Так как – квадрат действующего значения тока, то .

Величина отклонения указателя определяется из условия равновесия и определяется формулой

(5.5)

Как видно из (5.5), отклонение подвижной части зависит от квадрата действующего значения тока. Однако вид шкалы зависит от закона изменения , т. е. от формы и расположения сердечника. Обычно подбором формы сердечника удается добиться равномерности шкалы на некоторых ее участках. При измерении тока электромагнитным прибором его катушка включается последовательно в измерительную цепь. Для изменения пределов измерения катушка делается секционированной. Для измерения токов до 100 – 200 А приборы снабжаются катушкой из одного витка толстой медной шины. Температурная погрешность амперметров электромагнитной системы невелика и определяется изменением упругих свойств пружины и растяжек. Частотная погрешность возникает из-за вихревых токов в сердечнике и поверхностного эффекта в проводах катушки. При использовании многожильного провода можно использовать прибор на частотах до 2 – 3 кГц. При измерении постоянного тока показания прибора различаются при возрастающих и убывающих изменениях тока. Это связано с явлением гистерезиса сердечника. При использовании электротехнической стали погрешность из-за гистерезиса может составить 5 %, изготовление сердечника из пермаллоя позволяет снизить эту погрешность до 0,2 %.

В вольтметрах электромагнитной системы включается дополнительный резистор , выполненный из манганина. Компенсация температурной зависимости эффективна, если сопротивление добавочного резистора существенно превышает сопротивление катушки из меди. Вольтметры электромагнитной системы выпускают классов точности 1,0; 1,5; 2,5 с верхними пределами измерения 0,5 – 600 В.
Рис. 5.8. Электромагнитный прибор

Электромагнитные приборы нашли широкое применение благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, высокой надежности. Поскольку ток проходит только по неподвижной катушке, которая может быть намотана толстым проводом, приборы рассматриваемого типа способны выдерживать большие перегрузки. Зависимость закона отклонения от формы сердечника позволяет влиять на характер шкалы (рис. 5.8), создавать перегрузочные амперметры.

Электростатические приборы

В электростатических приборах перемещение подвижной части механизма осуществляется под действием энергии электрического поля системы заряженных проводников. Поэтому электростатические приборы обычно используются в качестве вольтметров. Наибольшее распространение получили два вида механизмов, конструкции которых показаны на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Электростатические приборы

конструкция, изображенная на рис. 5.9, а, применяется в щитовых и переносных вольтметрах, измеряющих напряжения до нескольких сотен вольт. Конструкция на рис. 5.9, б позволяет измерять напряжения в несколько киловольт.

В приборе (рис. 5.9, а) секторообразные пластины 2 образуют подвижную часть прибора. Она поворачивается на оси 3 вместе со стрелкой 4. Силы электрического поля стремятся повернуть подвижную часть относительно неподвижной 1 так, чтобы энергия электрического поля была максимальна. Поскольку энергия () будет максимальна при максимальном значении емкости, под воздействием приложенного напряжения U подвижный электрод будет втягиваться между неподвижными. В электростатическом приборе второго типа (рис. 5.9, б) электроды 1 закреплены неподвижно, подвижный электрод 2 прикреплен на упругих лентах 3 к держателю 4. Один из неподвижных электродов (например, левый) соединяется электрически с подвижным электродом и к ним подводится один потенциал (например, положительный). Отрицательный потенциал подается на неподвижный электрод. Подвижный электрод отталкивается от левого неподвижного электрода и притягивается к правому. Перемещение подвижного электрода с помощью оттяжки 7 передается на ось 5 со стрелкой 6.

Вращающий момент электростатического механизма равен . Величина отклонения, соответствующая условию равновесия , определяется соотношением , из которого видно, что отклонение пропорционально квадрату приложенного напряжения. Смена полярности приложенного напряжения не изменяет направления отклонения, поэтому электростатические приборы можно применять на переменном токе. При этом из-за инерции подвижная часть не может следовать за изменениями вращающего момента и реагирует на его среднее значение

,

где U – действующее значение переменного напряжения.

Вращающий момент электростатического механизма мал, поэтому вольтметры данного типа рассчитаны на предел более 10 В. Собственное электростатическое поле прибора мало, поэтому необходима экранировка от внешних полей. На показания электростатического прибора практически не влияют температура, частота, форма приложенного напряжения,
а также внешние магнитные поля. Собственное потребление энергии вольтметром чрезвычайно мало и на постоянном токе равно нулю.

Для расширения пределов измерения электростатического вольтметра при измерении постоянных напряжений целесообразно применять резистивный делитель, а при измерении переменных – емкостный. Схемы делителей показаны на рис. 5.10, а, б. При использовании емкостного делителя измеряемое напряжение U и напряжение на вольтметре U_V определяются соотношением

,

где – электрическая емкость вольтметра.

Промышленность выпускает элек-тростатические вольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5 на напряжения от 10 В до 300 кВ. Частотный диапазон – до 10 МГц. Основное применение электростатические вольтметры находят для измерений в маломощных цепях при широком частотном диапазоне, а также в цепях высокого напряжения.
Рис. 5.10. Схемы делителей

Логометры

Логометры (от греческого слова «логос» – отношение) – приборы, предназначенные для измерения отношения двух величин. Эти приборы могут строиться на основе механизмов магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитных систем. На рис. 5.11 показана конструкция магнитоэлектрического логометра. В отличие от обычного магнитоэлектрического механизма подвижная часть состоит из двух рамок 1, плоскости которых составляют угол 30...90°. Токи в рамки поступают через специальные «безмоментные» токопровода. Обычных элементов, создающих противодействующий момент (пружин, растяжек), в приборе нет. Направления токов в рамках выбираются так, чтобы соответствующие им моменты были направлены встречно. Один момент можно считать вращающим, другой – противодействующим.

Рис. 5.11. Логометр

Положение равновесия наступит при равенстве двух моментов. Это происходит, когда хотя бы один из моментов зависит от угла поворота подвижной части. В противном случае равнодействующий момент, определяемый как разность двух моментов, повернет подвижную часть упора в направлении действия наибольшего момента. Для создания зависимости вращающего момента в зазоре создается неравномерное магнитное поле.

Для этого сердечнику 2 (см. рис. 5.11) придается эллиптическая форма. При повороте подвижной части одна рамка входит в узкую часть зазора, где индукция велика, а вторая – в широкую, где индукция мала. В результате с ростом угла поворота вращающий момент убывает, а противодействующий возрастает, пока не наступает равенство. На основании (5.2) можно записать

(5.6)

При равновесии , следовательно, из (5.6) имеем , или . Таким образом, логометр измеряет отношение токов, протекающих по обмоткам рамок. Характеристика шкалы зависит от функций и . Логометры нашли применение для измерения частоты, сопротивления, фазового сдвига.

Термоэлектрические приборы

Действие термоэлектрических приборов основано на преобразовании измеряемого переменного тока в постоянный и измерении последнего с помощью магнитоэлектрического прибора. В основу термоэлектрического прибора положено использование термопреобразователя, состоящего из нагревателя и термопары. В качестве нагревателя используется тонкая проволока, изготовленная из термостойкого материала, например, из нихрома и константана. Измеряемый ток, проходя по нагревателю, выделяет тепловую энергию, которая повышает температуру спая термопары, состоящей из двух разнородных проводников (например, железа и константана).

Различают контактные термоэлектрические преобразователи, у которых спай термопары 1 непосредственно приварен к середине нагревателя 2 (рис. 5.12, а), и бесконтактные термоэлектрические преобразователи (рис. 5.12, б), у которых спай термопары 1 и нагреватель 2 разделены изолятором. В качестве изолятора используется стеклянная бусина. Через нее передается теплота от нагревателя к термопаре.

Рис. 5.12. Термоэлектрические приборы

Спай (точка С на рис. 5.12, а) является тепловыделяющим концом термопары. К теплопоглощающим (холодным) концам подключается магнитоэлектрический измерительный механизм, показания которого пропорциональны термо-ЭДС. Изоляционная прослойка между нагревателем и термопарой увеличивает инерционность и уменьшает чувствительность. Однако изоляция обеспечивает большую точность измерений, поскольку измеряемый ток, протекающий по нагревателю, не ответвляется в цепь термопары.

В контактном термоэлектрическом преобразователе часть измеряемого тока протекает через термопару и прибор за счет падения напряжения на месте сварки. Это явление свойственно также термопреобразователю типа «термокрест», в котором нагреватель и термопара изготавливаются из одних и тех же проволочек, расположенных крестообразно и свариваемых в точке пересечения С (рис. 5.12, в). Приборы с термокрестом используются для измерения малых токов. Бесконтактные преобразователи позволяют последовательно соединить несколько термопар и получить таким образом термобатарею (рис. 5.12, г). Термо-ЭДС батареи возрастает пропорционально числу термопар, в результате чего повышается чувствительность прибора. Термо-ЭДС пропорциональна количеству теплоты, выделенной измеряемым током в месте спая. Количество теплоты, в свою очередь, пропорционально квадрату измеряемого тока. Ток в цепи прибора , где r – сопротивление термопары, – сопротивление прибора, Е – термо-ЭДС.

Как показывают расчеты и эксперименты, термо-ЭДС определяется соотношением , где k' – коэффициент пропорциональности; I – ток подогревателя. Следовательно,

Согласно (5.2) отклонение стрелки магнитоэлектрического прибора

.

Таким образом, если использовать термопреобразователь для измерения тока, шкала прибора оказывается квадратичной.

Для нагрева спая термопары тратится лишь небольшая доля выделяющегося тепла. Большая часть его теряется в результате лучеиспускания, конвекции и теплопроводности элементов термопары. Для уменьшения потерь тепла термопара помещается в колбочку с высоким вакуумом. Вакуумные термопреобразователи обеспечивают при том же токе подогрева в 10 – 30 раз большую термо-ЭДС и применяются в приборах с высокой чувствительностью.

На термопреобразователях строятся вольтметры и амперметры. Промышленность выпускает термоэлектрические приборы для измерения напряжения и тока типа Т131 – Т133. Прибор Т131 позволяет измерять напряжения 75 – 1500 мВ на частотах 20 Гц – 1 МГц при токе потребления
0,1 мА. Прибор Т133 измеряет ток 100 – 1000 мкА в диапазоне частот
20 Гц – 0,5 МГц.

Термоэлектрические преобразователи пригодны для измерения мощности, причем шкала термоваттметра линейна.

На погрешности термоэлектрических приборов влияют главным образом три фактора: изменение температуры окружающей среды, длительность включения и изменение частоты измеряемого тока. Погрешность изменения температуры окружающей среды обусловлена изменением сопротивления цепи измерительного механизма и сопротивления нагревателя. Термо-ЭДС термопары от температуры внешней среды практически не зависит, так как нагреваются одновременно как теплопоглощающие, так и тепловыделяющие концы термопары. Влияние длительности включения проявляется в том, что показания прибора оказываются различными и в зависимости от того, как долго был включен прибор, так как нагреватель, имеющий меньшую массу, прогревается гораздо быстрее, чем массивные токоподводящие колодки, которые тоже несколько нагреваются. Поэтому разность температур между тепловыделяющим спаем и теплопоглощающими концами термопары, удаленными от колодок, оказывается непостоянной и зависящей от продолжительности включения.

Влияние частоты на показания термоэлектрических приборов сказывается по двум причинам. С ростом частоты вследствие поверхностного эффекта растет сопротивление нагревателя, а также проявляются паразитные параметры схемы. Оба фактора проявляются на частотах свыше 3 –
5 МГц. Рациональным конструированием приборов удается обеспечить изменение токов до 100 МГц при классе точности 1,0 и 1,5.

К недостаткам приборов термоэлектрической системы следует отнести малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не более 50 %), сравнительно большое потребление энергии.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: