Приборы магнитоэлектрической системы
Приборы магнитоэлектрической системы: условное графическое обозначение (УГО), устройство, принцип действия, основные уравнения, достоинства, недостатки
Несмотря на все большее распространение цифровых электроизмерительных приборов, в настоящее время промышленностью выпускаются и находятся в эксплуатации большое число средств измерений, основанных на преобразовании электромагнитной энергии, подводимой к прибору, в механическую энергию перемещения подвижной части. Широкий диапазон измеряемых величин, конструкционное разнообразие, незначительное потребление энергии выгодно отличают такие электромеханические приборы, а порой делают их применение единственно возможным для ряда измерительных приборов.
В целях унификации маркировки приборы электромеханических систем обозначают следующими буквенными индексами: М — магнитоэлектрическая, Э — электромагнитная, Д — электродинамическая, С — электростатическая.
Среди измерительных приборов электромеханических систем наиболее широкое распространение получили приборы магнитоэлектрической системы, в которых вращающий момент рамки с указателем создается взаимодействием между полем постоянного магнита и одним или несколькими проводниками (на рамке) с током.
Магнитоэлектрические приборы изготавливаются с подвижной рамкой, но есть конструкции и с подвижным магнитом.
Для характеристики основных режимов и условий работы электроизмерительных приборов непосредственного отсчета на их шкалах в зонах свободного пространства от рабочей части имеются условные обозначения.
Наиболее употребительные из них для приборов магнитоэлектрической системы приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 Условные графические обозначения на шкалах приборов:
а – магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой; б – прибор для измерения постоянного тока; в – рабочее положение прибора горизонтальное; г – рабочее положение прибора вертикальное; д – между корпусом и магнитоэлектрической системой прибора напряжения не должно превышать 2 кВ; е – класс точности прибора, проценты
Также в группе знаков условных обозначений указывают устойчивость прибора к климатическим воздействиям (А — приборы для работы в закрытых сухих, отапливаемых помещениях; Б, Б1, Б2, Б3 — для работы в закрытых не отапливаемых помещениях; В, B1, B2, В3 — для работы в полевых и морских условиях).
В качестве примера на рисунке 2 показана шкала прибора магнитоэлектрической системы М4200, использующегося в качестве миллиамперметра.
Рисунок 2 Шкала прибора магнитоэлектрической системы М4200
В левой части внизу шкалы указаны тип измерительного прибора и его заводской номер.
В правой – условия применения для измерений в цепях постоянного тока с возможностью работы в полевых условиях и при повышенной влажности; класс точности 2,5; измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением 2 кВ, соответствует требованиям ГОСТ.
Вращающий момент в приборах магнитоэлектрической системы создается механическим взаимодействием тока, протекающего по подвижной катушке p (рамке), расположенной между полюсами постоянного магнита, которые концентрично охватывают неподвижный стальной цилиндр а, с магнитным потоком в зазоре (рисунок 3). Так как обычно в магнитном зазоре магнитное поле радиально и равномерно, т. е. индукция постоянна, то мгновенное значение вращающего момента
т. е. момент пропорционален первой степени тока.
Рисунок 3 Изображение прибора магнитоэлектрической системы
В силу инерционности подвижная система прибора (рамка) не успевает следовать всем значениям мгновенного тока и отклоняется на некоторый угол, пропорциональный среднему значению тока.
Следовательно, для переменного тока магнитоэлектрические приборы непригодны (без дополнительных устройств), так как при питании катушки переменным током среднее значение создаваемого ею вращающего момента равно нулю и стрелка прибора будет стоять на нуле.
Установившееся положение подвижной части определяется равенством моментов
Откуда угол поворота подвижной части измерительного механизма
т. е. он пропорционален среднему значению тока (равномерная шкала).
Средний ток в рамке (постоянная составляющая)
где Cср – постоянная по току амперметра магнитоэлектрической системы.
Приборы магнитоэлектрической системы применяют для измерения тока и напряжения в электрических цепях постоянного тока (рисунок 4). Также в мультиметрах применяют для измерения сопротивления.
Рисунок 4 Подключение шунта и добавочного резистора к электроизмерительному прибору pA
Для уменьшения проходящего по катушке тока и компенсации влияния температуры на показания прибора в вольтметрах последовательно с катушкой включают добавочный резистор (рисунок 4, а), который обычно встраивается в корпус прибора. Сопротивление этого резистора значительно больше сопротивления катушки, и он выполнен из материала, электрическое сопротивление которого весьма мало зависит от температуры (константан, манганин и пр.).
В амперметрах параллельно катушке прибора часто включают образцовый резистор, называемый шунтом (рисунок 4, б).
Сопротивление шунта значительно меньше сопротивления катушки прибора, вследствие чего измеряемый ток в основном проходит по шунту. Шунты и добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения приборов.
Достоинством приборов магнитоэлектрической системы являются равномерность шкалы, высокая точность, малое потребление энергии и независимость показаний от посторонних магнитных полей.
К недостаткам их относятся непригодность для измерения переменного тока (без дополнительных устройств), необходимость соблюдения полярности при включении и чувствительность к перегрузкам (при перегрузке тонкая проволока катушки и спиральные пружины, подводящие к ней ток, могут сгореть).
Магнитоэлектрические приборы с подвижным магнитом менее точны, но имеют малые габариты и более низкую стоимость.
§ 96. Магнитоэлектрические приборы
Устройство и принцип действия.
Магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 321,а) выполнен в виде постоянного магнита 1, снабженного полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6 (рис. 321,б). Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками. Через эти же пружины или растяжки осуществляется подвод тока к катушке.
Рис. 321. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма
При прохождении тока I по катушке на каждый из ее проводников будет действовать электромагнитная сила. Суммарное действие всех электромагнитных сил создает вращающий момент М, стремящийся повернуть катушку и связанную с ней стрелку прибора на некоторый угол α. Так как индукция В магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, неизменна и не зависит от тока I, то:
где c1 — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров данного прибора (числа витков катушки, ее размеров, индукции В в воздушном зазоре).
Повороту подвижной части измерительного механизма препятствует противодействующий момент Мпр, создаваемый спиральными пружинами или растяжками. Этот момент пропорционален углу закручивания, т. е. углу поворота α подвижной части, при этом:
где c2 — постоянная величина, зависящая от жесткости спиральных пружин или растяжек.
Поворот подвижной части измерительного механизма и стрелки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент М, создаваемый током I, не уравновесится противодействующим моментом Мпр. В момент равновесия М = Мпр, откуда получим:
Следовательно, угол поворота в подвижной части пропорционален измеряемому току I. Поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу.
Постоянная величина к называется чувствительностью прибора, она характеризуется углом поворота стрелки в градусах или в делениях шкалы, приходящимся на единицу изменения измеряемой величины.
Величина, обратная чувствительности, c=1/к называется постоянной прибора, или ценой деления. Если умножить отсчет по шкале на цену деления прибора с, то можно определить значение измеряемой величины. Для устранения колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое электроизмерительные приборы снабжают воздушными или магнитно-индукционными демпферами.
Воздушный демпфер (рис. 322, а) выполнен в виде цилиндрической камеры, внутри которой перемещается крыло 1 в виде поршня, связанного с подвижной системой. При перемещении подвижной части происходит торможение движущегося в камере 2 крыла, и колебания подвижной части быстро затухают.
Магнитно-индукционный демпфер (рис. 322, б) выполнен в виде неподвижного постоянного магнита 3, который при повороте подвижной системы прибора индуцирует вихревые токи в металлическом (алюминиевом) секторе 4, установленном на оси прибора.
Взаимодействие этих токов с магнитом создает согласно правилу Ленца силу, тормозящую подвижную систему и обеспечивающую быстрое затухание колебаний стрелки. В магнитоэлектрических приборах роль демпфера выполняет алюминиевый каркас 6 катушки (см. рис. 321,б).
При повороте подвижной части прибора изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас катушки. Благодаря этому в каркасе индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий быстрое успокоение подвижной части.
Рис. 322. Воздушный (а) и магнитно-индукционный (б) демпферы
Для того чтобы любой электроизмерительный прибор обеспечил требуемую точность измерений, необходимо, чтобы отклонение подвижной системы прибора определялось только вращающим моментом, создаваемым катушкой, и противодействующим усилием пружины. Для устранения влияния силы тяжести, создающей погрешности при измерениях, подвижную систему прибора (рис. 323) уравновешивают противовесами 5 (рис. 323, а), представляющими собой стержни с перемещающимися по ним грузиками.
Рис. 323. Устройство подвижной части электроизмерительного прибора
Для уменьшения влияния трения оси приборов снабжают тщательно отполированными стальными наконечниками 1, выполненными из материала с высокой износостойкостью (закаленная сталь, вольфрамо-молибденовый сплав и пр.). Наконечники вращаются в подпятниках 4, выполняемых с вкладышами 2 из корунда, агата, рубина и т. п. Зазоры между наконечниками и подпятником регулируются стопорным винтом 3.
Электроизмерительные приборы обычно снабжают корректором — приспособлением, позволяющим устанавливать стрелку в нулевое положение. Корректор состоит из винта 6, выходящего из корпуса, и поводка 7, при помощи которых можно смещать на некоторое расстояние точку закрепления спиральной пружины 8, создающей противодействующее усилие.
В большинстве современных электроизмерительных приборов подвижная часть 11 подвешивается на двух растяжках 10 — упругих металлических лентах, которые служат для подвода тока к катушке прибора и одновременно создают противодействующий момент (рис. 323,б). Растяжки прикреплены к двум плоским пружинам 9 и 12, расположенным во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Кроме рассмотренного выше измерительного механизма с внешним (по отношению к катушке) постоянным П-образным магнитом, существуют механизмы с магнитами другой формы (цилиндрической, в виде призмы, а также с внутрирамочными неподвижными и подвижными магнитами).
Применение прибора.
Приборы магнитоэлектрической системы применяют для измерения тока и напряжения в электрических цепях постоянного тока. В частности, на э.п.с. и тепловозах их используют в качестве амперметров и вольтметров. В амперметрах и вольтметрах катушка прибора имеет различное сопротивление и включается по различным схемам (см. § 101).
Для уменьшения проходящего по катушке тока и компенсации влияния температуры на показания прибора в вольтметрах последовательно с катушкой включают добавочный резистор, который обычно встраивается в корпус прибора. Сопротивление этого резистора значительно больше сопротивления катушки, и он выполнен из материала, электрическое сопротивление которого весьма мало зависит от температуры (константан, манганин и пр.). В амперметрах параллельно катушке прибора часто включают образцовый резистор, называемый шунтом.
Сопротивление шунта значительно меньше сопротивления катушки прибора, вследствие чего измеряемый ток в основном проходит по шунту. Шунты и добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения приборов.
Из принципа действия магнитоэлектрического прибора следует, что направление отклонения его стрелки зависит от направления тока I, проходящего по катушке. Следовательно, при включении этих приборов в цепь постоянного тока должна быть соблюдена правильная полярность, при которой стрелка отклоняется в требуемую сторону.
Для переменного тока магнитоэлектрические приборы непригодны, так как при питании катушки переменным током среднее значение создаваемого ею вращающего момента равно нулю и стрелка прибора будет стоять на нуле, испытывая чуть заметные колебания.
Достоинством приборов магнитоэлектрической системы являются равномерность шкалы, высокая точность и независимость показаний от посторонних магнитных полей. К недостаткам их относятся непригодность для измерения переменного тока, необходимость соблюдения полярности при включении и чувствительность к перегрузкам (при перегрузке тонкая проволока катушки и спиральные пружины, подводящие к ней ток, могут сгореть).