Магнитоэлектрические приборы

Магнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчётным устройством и измерительной цепи.

Эти приборы применяются для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры и кулонметры).

Магнитоэлектрические приборы применяют также для измерения и индикации малых токов и напряжений (гальванометры).

Кроме того, магнитоэлектрические приборы используют для регистрации электрических величин (самопишущие приборы и осциллографы).

Измерительный механизм.

Вращающий момент в измерительном механизме возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током.

Наиболее распространён механизм с подвижной катушкой, где 1 - постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – полюсные наконечники; 4 - неподвижный сердечник; 5 – спиральная пружина; 6 – подвижная катушка; 7 – магнитный шунт; 8 – указатель.

Ток к неподвижной катушке подводится через две спиральные пружины.

При протекании тока через подвижную катушку возникает вращающий момент, мгновенное значение которого определяется как

, (1)

где - энергия электромагнитного поля измерительного механизма, которая соответственно равна:

, (2)

где - индукция в воздушном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками; - площадь катушки; - число витков обмотки катушки; - угол поворота катушки; - мгновенное значение тока.

Мгновенный вращающий момент:

. (3)

Т.к. у измерительных механизмов данной системы собственная частота колебаний равна (т.е. ), то отклонение подвижной части ИМ при >10 Гц практически равно нулю ().

Рисунок 18. -????

В диапазоне частот до 10 Гц подвижная часть колеблется с частотой входного тока, причём максимум отклонения зависит от частоты.

Поэтому приборы с таким измерительными механизмами применяют в цепях постоянного тока.

При протекании через катушку постоянного тока вращающий момент

. (4)

Если противодействующий момент создаётся элементом, например спиральной пружиной, то

, (5)

где - удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

С учётом (4) и (5) угол отклонения найдём в виде (т.е. )

. (6)

Выражение называется чувствительностью механизма или постоянной прибора, т.к. зависимость является линейной при постоянной индуктивности .

Магнитный шунт 7 в виде пластины из ферромагнитного материала используют для регулировки индукции в воздушном зазоре механизма путём перемещения шунта.

Рисунок 19. -????

В магнитоэлектрических логометрических механизмах подвижная часть выполняется в виде двух жёстко скреплённых между собой катушек, по обмоткам которых протекают токи и . Моменты и направлены навстречу друг другу. Т.к. хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части, то для этого, например, зазор выполняют неравномерным.

Видно, что у логометров противодействующий момент создаётся не механическим, а электрическим путём.

Соблюдается зависимость .

Подвижную катушку магнитоэлектрического ИМ изготовляют на токи не более 150-200 мА, т.к. большие токи увеличивают нагрев растяжек или спиральных пружин, создающих противодействующий момент.

Магнитоэлектрический амперметр.

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрического прибора по току используют масштабные преобразователи – шунты.

Рисунок 20. -????

Шунт имеет две пары выводов. К внешним выводам А и В подключают концы цепи с измеряемым током (токовые зажимы). К внутренним выводам (потенциальным зажимам) присоединяют прибор.

При измерении тока, величина которого в n раз больше номинального тока прибора сопротивления шунта может быть определено из соотношения:

.

Величину называют коэффициентом шунтирования; - предел измерения амперметра.

Шунты к магнитоэлектрическим приборам изготавливают индивидуальными, встроенными в прибор, или калиброванными взаимозаменяемыми.

Калиброванные шунты изготавливаются на номинальные напряжения 45, 60, 75, 100 и 300 мВ.

В зависимости от точности подгонки шунты делятся на классы 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

При подключении шунта погрешность показаний амперметра возрастает. Это объясняется тем, что при изменении температуры и неизменном значении измеряемого тока, сопротивление измерителя меняется на , сопротивление шунта из манганина остаётся прежним.

Для уменьшения погрешности пользуются различными методами температурной компенсации: например, в цепь рамки включают термосопротивления с обратным температурным коэффициентом.

Магнитоэлектрический вольтметр.

Рисунок 21. -????

Чтобы измерить магнитоэлектрическим прибором напряжение, необходимо его шкалу проградуировать в единицах напряжения, представляющего собой падение напряжения на сопротивлении измерителя.

.

Для расширения пределов измерения пользуются добавочным сопротивлением, которое включается последовательно с прибором. Величину этого сопротивления определим из выражения:

,

,

,

где - коэффициент добавочного сопротивления; - допустимое напряжение на обмотках ИМ.

Шунты и добавочные сопротивления являются простейшими измерительными преобразователями.

Калиброванные добавочные сопротивления делятся на классы 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 и изготавливаются на номинальные токи 0,5; 1,0; 3; 7,5; 15 и 30 mА.

Магнитоэлектрический омметр.

Магнитоэлектрический прибор является частью омметра, с помощью которого непосредственно и быстро измеряют электрические сопротивления. Омметры выполняют по последовательной и параллельной схемам.

Рисунок 22. -???

Омметр, выполненный по последовательной схеме состоит из магнитоэлектрического миллиамперметра, добавочного резистора и источника питания (сухая батарея).

К выходным зажимам подсоединяют измеряемое сопротивление .

Шкалу прибора градуируют непосредственно в Омах, т.к. угол перемещения стрелки при постоянном питающем напряжении зависит только от величины

. (7)

При получается максимальное перемещение стрелки, а при (случай разрыва) её перемещение равно нулю.

Поэтому шкала рассматриваемого омметра имеет нулевую отметку справа.

Рисунок 23. – Шкала

Омметр с последовательной схемой применяется для измерения сопротивлений выше 1000 Ом.

Рисунок 24. -???

Омметр с параллельной схемой состоит из тех же элементов.

Угол перемещения находится в следующей зависимости от измеряемого сопротивления:

. (8)

При наблюдают нулевое отклонение стрелки, а при - максимальное. Омметр с параллельным включением применяют для измерения сопротивлений выше 1000 Ом.

Как видно из формул (7) и (8) шкалы омметров неравномерны. Класс точности 1,5 и 2,0.

Недостаток: зависимость от напряжения источника питания.

Магнитоэлектрический мегомметр.

Источником питания служит генератор постоянного тока, ротор которого приводят во вращение.

Рисунок 25. -???

Измерительным механизмом является магнитоэлектрический логометр, угол перемещения подвижной части которого пропорционален отношению величине токов в катушках

.

Поэтому угол перемещения

,

является функцией измеряемого сопротивления.

Промышленность выпускает омметры и мегомметры с различным диапазоном измерения.

Так, омметр М371 имеет четыре диапазона: 10-100 Ом, 100-1000 Ом, 1000-10000 Ом, 100 кОм-10 Мом, класс точности 1,5.

Мегомметр М410015 имеет два диапазона измерений 0-2 Мом, 0-1000 Мом, класс точности 1.

Гальванометры.

Гальванометрами называют высокочувствительные приборы, которые обычно имеют неградуированную шкалу.

Цену деления шкалы (постоянную гальванометра) определяют экспериментально или по паспортным данным.

Гальванометры применяют для измерения малых токов, напряжений, количества электричества или в качестве нулевых индикаторов при установлении наличия или отсутствия тока, напряжения в электрической цепи.

Отсчётное приспособление у гальванометров может быть стрелочным или зеркальным.

Чувствительность гальванометров зависит от способа установки подвижной части: невысокая – керны, средняя – растяжки, высокая – подвесы.

Диапазон измеряемых токов А.

Рисунок 26. -???

Наиболее распространены гальванометры с подвижной рамкой. Бескаркасная рамка 1 подвешена на упругой нити 2. Ток к рамке подаётся с двух сторон – через металлическую ленточку 4 и подвес 2. Угол поворота рамки измеряется оптическим методом с помощью зеркальца 3 объективным или субъективным способами.

Рисунок 27. –???

а) – объективный способ; б) – субъективный способ

Движение подвижной части описывается в общем виде уравнением

, (9)

где - момент инерции подвижной части, - ускорение, в сумму входят - вращающий момент при , при , , момент успокоения (минусы показывают, что эти моменты направлены против вращающего момента).

После подстановки в (9) имеем:

, (10)

где - коэффициент успокоения, равный (при электромагнитном демпфере):

. (11)

Для установившегося состояния, когда рамка гальванометра отклонится на конечный угол уравнение (10) примет вид

.

Решение дифференциального уравнения (10) как известно, состоит из суммы двух решений: частного решения и общего решения без правой части при заданных начальных условиях

. (12)

Общее решение имеет вид функции

,

где и - постоянные интегрирования, - корни характеристического уравнения

,

.

При < корни будут мнимые и разные;

при > - вещественные и разные;

при = - вещественные и равные.

После подстановки в (12) корней характеристического уравнения и определения постоянных интегрирования можно получить три характерных решения , которые представлены на графике.

Рисунок 28 – Переходные процессы в гальванометрах

1) При малых ( < ) рамка гальванометра совершает затухающие колебания вокруг положения равновесия, определяемого .

2) При больших ( > ) движение рамки будет апериодическим.

3) граничным между этими состояниями колебательной системы будет = = , которое называется критическим успокоением. В этом случае рамка придёт к положению равновесия за минимальное время.

Из уравнения (11) следует, что соответствует значение - полное критическое сопротивление, которое является одной из важнейших характеристик гальванометра и всегда указывается в его маркировке.

Отношение

называется степенью успокоения.

Т.о. изменяя сопротивление цепи гальванометра можно получить различные режимы его работы. Из опыта известно, что , при котором время успокоения минимально.

При колебания рамки будут незатухающими или свободными. Период собственных колебаний рамки гальванометра равен

.

Гальванометры магнитоэлектрической системы с подвижной катушкой могут применяться и для измерения импульсов тока – малых количеств электричества (баллистический гальванометр).

Кратковременное протекание тока через рамку гальванометра создаёт импульсный момент вращения, под действием которого рамка будет двигаться по инерции и после того, как прекратится прохождение тока.

Если время импульса тока мало по сравнению с периодом , то первый баллистический отброс будет пропорционален количеству электричества

,

где - баллистическая чувствительность.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: