Общие сведения. Магнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры и кулонметры). Магнитоэлектрические приборы применяют также для измерения или индикации малых токов и напряжений (гальванометры). Кроме того, магнитоэлектрические приборы используют для регистрации электрических величин (самопишущие приборы и осциллографические гальванометры).
Измерительный механизм. Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током. Применяют магнитоэлектрические механизмы с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Наиболее распространен механизм с подвижной катушкой;
Ток к подвижной катушке подводится через две спиральные пружинки. При протекании тока I через подвижную катушку возникает вращающий момент. Мгновенный вращающий момент М=Bswi ⋅ da.
Если ток синусоидальный, то вращающий момент Mi=BswIm sin wt. При этом работа механизма зависит от соотношения частоты тока и частоты собственных колебаний подвижной части механизма. У измерительных механизмов магнитоэлектрических амперметров, вольтметров, омметров период собственных (свободных) колебаний подвижной части примерно одна секунда. Следовательно, отклонение подвижной части измерительного механизма при частоте тока более 10 Гц практически равно нулю. В диапазоне частот до 10 Гц подвижная часть колеблется с частотой входного тока, причем максимальное отклонение зависит от частоты. Поэтому приборы с такими измерительными механизмами применяют в цепях постоянного тока.
При протекании через катушку постоянного тока вращающий момент M=BswI.
Если противодействующий момент создается упругими элементами, a=Bswi/W=S,!,
где Si=Bsw/W — чувствительность, измерительного механизма к. току.
Из выражения следует, что при постоянной индукции В в зазоре угол отклонения подвижной катушки пропорционален току в катушке, а знак угла отклонения меняется при изменении направления тока.
Магнитный шунт в виде пластины из ферромагнитного материала используют для рулировки индукции в воздушном зазоре механизма путем перемещения шунта. При этом происходит перераспределение магнитных потоков через воздушный зазор и шунт. Это необходимо, например, для изменения чувствительности механизма.
В магнитоэлектрических логометрических измерительных механизмах подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек 1и 2, по обмоткам которых протекают токи i 1 и i 2. Ток к катушкам подводится с помощью металлических лент, практически не имеющих противодействующего момента. Моменты Мвр и Мпр, создаваемые взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и токов катушек, направлены навстречу друг другу. Так как хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части, то для этого, например, зазор выполняют неравномерным. В этом случае при равенстве моментов получаем
α = f(i1/i2)
В магнитоэлектрических механизмах осуществляется магнитоиндукционное успокоение за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной катушки при ее перемещении, и поля постоянного магнита и за счет взаимодействия токов, наводимых в цепи катушки, и поля магнита.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют некоторые особенности, которые придают магнитоэлектрическим приборам определенные положительные свойства. Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность и малое собственное потребление энергии, имеют линейную и стабильную номинальную статическую характеристику,что объясняется стабильностью свойств применяемых материалов. У этих механизмов отсутствует влияние электрических полей и мало влияние магнитных полей из-за достаточно сильного поля в воздушном зазоре (0,2— 1,2 Тл). Однако эти механизмы имеют малую перегрузочную способность по току, относительно сложны и дороги. Недостаток их также в том, что обычные механизмы реагируют только на постоянный ток.
Амперметры и вольтметры. В магнитоэлектрических амперметрах измерительный механизм включается в цепь измеряемого тока либо непосредственно, либо при помощи шунта. Непосредственное включение применяется при измерении малых токов (до 30 мА), допустимых для токоподводов (пружинок, растяжек) и обмотки подвижной катушки механизма, т. е. непосредственное включение возможно для микро- и миллиамперметров. При больших токах применяют шунты.
Изменение окружающей температуры влияет на магнитоэлектрический прибор следующим образом.
1. При повышении температуры удельный противодействующий момент пружинок (или растяжек) уменьшается на 0,2— 0,4 % на каждые 10 К; магнитный поток постоянного магнита, а следовательно и индукция в зазоре, уменьшаются приблизительно на 0,2 % на каждые 10 К. Таким образом, эти явления оказывают противоположное влияние на показания прибора и поэтому в приборах малой и средней точности температурное влияние пренебрежимо мало.
2. Изменяется электрическое сопротивление обмотки катушки и токоподводов. Это влияние — основной источник температурной погрешности магнитоэлектрических приборов.
Амперметры без шунта не имеют температурной погрешности. В амперметрах с шунтом температурная погрешность может оказаться значительной вследствие перераспределения токов между шунтом и подвижной катушкой. Для ее уменьшения применяют специальные цепи температурной компенсации, одна из которых показана на рис.. В этом случае температурная погрешность снижается за счет включения последовательно с подвижной катушкой резистора из манганина.
В многопредельных амперметрах для изменения пределов измерения применяют многопредельные шунты. Поэтому многопредельные амперметры снабжают переключателями диапазонов измерений или несколькими входными зажимами.
В магнитоэлектрических вольтметрах для получения нужного диапазона измерений последовательно с измерительным механизмом включают добавочный резистор стабильного сопротивления, например выполненный из манганина.
Влияние температуры на магнитоэлектрический вольтметр зависит от соотношения сопротивления катушки и резистора, а также от температурных коэффициентов электрического сопротивления их.
В многопредельных вольтметрах используют несколько добавочных резисторов. Поэтому многопредельные вольтметры снабжают переключателем диапазонов или несколькими входными зажимами. Пропорциональная зависимость угла отклонения подвижной части от тока в катушке приводит к равномерной шкале у магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.
Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры выпускают переносными и щитовыми. Переносные приборы в большинстве случаев делают высокоточными (классов 0,1 — 0,5), многопредельными (до нескольких десятков пределов) и часто комбинированными (вольтамперметрами). Щитовые приборы выпускают однопредельными классов точности 0,5 — 5.
Омметры. На основе магнитоэлектрического измерительного механизма выпускают магнитоэлектрические омметры: с последовательным включением механизма и объекта исследования, с параллельным включением и с логометрическим измерительным механизмом.
При последовательном включении измерительного механизма и объекта с измеряемым сопротивлением Rx угол отклонения подвижной части измерительного механизма определяется значением Rx. шкалы омметров неравномерны. При последовательном включении максимальному углу отклонения подвижной части соответствует нулевое значение измеряемого сопротивления. Омметры с последовательным включением более пригодны для измерения больших сопротивлений, а с параллельным — малых. Обычно эти омметры выполняют в виде переносных приборов классов точности 1,5 и 2,5.
При питании омметра сухими батареями, у которых напряжение изменяется со временем, путем изменения индукции в зазоре с помощью магнитного шунта поддерживают S/t/= const.
Находят применение омметры с логометрическим измерительным механизмом, где угол отклонения определяется значением Rx и не зависит от напряжения питания.
Для измерения больших сопротивлений и, прежде всего, для измерения сопротивления изоляции различных электротехнических установок, используют омметры, называемые мегомметрами. В этих приборах питание цепи осуществляется от встроенного генератора с ручным приводом.
Гальванометры. Гальванометром называют прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению. Гальванометры широко применяют в качестве нуль-индикаторов, а также для измерения малых токов, напряжений и количества электричества. В последнем случае гальванометр называют баллистическим.
Высокая чувствительность гальванометров достигается, главным образом, путем уменьшения противодействующего момента и использования светового указателя с большой длиной светового луча.
Чувствительность гальванометров выражают отношением перемещения указателя к току (напряжению), вызвавшему это перемещение.
Гальванометры бывают переносные и стационарные. Переносные гальванометры имеют встроенную шкалу. У стационарных гальванометров шкалу устанавливают на некотором расстоянии от прибора. Чувствительность стационарного гальванометра зависит от расстояния между зеркальцем гальванометра и шкалой. Принято выражать чувствительность и постоянную стационарного гальванометра для расстояния, равного 1 м, например, C=1,2•10-6 А⋅м/мм.
Важной характеристикой гальванометра является постоянство нулевого положения указателя. Постоянство характеризуется невозвращением указателя к нулевой отметке при плавном возвращении указателя от крайней отметки шкалы. По этой характеристике гальванометрам присваивают разряд постоянства. Условное обозначение разряда постоянства гальванометра состоит из числа, заключенного в ромб.
Обычно гальванометр имеет корректор для установки нулевого положения указателя.
Гальванометры с подвижной частью на подвесе снабжают арретиром для фиксации подвижной части, например, при переноске прибора.
Ввиду высокой чувствительности гальванометров к различным воздействиям необходимо защищать их от помех. Так, от механических сотрясений гальванометры защищают, устанавливая их на капитальную стену. Для защиты от токов утечки гальванометры снабжают экраном, который заземляют. Стационарные гальванометры обычно снабжают магнитным шунтом. Регулируя положение шунта, можно менять чувствительность гальванометра и внешнее критическое сопротивление.
Внешним критическим сопротивлением гальванометра называют наибольшее сопротивление внешней цепи, на которое замкнута катушка гальванометра и при котором подвижная часть гальванометра во время переходного процесса движется апериодически, но наиболее ускоренно.
Движение подвижной части при носит апериодический характер. Подвижная часть гальванометра приближается к установившемуся отклонению, не переходя его.
В этом случае подвижная часть двигается апериодически, но наиболее ускоренно. Этот граничный случай апериодического движения принято называть движением при критическом успокоении.
Коэффициент успокоения, отвечающий критическому успокоению гальванометра, называют коэффициентом критического успокоения Ркр.
Наиболее благоприятный режим движения подвижной части гальванометра при Р«Ркр (р«1). Этот режим получается при равенстве внешнего критического сопротивления и сопротивления цепи, на которую замкнут гальванометр. Регулируя индукцию В, можно регулировать Рвш. кр, делая его равным сопротивлению внешней цепи. Изменение индукции, а следовательно и изменение внешнего критического сопротивления, производят с помощью магнитного шунта.
Так как установившееся отклонение подвижной части теоретически достигается через бесконечно большой промежуток времени, то на практике принято считать отклонение установившимся, когда подвижная часть достигает этого отклонения с некоторой погрешностью. Обычно эту погрешность принимают равной ±(0,1—1) % от максимального отклонения.
Баллистические гальванометры. Гальванометры, предназначенные для измерения количества электричества импульса тока и отличающиеся увеличенным моментом инерции, называют баллистическими.
Допущение о неподвижности подвижной части до окончания действия импульса выполняется тем точнее, чем больше момент инерции подвижной части гальванометра и, следовательно, больше период собственных колебаний То. Для баллистических гальванометров То составляет десятки секунд (для обычных гальванометров — единицы секунд).
Кулонметры. Кулонметры — приборы для измерения количества электричества в импульсе тока. В этих приборах используется магнитоэлектрический измерительный механизм без противодействующего момента. Подвод тока к подвижной катушке осуществляется посредством безмоментных токоподводов. Обмотка катушки наматывается на алюминиевый каркас, в котором при движении катушки появляется ток, создающий момент успокоения.
Для измерения количества электричества, протекающего в течение длительного времени, используют счетчики количества электричества (счетчики ампер-часов). Магнитоэлектрические счетчики ампер-часов представляют собой электрические двигатели специальной конструкции со счетным механизмом, у которых частота вращения подвижной части пропорциональна току, а число оборотов за определенный интервал времени соответствует количеству электричества за этот интервал.
Класс точности 0,5.