Приборы
Магнитоэлектрической системы
Действие приборов магнитоэлектрической системы основано на
взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и
измеряемого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки,
помещенной в этом магнитном поле (рисунок 1).
Основными частями прибора являются постоянный магнит 2,
между полюсами 1 которого укреплен ферромагнитный сердечник 3
цилиндрической формы. Сердечник предназначен для уменьшения
магнитного сопротивления между полюсами и обеспечения
равномерного распределения магнитного потока в воздушном зазоре.
В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и
сердечником расположена катушка 4, которая жестко связана с осью
и стрелкой, перемещающейся своим концом по шкале прибора. При
прохождении тока через катушку возникает магнитное поле, которое
взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита.
Электромагнитный вращающий момент, действующий на
катушку, пропорционален силе тока и магнитной индукции в
воздушном зазоре. Так как магнитное поле в воздушном зазоре
распределено равномерно и направлено радиально, а
противодействующий момент, создаваемый пружинами,
пропорционален углу поворота подвижной части прибора, то угловое
отклонение стрелки пропорционально измеряемому току, то есть
α=SI, где S - чувствительность прибора.
рисунок 1
Достоинства приборов магнитоэлектрической системы:
высокая чувствительность, большая точность, относительно
небольшое влияние внешних магнитных полей, малое
потребление энергии, малое влияние температуры,
равномерность шкалы.
Недостатки: работает в только цепи постоянного тока,
чувствителен к перегрузкам, высокая стоимость, обусловленная
сложностью конструкции.
Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы
предназначаются для измерения силы тока и напряжения в качестве
амперметров и вольтметров. Магнитоэлектрический прибор является
составной частью омметра, с помощью которого непосредственно
измеряют электрическое сопротивление.
Применяя термопреобразователи и выпрямители,
магнитоэлектрические приборы используют для измерений в цепях
переменного тока.
Почти все технические измерения в цепях постоянного тока
осуществляются приборами данной системы. Лишь в немногих
случаях, когда значение имеет не точность, а дешевизна и надежность
приборов, постоянный ток измеряется электроизмерительными
приборами электромагнитной системы.
Электромагнитной системы
Действие приборов электромагнитной системы основано на
взаимодействии магнитного поля тока неподвижной катушки 1 и
сердечника 2 из ферромагнитного материала, выполненного в форме
пластины (рисунок 2). Созданное измеряемым током магнитное поле
катушки намагничивает сердечник и втягивает его в катушку,
поворачивая при этом стрелку, укрепленную на одной оси с сердечником.
рисунок 2
При изменении направления тока в катушке меняются и
магнитные полюса сердечника, следовательно, направление
перемещения подвижной части остается неизменным, и прибор
оказывается пригодным для измерения в цепях как постоянного, так и
переменного токов.
Угол поворота α стрелки прибора определяется по
формуле:
,где
I - ток, протекающий по катушке,
L - индуктивность катушки,
k - постоянный коэффициент.
Противодействующий момент создается пружиной 3; воздушный
успокоитель 4 обеспечивает плавное перемещение стрелки.
Противодействующий момент создается пружиной 3; воздушный
успокоитель 4 обеспечивает плавное перемещение стрелки.
Так как угол поворота стрелки пропорционален квадрату силы
тока, а производная индуктивности катушки является величиной
непостоянной, то шкала прибора оказывается неравномерной.
Достоинства приборов электромагнитной системы: пригодность
для работы в цепях постоянного и переменного токов, простота и
надежность конструкции, дешевизна, устойчивость к перегрузкам.
Недостатки: чувствительность к внешним магнитным полям,
сравнительно большая потребляемая мощность, относительно низкие
чувствительность и точность.
Область применения: в качестве амперметров и вольтметров для
технических измерений. В лабораторных приборах высокого класса точности для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяют экранирование.
Электродинамической и ферродинамической систем.
Действие приборов электродинамической и ферродинамической
систем основано на взаимодействии магнитных полей двух катушек,
по которым проходят токи.
Различие приборов электродинамической и ферродинамической
систем заключается в отсутствии и наличии соответственно
ферромагнитных сердечников у катушек.
На рисунке 3 схематически показано устройство электроприбора
электродинамической системы. Катушка 2 неподвижна, катушка 1
имеет возможность поворачиваться на оси 3. Ток i2 к подвижной
катушке подводится при помощи двух спиральных пружин, служащих
одновременно и для создания противодействующего момента.
рисунок 3
Угол поворота α подвижной катушки и связанной с ней стрелки
пропорционален произведению токов подвижной I2 и неподвижной I1
катушек, т.е.
α = kI 1 I 2,
где k - постоянный коэффициент.
Приборы этих систем могут работать как в цепях постоянного
тока, так и переменного, поскольку направление магнитных полей
обеих катушек меняется синхронно и, следовательно, направление
вращающего момента и перемещения стрелки не меняется; при этом
угол α будет дополнительно пропорционален косинусу угла ϕ
сдвига фаз токов катушек, т.е. α = kI1 I2 cos ϕ.
Наличие двух катушек у приборов электродинамической и
ферродинамической систем дает возможность включать каждую из
них в разные участки электрической цепи, что позволяет измерить не
только отдельные величины (например, ток или напряжение), но и
величины, пропорциональные их произведению, например, мощность.
Если неподвижную катушку включить последовательно в цепь с
нагрузкой, а подвижную - параллельно нагрузке, то ток в первой из
них будет равен току нагрузки, а во второй будет пропорционален
напряжению, приложенному к нагрузке. В этом случае выражение для
угла поворота стрелки примет вид
,
где R2 - сопротивление обмотки подвижной катушки,
Р =UI cosϕ - активная мощность.
Так как в приборах электродинамической системы используют
магнитные потоки, действующие в воздухе, то исключается
возможность возникновения различного рода погрешностей,
связанных с вихревыми токами, гистерезисом и т.п.
Благодаря этому они обладают рядом достоинств, основные из
которых: относительно высокая точность и пригодность для
измерений в цепях постоянного и переменного токов.
Однако действующие в приборах электродинамической системы
магнитные поля относительно слабы, что обуславливает ряд их
недостатков, а именно: повышенная потребляемая мощность
(повышенные токи в катушках), необходимая для создания
достаточных магнитных потоков и, следовательно, вращающего
момента; повышенная чувствительность к внешним магнитным
полям, что требует применения защитных экранов; низкая
перегрузочная способность и, как следствие, относительно высокая
стоимость.
Приборы электродинамической и ферродинамической систем
используются в качестве измерителей силы тока –
амперметров, напряжения - вольтметров, мощности - ваттметров и
сдвига фаз -фазометров.