9 Электромагнитные им

Работа электромагнитных измерительных механизмов основана на взаимодействии магнитного поля созданного неподвижной катушкой, по обмотке которой протекает измерительный ток с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, укрепленными на оси. Наибольшее распространение получили конструкции измерительных механизмов с плоской катушкой, круглой катушкой и с замкнутым магнитоприводом. На рисунках 5.6 и 5.7 показан электромагнитный механизм с плоской катушкой и его структурная схема.

При протекании тока через катушку сердечника намагничивается и втягивается в зазор катушки.

Вращающий момент в этом случае будет равен:

;

где W_эм– энергия электромагнитного тока катушки с сердечником

L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника.

При постоянном токе:

1 – ось; 2 – стрелка; 3 – катушка, по которой протекает ток; 4 – эксцентрически укрепленный на оси ферромагнитный сердечник; 5 – пружины для создания противодействующего момента; 6 – воздушный уплотнитель.

При переменном синусоидальном токе среднее значение вращающего момента будет равно:

;

где – действующее значение тока

Угол отклонения подвижной части измерительного механизма определяется из равенства:

Из этого выражения следует, что зависимость угла отклонения подвижной части от тока не линейна, и что поворот подвижной части одинаков как при постоянном токе, так и при переменном токе, если действующее значение тока равно значению постоянного тока.

Шкала данного прибора в начале сжата, а в конце растянута. Линейную зависимость угла отклонения  от тока для значительной части рабочего диапазона отклонения получают путем изготовления сердечника специальной формы, при котором отношение является требуемой функцией .

Ввиду того, что угол отклонения  является функцией тока в квадрате, знак угла поворота не зависит от направления тока в катушке, поэтому электромагнитные приборы пригодны для измерения постоянного и переменного тока.

Для обеспечения зависимости направления перемещения подвижной части от полярности сигнала в обмотку возбуждения в магнитную цепь измерительного механизма вводятся постоянные магниты. Такой электромагнитный механизм называется поляризованным. На рисунке 10 показана структурная схема такого механизма.

Достоинства электромагнитных механизмов:

- простота конструкции

- дешевизна

- надежность в работе

- способность выдерживать большие нагрузки

- работа в цепях постоянного и переменного тока

Недостатки

- малая точность;

- низкая чувствительность;

- значительное потребление мощности;

- неравномерность шкалы;

- подвержен влиянию магнитных полей и температуры.

10 Электродинамические им

Принцип действия электродинамического измерительного механизма основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек с током: - неподвижной и подвижной.

На рисунках 5.9 и 5.10 показан электродинамический измерительный механизм его структурная схема.

Этот механизм имеет две неподвижные катушки 1 (см. рис. 6), соединенные последовательно и разделенные воздушным зазором, а также подвижную катушку 2, соединенную со стрелкой посредством оси 3.

Ток к подвижной катушке подводится через пружинки (как и в магнитоэлектрическом механизме), создающие противодействующий момент.

Успокоение создается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем 4. При протекании токов, в обмотках катушек измерительного механизма возникает момент, поворачивающий подвижную часть. Электромагнитная энергия двух катушек с токами будет равна:

где L₁ и L₂ – индуктивности неподвижной и подвижной катушек;

M_1,2 – взаимоиндуктивность неподвижной и подвижной катушек;

i₁ и i₂ – токи в катушках.

В этих механизмах индуктивность L₁ и L₂ не зависит от угла поворота подвижной части, поэтому вращающий момент, равный как отношение производной от электромагнитной энергии W_эм по углу отклонения  будет равен:

.

При протекании через катушки постоянных токов вращающий момент будет равен:

.

При протекании через катушки переменных токов синусоидальной формы и , средней вращающий момент будет равен:

.

где I₁ и I₂ – действующее значение токов;

 - угол сдвига фаз между токами I₁ и I₂

Из равенства между вращающим и противодействующим найдем угол отклонения подвижной части.

Для постоянного тока угол  будет равен:

Для переменного тока:

Достоинства электродинамических измерительных механизмов:

- работа в цепях постоянного и переменного тока с частотой до 10Гц;

- значительная точность измерений;

- стабильность показаний.

Недостатки:

- воздействие внешних магнитных полей;

- низкая чувствительность по сравнению с магнитоэлектрическими механизмами

- большая собственная потребляемая мощность

- малая прегрузочная способность

- относительно сложная конструкция

- дорога в изготовлении

11 Ферродинамические ИМ

Механизмы ферродинамической системы отличаются от электродинамических тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитного листого материала. На рисунке 5.11 и 5.12 показана схема ферродинамического измерительного механизма его структурная схема.

Благодоря наличию магнитопровода 2, магнитное поле, и следовательно вращающий момент существенно возростает. Поэтому магнитодвижущая сила катушки возростает и, поэтому сильно уменьшается собственное потребление мощности механизма.

Подвижная катушка выполняется бескаркасной во избежания появления в каркасе индуцированных токов.

Собственное магнитное поле в ферродинамическом механизме очень сильное, поэтому внешние магнитные поля оказывают слабое воздействие, тем более, что магнитопровод является своеобразным экраном.

Успокоители могут быть магнитоиндукционными или жидкостными. Наличие сердечников вызывает дополнительную погрешность; обусловленную гистерезисом.

Несмотря на то, что в ферродинамическом механизме сердечник набирается из пластин электродинамической стали или пермалоя, которые для уменьшения погрешности изолируются, данный механизм менее точен, чем электродинамический.

Формулы погрешности для электродинамических механизмов справедливы для ферродинамических механизмов. Но т.к. в воздушном зазоре, где перемещается подвижная катушка, магнитное поле равномерное и радиальное, то отношение

Тогда формула вращающего момента для электродинамического механизма для данной системы ,будет иметь вид:

;

где С – коэффициент, определяемый конструкцией прибора и выбором системы единиц;

В₁– индукция магнитного поля создаваемая током I₁;

 - угол между I₂ и В_1.

Ток I₁ заменим на индукцию В₁ в этой формуле, так как они прямо пропорциональны. Угол сдвига между током I₁ и индукцией В₁ очень мал, поэтому формула момента вращения примет вид:

;

Угол поворота подвижной рамки будет равен:

;

Достоинства ферродинамического измерительного механизма: по сравнению с электродинамическим ИМ следующие:

- меньшая восприимчивость к воздействию внешних магнитных полей

- меньшее потребление мощности

Недостатки:

- меньшая точность

- частотный диапазон уже