6.2.4. Системы стрелочных приборов

Система стрелочного электроизмерительного прибора – это способ сообщения стрелке прибора вращающего момента, т. е. это характеристика принципа действия прибора. Существует несколько систем приборов, выбор из которых определяется требованиями к измерениям и условиями эксплуатации.

6.2.4.1. Магнитоэлектрические приборы

В этих приборах вращающий момент создаётся взаимодействием рамки с током (а именно – с измеряемым током) с полем постоянного магнита. Эти приборы устроены следующим образом.

На лёгкую рамку намотано несколько десятков витков тонкого провода. К оси рамки прикреплена стрелка и пружинка, удерживающая стрелку в исходном положении. Рамка находится в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками постоянного магнита и железным цилиндрическим барабаном, вокруг которого она может вращаться (рис. 2). В зазоре есть довольно сильное радиальное магнитное полеВ.

При протекании по виткам рамки постоянного тока i (измеряемого тока) на каждую из сторон рамки в зазоре действует сила Ампера

F = N(ilB),

где N – число витков обмотки рамки, l – длина части рамки, лежащей в зазоре. Пара сил F создаёт вращающий момент на рамку

М = Fd,

где d – размер торцевой части рамки. Но поскольку поле В в зазоре радиально, то силы F нормальны к плоскости рамки в достаточно широком диапазоне углов её поворота. Следовательно,

М = Fd = NilBd = (NBS)i,

где S = ld – площадь рамки. Равновесное положение стрелки определяется равенством моментов сил со стороны поля и пружинки, т. е.

(NBS)i = kφ,

где k – жёсткость пружины, φ − угол её закручивания. Таким образом, равновесный угол отклонения стрелки

φ =.

пропорционален току через рамку. Отсюда следует, что приборы магнитоэлектрической системы имеют равномерную шкалу, что является их важным достоинством.

Но наиболее важным достоинством приборов этой системы является их высокая чувствительность, достигающая нескольких наноампер на деление. Это наиболее точные приборы постоянного тока.

Однако, ими нельзя непосредственно измерять переменные токи и напряжения. Кроме того, эти приборы очень нежны: они не выдерживают даже незначительных перегрузок, так как при этом сразу перегорает тончайшая обмотка подвижной системы (рамки).

6.2.4.2. Электромагнитные приборы

Вэлектромагнитных приборах вращающий момент на стрелку создаётся взаимодействием катушки с током (с измеряемым током) и ферромагнитного сердечника, который втягивается в неё. Сердечник подвешен на оси и при втягивании вращает стрелку (рис. 3). К этой же оси прикреплена пружинка, создающая возвращающий момент.

Шкала у этих приборов существенно неравномерна, что является из существенным недостатком. Кроме того, они имеют сравнительно низкую чувствительность и боятся внешних магнитных полей.

Основным же достоинством приборов электромагнитной системы является возможность измерения ими как постоянных, так и переменных токов и напряжений, так как электромагнит будет втягивать сердечник в любом случае. Кроме того, эти приборы сравнительно устойчивы к механическим и электрическим перегрузкам.

6.2.4.3. Электродинамические приборы

Момент на стрелку в этих приборах создаётся взаимодействием неподвижной и подвижной катушек с токами. Приборы электродинамической системы обычно используются в измерителях мощности – ваттметрах. Включая неподвижную катушку как амперметр, т. е. последовательно с нагрузкой, а подвижную – как вольтметр, т. е. параллельно нагрузке, получают отклоняющий момент, пропорциональный произведению тока и напряжения, т. е. мощности, потребляемой нагрузкой.