Электромагнитные измерительные преобразователи и приборы

Основной составной частью электромагнитных приборов является электромагнитный измерительный механизм (преобразователь, рис. 8.9), в котором вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки 1, по которой протекает измеряемый ток, и ферромагнитного сердечника 2, эксцентрически закрепленного на оси подвижной части 4. Ферромагнитный сердечник изготавливается из материалов с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (электротехническая сталь, пермаллой).

Рисунок 8.9 – Устройство электромагнитного измерительного механизма

Противодействующий момент создается, как правило, механическим путем с помощью пружины 3. Успокоение обеспечивается либо воздушным успокоителем 5, либо магнитоиндукционным путем. Условное обозначение электромагнитных приборов представлено в табл. 8.1. По существовавшей до недавнего времени классификации в названии типа прибора используется буква Э (например, Э545).

При протекании по катушке тока i сердечник намагничивается и втягивается в зазор катушки, при этом электромагнитная энергия катушки

где L – собственная индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника.

Мгновенный вращающий момент в соответствии с выражением (8.2) составит:

При протекающем по катушке постоянном токе / вращающий момент

Если ток синусоидальный (i = I_m sin ωt), то мгновенное значение вращающего момента

Как видно из выражения (8.20), мгновенный вращающий момент имеет по­стоянную и гармоническую составляющие. При этом на частотах свыше 10 Гц подвижная часть измерительного механизма в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения тока. Вследствие этого угол поворота подвижной части будет определяться средним за период Г значением вращающе­го момента

где I – действующее значение измеряемого синусоидального тока.

Если по катушке протекает периодический ток с периодом T несинусоидальной формы, который аналитически может быть представлен в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим составляющим

где I₀ – постоянная составляющая; k – номер гармоники; I_mk – амплитуда k-й гар-2л

моники; – начальная фаза k-й гармоники, то, согласно (8.21), получим для среднего значения вращающего момента следующее выражение:

Здесь I₀, I₁, I₂. – постоянная составляющая и действующие значения гармонических составляющих тока соответственно; I – действующее значение переменного несинусоидального тока.

Поскольку противодействующий момент создается упругим элементом, то в соответствии с (8.3) и (8.7) угол поворота подвижной части (для всех трех рассмотренных видов тока)

Из выражения (8.22) вытекает следующее:

• зависимость угла поворота подвижной части от тока нелинейна;

• поворот подвижной части одинаков как при постоянном, так и при переменном токе, имеющем действующее значение, равное значению постоянного тока;

• показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого тока.

Линейную зависимость угла поворота а от тока получают для значительной части рабочего диапазона показаний, изготавливая сердечник специальной формы, при которой является требуемой функцией α.

Основная область применения электромагнитных измерительных механизмов – это измерение токов (амперметры) и напряжений (вольтметры) промышленной частоты.

В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в цепь измеряемого тока. Щитовые амперметры выпускают с одним диапазоном измерений, переносные, как правило, имеют несколько поддиапазонов. Переход от одного поддиапазона к другому осуществляется переключением секций обмотки катушки, включаемых последовательно или параллельно. При измерении больших переменных токов используют измерительные трансформаторы тока.

Промышленность выпускает переносные амперметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 5 мА до 10 А для частот до 1500 Гц (например, Э539); щитовые амперметры классов точности 1,5 и 2,5 для токов до 300 А со встроенными трансформаторами тока и до 10 кА с наружными трансформато­рами тока (например, ЭА0702).

Электромагнитный вольтметр состоит из электромагнитного измерительного механизма и включенного последовательно с ним добавочного резистора, предназначенного для обеспечения необходимого диапазона измерений. Верхние пределы измерений изменяют подключением различных добавочных резисторов, а при измерении больших переменных напряжений – с помощью измерительных трансформаторов напряжения.

Угол поворота подвижной части электромагнитного вольтметра

где Z – полное сопротивление цепи вольтметра (катушки и добавочного резистора).

Промышленностью выпускаются переносные вольтметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 1,5 до 600 В в диапазоне частот 45–100 Гц (например, Э545); щитовые вольтметры классов точности 1,5 и 2,5 с верхними пределами измерений от 0,5 до 600 В при непосредственном включении и до 600 кВ – с трансформаторами напряжения для частот от 45 до 1000 Гц (например, ЭВ0702).

Основными достоинствами электромагнитных приборов следует считать возможность работы в цепях как постоянного, так и переменного тока; независимость показаний от формы кривой измеряемой величины; простота конструкции и, как следствие, высокая надежность и низкая стоимость; способность выдерживать большие перегрузки по току, что объясняется отсутствием токоподводов к подвижной части.

К их недостаткам относят малую точность и низкую чувствительность, большое собственное потребление мощности, узкий диапазон рабочих частот (индуктивное сопротивление катушки с ростом частоты увеличивается, что уменьшает чувствительность измерительного механизма и угол отклонения подвижной ча­сти), а также то, что шкала электромагнитных приборов обычно равномерна в пределах 25-100 %.

На работу электромагнитных измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля (поскольку собственное магнитное поле слабое). Для устранения этого влияния применяют магнитное экранирование (измерительный механизм помещают внутрь замкнутой оболочки из ферромагнитного материала, чаще всего – из пермаллоя), иногда используют астатическую конструкцию приборов, на которую внешние (особенно равномерные) поля действуют значительно слабее, чем на обычные механизмы. Кроме того, при измерении применяют метод взятия двух отсчетов: первый отсчет берется при нормальном положении прибора, а второй – при развернутом на 180° в горизонтальной плоскости – с последующим вычислением среднего значения.

При использовании электромагнитных приборов в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника, проявляю­щаяся в неодинаковости показаний при увеличении и уменьшении измеряемой величины (тока или напряжения).

В электромагнитных приборах погрешности возникают при изменении температуры окружающей среды и частоты протекающего тока. В амперметрах температурная погрешность связана с изменением упругости пружинок, создающих противодействующий момент, что особенно сильно сказывается в приборах классов точности 0,2; 0,1. В вольтметрах температурная погрешность обусловлена изменением полного сопротивления цепи вольтметра. Частотная погрешность амперметров возникает вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях измерительного механизма, в которые проникает магнитный поток катушки. У электромагнитных вольтметров частотная погрешность выше, чем у амперметров, что объясняется зависимостями от частоты сопротивлений катушки и добавочного резистора.

Электромагнитные логометры до недавнего времени применялись в частотомерах, однако сильная зависимость показаний от частоты не позволяла изготовлять их с классом точности выше 1,5, поэтому в настоящее время они практиче­ски вытеснены гораздо более точными цифровыми частотомерами.