2.2. Магнитоэлектрические измерительные приборы

Магнитоэлектрические измерительные приборы занимают приоритетное положение в группе электромеханических измерительных приборов вследствие того, что имеют наибольшую точность и чувствительность, применяются в основном на постоянном токе. Для применения на переменном токе они требуют дополнительных входных измерительных преобразователей, которые преобразуют переменный ток в постоянный. Эти приборы широко применяются в инженерной практике в качестве амперметров, вольтметров, омметров как самостоятельные измерительных приборы, а также в виде встроенных измерительных устройств в других аналоговых измерительных приборах. Например: в электронных вольтметрах, в измерительных генераторах сигналов, тестерах и т.д.

Вращающий момент в таких измерительных приборах создается в результате взаимодействия двух магнитных полей, а именно - поля постоянного магнита и поля катушки с током, размещённой в поле постоянного магнита. Катушка с током обычно имеет прямоугольную форму, вследствие чего получила название рамки.

Рассмотрим в упрощённом виде устройство (рис.5) и принцип действия магнитоэлектрических приборов:

Рис.5

1- постоянный магнит;

2- магнитопровод;

3- полюсные наконечники;

4- неподвижный постоянный магнит цилиндрической формы;

5- вращающаяся рамка;

6- стрелочный указатель;

7- спиральные пружинки;

8- шкала.

Между полюсными наконечниками создаётся сильное радиально направленное магнитное поле, в котором размещается рамка с током. Рамка представляет собой алюминиевый каркас прямоугольной формы, по периметру которого размещена обмотка, выполненная из алюминиевого или медного изолированного провода.

Ток к обмотке рамки подводится через систему упругих элементов, которые конструктивно представляют собой спиральные пружинки выполненные чаще всего из оловянистой бронзы. При пропускании через катушку рамки измеряемого тока вокруг рамки также создаётся магнитное поле. Рамка закреплена на оси неподвижного сердечника цилиндрической формы, который называется внутрирамочным магнитом. В результате взаимодействия двух указанных магнитных полей рамка совершает вращательные движения относительно внутрирамочного магнита. На оси вращения рамки размещён жестко связанный с ней стрелочный указатель, который при вращении рамки перемещается над шкалой. Спиральные пружинки предназначены для создания уравновешивающего (противодействующего) момента, а момент успокоения создаётся в результате возникновения вихревых токов в алюминиевом каркасе рамки. Такой вид успокоителей называется магнитоиндукционным.

В магнитоэлектрических логометрах на внутрирамочном магните размещены две рамки, первая выполняет основное назначение, а вторая создаёт уравновешивающий момент электрическим путем.

Момент вращения в магнитоэлектрических измерительных механизмах пропорционален магнитной индукции , площади рамки , количеству витков обмотки и протекающему току :

где - угол поворота подвижной части относительно неподвижной.

- уравнение движения подвижной части (номинальная статическая характеристика, или уравнение шкалы), где - чувствительность к току.

Зависимость между углом поворота подвижной части и током – линейная, т.к. =const.

Линейность уравнения движения подвижной части измерительного прибора обуславливает равномерность шкалы прибора. Из уравнения движения следует, что направление движения стрелки зависит от направления протекания тока, поэтому при использовании таких приборов необходимо соблюдать полярность.

Рассмотрим достоинства и недостатки магнитоэлектрических измерительных приборов.

К достоинствам относят следующие свойства:

1) высокая чувствительность, что обусловлена сильным собственным внутренним магнитным полем (десятки-сотни микроампер). Чувствительность принято характеризовать током полного отклонения рамки;

2) высокая точность. Класс точности таких приборов достигает 0,05. Это свойство обусловлено концентрацией сильного магнитного поля в узком воздушном зазоре между полюсами наконечника;

3) малое собственное потребление мощности (), что обуславливает слабое влияние измерительного прибора на свойства объекта измерения;

4) нечувствительность к воздействию внешних магнитных полей, т.е. высокая помехозащищенность, что обусловлено сильным собственным магнитным полем.

Недостатки:

1) достаточно сложное конструктивное устройство, что приводит к высокой стоимости;

2) низкая способность к перегрузкам по току, обусловлена тем, что при перегрузке перегорают спиральные пружинки;

3) непригодность к работе в цепях переменного тока без дополнительных измерительных преобразователей, преобразующих переменный ток в пульсирующий или постоянный;

4) эти приборы влияют на рядом расположенную аппаратуру, из-за сильного собственного магнитного поля. Для устранения этого недостатка приборы экранируют;

5) эти приборы, по своей сути, - микроамперметры, то есть для измерения напряжения необходимо дополнительный измерительный преобразователь;

6) для расширения пределов измерения необходимо применение дополнительных измерительных преобразователей (шунтов и добавочных сопротивлений).