2. Магнитоэлектрические измерительные приборы

Принцип действия магнитоэлектрических измерительных приборов состоит во взаимодействии магнитного поля проводника, по которому протекает измеряемый электрический ток, с магнитным полем постоянного магнита.

Наиболее распространенными являются магнитоэлектрические измерительные приборы (рисунок 2, а), в которых проводник представляет собой легкую подвижную рамку (катушку), укрепленную на оси и состоящую из нескольких десятков витков тонкого покрытого лаком медного провода.

Рамка размещена в кольцевом зазоре, в котором с помощью сильного постоянного магнита создается однородное магнитное поле за счет соответствующей (рисунок 2, б) конструкции полюсных наконечников и сердечника.

Измеряемый сигнал подводится к рамке через пружины (подводка на рисунке 2,а для упрощения изображения не показана). При взаимодействии магнитного поля рамки с магнитным полем постоянного магнита на рамку действует вращающий момент M₁. В статике действие этого вращающего момента уравновешивается моментом М₂ упругой деформации пружин. Значение измеряемой величины определяется углом поворота  рамки, оси и стрелки и отсчитывается по положению стрелки на шкале.

Моменты M₁ и М₂ описываются выражениями:

где k₁ ‑ коэффициент, зависящий от ширины, длины и числа витков рамки; В ‑ магнитная индукция в зазоре между сердечником и полюсными наконечниками; I ‑ сила тока, протекающего через рамку; k₂ ‑ коэффициент, зависящий от размеров пружин; Е — модуль упругости.

В положении равновесия М₁ = М₂. Из этого условия и приведенных выше выражений находим:

где K ‑ чувствительность магнитоэлектрического прибора по току.

На рисунке 2, в показано условное обозначение магнитоэлектрических приборов на электрических схемах.

Изменение показаний магнитоэлектрических приборов может быть вызвано изменением температуры окружающей среды, так как рамка прибора изготовлена из медной проволоки, сопротивление которой существенно (примерно 0,4 % на 1 °С) изменяется от температуры.

Для уменьшения зависимости показаний магнитоэлектрических приборов от температуры применяют различные схемы температурной компенсации. Наиболее простая из этих схем показана на рис. 2, г. Здесь последовательно с рамкой, имеющей сопротивление R_p, включен постоянный проволочный резистор R_тк, изготовленный из манганина (манганин — сплав с температурным коэффициентом сопротивления, близким к нулю), который имеет сопротивление в два-три раза больше, чем сопротивление рамки.

Рисунок 2 - Конструкция магнитоэлектрического измерительного прибора и его условные обозначения на электрических схемах: 1 ‑ подвижная рамка; 2 ‑ полюсные наконечники; 3 ‑ постоянный магнит; 4 ‑ подпятник; 5, 11 ‑ противодействующие пружины; 6 ‑ сердечник; 7 ‑ шкала; 8 — стрелка; 9 ‑ ось; 10 ‑ корректор; 12 ‑ противовес стрелки

Применение такой схемы позволяет в несколько раз уменьшить влияние температуры на показания магнитоэлектрического прибора, однако во столько же раз снижает его чувствительность, поэтому для сохранения чувствительности требуется использовать в приборе постоянные магниты с большим значением магнитной индукции.

Входящие в выражение для  величины В и E изменяются от температуры практически одинаково, поэтому не вызывают изменения чувствительности прибора.

Магнитоэлектрические приборы обладают рядом достоинств, присущих входящему в их состав магнитоэлектрическому измерительному механизму, который обладает высокой чувствительностью, малой собственной потребляемой мощностью, малой чувствительностью к внешним магнитным полям (благодаря наличию собственного сильного магнита), пропорциональной статической характеристикой и высокой точностью.

Недостатком этих приборов является сложность конструкции, высокая стоимость и чувствительность к перегрузкам.

Магнитоэлектрические приборы, построенные по схеме (рисунок 2, г), по существу представляют собой микроамперметры или милливольтметры.

Выражение функции преобразования при использовании магнитоэлектрического прибора в качестве милливольтметра можно записать в виде

где U ‑ измеряемое напряжение; R_п — сопротивление магнитоэлектрического прибора [R_п = R_р+ R_тк, (см. рисунок 2, г)]; K_U ‑ чувствительность прибора по напряжению.

В сочетании с различными входными измерительными цепями магнитоэлектрические амперметры и милливольтметры широко используются в качестве разнообразных по конструкциям амперметрах и вольтметрах постоянного и переменного тока и омметров. Они также используются в качестве гальванометров или нуль-гальванометров.

Гальванометром называются электроизмерительные приборы высокой чувствительности к току или напряжению, имеющие неградуированную шкалу.

Нуль-гальванометры снабжаются двусторонней шкалой, т. е. с нулевой отметкой посередине. Их используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Класс точности гальванометрам не присваивается.

На рисунке 3 приведены схемы различных магнитоэлектрических приборов. Для измерения больших постоянных токов магнитоэлектрические микроамперметры и миллиамперметры снабжаются шунтом, что обеспечивает протекание через микроамперметр только малой части измеряемого тока. На рисунке 3, а показана схема амперметра с одним диапазоном измерений. Шунт помещают во внутренней полости прибора, а при измерении больших токов (более 50 А) — вне прибора.

Пример 1. Магнитоэлектрический преобразователь с параллельно включенным шунтовым резистором R_ш служит как миллиамперметр или амперметр. Чем меньше сопротивление шунта, тем больше протекающий через него ток и выше предел измерения.

Параметры магнитоэлектрического преобразователя: ток полного отклонения I_п, сопротивление медного провода рамки R_п, напряжение полного отклонения U_п = I_пR_п.

Рис. 3. Схемы магнитоэлектрических приборов: 1 — входная измерительная цепь; 2— магнитоэлектрический преобразователь; 3 — преобразователь переменного тока в постоянный (выпрямитель)

Примем верхний предел измерения I_в = 50 мА, удобный для многтих практических применений тока, и хорошо сочетаемый со шкалой, имеющей 100 делений. Для преобразователя параметры которого I_п = 100 мкА и R_п = 1500 Ом, сопротивление шунтового резистора

R_ш = I_пR_п/(I_в – I_п) = 1001500/(50000 – 100) = 3 Ом.

Такой резистор можно изготовить самостоятельно, намотав провод из высокоомного сплава на любой каркас.

*******************

Таким образом, значение сопротивления шунта R_ш рассчитывают по формуле

где I_В — верхний предел измерений проектируемого амперметра; I_П — верхний предел измерений магнитоэлектрического преобразователя.

Аналогичным образом рассчитываются значения сопротивлений шунтов R₁ ..., R_i ..., R_n для многопредельных амперметров (рисунок 3, б). В таких амперметрах входная измерительная цепь помимо сопротивлений шунтов содержит переключатель Пр, обеспечивающий подключение шунта, соответствующего выбранному диапазону измерений.

На рисунке 3, в показана схема вольтметра с одним диапазоном измерений. Для расширения диапазона измерений в этом случае последовательно с магнитоэлектрическим преобразователем включается добавочный манганиновый резистор R_Д. При таком включении преобразователя из общего измеряемого напряжения U на нем падает только некоторая его часть — U_П.

Пример 2. Магнитоэлектрический преобразователь с последовательно включенным добавочным резистором служит как вольтметр. Чем больше сопротивление добавочного резистора, тем выше предел измерения. Так для создания вольтметра с пределом измерения U_в = 1 В и теми же параметрами магнитоэлектрического преобразователя потребуется добавочное сопротивление

Rд = Uв/Iп – Rп = 1/0,1 – 1,5 = 8,5 кОм

Сопротивление полученного вольтметра будет равно 10 кОм.

*************

Таким образом, значение добавочного сопротивления R_д рассчитывают по формуле

где U_В — верхний предел измерений проектируемого вольтметра; U_П — верхний предел измерений милливольтметра.

Аналогично рассчитывают значения добавочных сопротивлений R₁...,R_i...,R_n для многопредельного вольтметра (рисунок 3, г).

Магнитоэлектрические приборы имеют классы точности 0,1—1,5. Диапазоны измерений амперметров: от 0—50 мкА до 0—10 кА. Диапазоны измерений вольтметров: от 0—75 мВ до 0—1500 В.

На рисунке 3, д приведена распространенная схема омметра, построенного с использованием магнитоэлектрического преобразователя. В этой схеме последовательно с измеряемым сопротивлением и преобразователем в цепь с источником питания напряжением U_c помощью переключателя включается одно из дополнительных сопротивлений R₁...,R_i...,R_n, которыми определяется диапазон измерений омметра. Ток I, протекающий в этой цепи при включении сопротивления R_i, определяется выражением

Как видно из этого выражения, значение тока при постоянном напряжении питания зависит только от значения сопротивления R_x, причем эта зависимость является нелинейной (обратно пропорциональной), а шкала омметра является обратной, т. е. максимальное значение тока и соответствующее отклонение стрелки имеют место при R_x — 0, и напротив — минимальное значение тока имеет место при R_x  . Шкала оказывается растянутой при малых значениях и сжатой при больших значениях R_x.

Если питание омметра осуществляется от батареи, то в составе омметра дополнительно предусматривается небольшой переменный резистор, который подключается последовательно или параллельно преобразователю и служит для компенсации изменений напряжения батареи. С помощью этого переменного резистора при замкнутых проводниках, с помощью которых измеряемый резистор подключается к омметру (т. е. при R_x — 0), стрелка омметра устанавливается на нулевую отметку. Такие омметры обеспечивают измерение сопротивлений в диапазоне от 1 Ом до 200 МОм.

Применение магнитоэлектрических приборов дли измерения переменных токов и напряжений базируется на использовании преобразователей рода тока. В схеме магнитоэлектрического вольтметра переменного тока (рисунок 3, е) между входной измерительной цепью и магнитоэлектрическим преобразователем включен преобразователь переменного тока в постоянный, который обычно представляет собой одно- или двухполупериодные выпрямители, собранные на полупроводниковых диодах. Через рамку магнитоэлектрического преобразователя в данном случае протекает однонаправленный пульсирующий ток. Из-за инерции подвижной части магнитоэлектрического прибора угол поворота ее оказывается пропорциональным среднему значению напряжения U_cp. Чувствительность амперметра (вольтметра) переменного тока при использовании двухполупериодного выпрямителя вдвое больше, чем при использовании однополупериодного.

На шкалы магнитоэлектрических вольтметров (амперметров) переменного тока наносят действующие значения напряжения (тока) с учетом коэффициента формы кривой K_ф переменного напряжения (тока). Обычно такие приборы градуируются при синусоидальной форме кривой напряжения (тока) (для синусоиды Kф = 1,11). При отличии формы кривой переменного напряжения (тока) от синусоидальной в показаниях приборов возникает погрешность.

Магнитоэлектрические приборы переменного тока обеспечивают возможность измерений переменных токов и напряжений с частотой от 10 Гц до 100 кГц. Диапазон измерений амперметров: от 0—0,25 мА до 0—10 кА. Диапазон измерений по напряжению: от 0—0,25 до 0—1500 В. Классы точности этих приборов 1,0—4,0.