Магнитоэлектрические измерительные приборы

Принцип действия магнитоэлектрических приборов (рис. 6) основан на взаимодействии поля постоянного магнита 1 и проводников в виде рамки 2, расположенных на стальном сердечнике 4, по которым протекает измеряемый ток I.

Сила F, с которой магнитное поле постоянного магнита (N-S) действует на рамку с током I, зависит от величины тока I и магнитной индукции поля B = S× F, где S – площадь рамки, а F - магнитный поток. В результате силового воздействия постоянного магнитного поля на рамку с током создается вращающийся момент М_вр = с× F× I, (с – коэффициент пропорциональности), который заставляет рамку 2 вращаться. Поскольку стрелка 3 измерительного прибора жестко связана с осью рамки, стрелка прибора начинает перемещаться. Момент М_вр при определенном угле поворота уравновешивается противодействующим моментом М_пр, создаваемым пружиной 5. Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов М_вр = М_пр. Угол поворота стрелки:

a = с·I

прямо пропорционален величине измеряемого тока I, следовательно, шкала магнитоэлектрического прибора равномерная.

Рис. 6. Устройство прибора магнитоэлектрической системы

Направление вращающегося момента, определяемое по правилу левой руки, изменяется, если ток меняет свое направление, поэтому на клеммах прибора обязательно указывается полярность (+ и -) для правильного включения прибора (отклонение стрелки от нуля слева направо (см. рис.6)).

Если такой прибор включить в цепь переменного синусоидального тока, то на его измерительную катушку (рамку) будут действовать быстро изменяющиеся по величине и направлению силы, среднее значение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нулевого положения. Поэтому для измерений в цепях переменного тока магнитоэлектрические приборы можно применять только со специальными преобразователями.

Достоинства приборов данной системы: высокая точность измерений; равномерная шкала; незначительное потребление энергии; малая чувствительность к посторонним (наведенным) магнитным полям.

Недостатки: необходимость применения специальных преобразователей для измерений в цепях переменного тока; чувствительность к перегрузкам.

Класс точности магнитоэлектрических приборов 0, 5-1, 5. Чаще всего они применяются для измерения напряжения, тока и сопротивления в цепях постоянного тока. Условное обозначение прибора магнитоэлектрической системы показано на рис. 1 в правом нижнем углу.

Погрешности магнитоэлектрических приборов. Одной из основных причин возникновения погрешности является отклонение температуры от градуировочной (температурная погрешность). При повышении температуры уменьшаются магнитная индукция в рабочем зазоре (индукция уменьшается примерно на 0, 2 % на 10 ⁰С) и удельный противодействующий момент (удельный противодействующий момент уменьшается примерно на 0, 2-0, 4 % на 10 ⁰С), увеличивается электрическое сопротивление обмотки рамки и токоподводов (пружинок или растяжек).

Следует отметить, что при уменьшении магнитной индукции показания магнитоэлектрического прибора уменьшаются, а при уменьшении удельного противодействующего момента показания увеличиваются. Таким образом, эти два фактора взаимно компенсируют друг друга.

Рис. 7

Для уменьшения температурной погрешности, обусловленной изменением электрического сопротивления обмотки рамки и растяжек (или пружинок), в магнитоэлектрических приборах применяются различные схемные решения (рис. 7). Эту погрешность можно уменьшить, вклю­чая последовательно с температурно-зависимым сопротивлением R_t добавочное сопротивление R_Д из материала, электрическое сопротивление которого практически не зависит от температуры Результирующий температурный коэффициент такой цепи

, (6)

где α _R – результирующий температурный коэффициент сопротивления цепи; α _t - температурный коэффициент сопротивления материала рамки.

Из выражения (6) видно, что чем больше может быть отношение R_Д/R_t, тем меньше α _R и, следовательно, тем меньше температурная погрешность γ _t. Для вольтметров на пределы измерения больше 3—5В можно уменьшить γ _t до значений, соответствующих классу точности 0, 2 и даже 0, 1. Для милливольтметров, к которым можно отнести и амперметры с шунтом, этот способ компенсации неэффективен, прежде всего, потому, что связан с увеличением собственного потребления, т. е. с уменьшением чувствительности прибора.

Для милливольтметров основными схемами температурной компенсации являются последовательно-параллельная схема (рис.8, а) и схе­ма с термосопротивлением (рис. 8, б).

А) б)

Рис.8

Электрическая цепь измерительного механизма состоит из сопротивления обмотки R₀ и последо­вательно с ним включенного сопротив­ления упругих элементов (пружинок или растяжек) R₁. Температурные коэффициен­ты электрического сопротивления мате­риалов обмотки и упругих элементов, как правило, различны. При расчете сопротивление упругих элементов раз­бивают на две части: «медную», имеющую температурный коэффициент такой же, как и материал обмотки, выполняемой обычно из меди, и «манганиновую» - с нулевым температурным коэффициентом. На схеме рис. 8 обозначены: R₀ – сумма сопротивлений обмотки и «медной» части упругих элементов (α ₀); R₁ – сумма «манганиновой» части сопротивления упругих элементов и добавочного сопротивления из манганина (α ₁ = 0); R₂ – добавочное сопро-тивление из манганина (α ₂ = 0); R₃ – сопротивление шунта, выполняемого обычно из меди или никеля (α ₃).

Температурная погрешность находится как:

(7)

где I₀ – ток в цепи ИМ при температуре градуировки t₀; I_0t - ток в цепи ИМ при температуре t = t + θ

(8)

Вторая составляющая в выражении (7) много меньше первой и ей можно пренебречь. В этом случае температурная погрешность γ _t будет равна нулю, если выполняется условие

. (9)

Из (9) следует, что условие, при котором выполняется требование γ _t = 0, не содержит температуру перегрева θ, т. е. справедливо для любого диапазона изменения температур. Такой вывод имеет место в результате принятого допущения (исключе­нием из рассмотрения зависимости γ _t от составляющей, содержа­щей θ ²). Учет этой зависимости показывает, что в действитель­ности для заданного диапазона изменения температуры θ тре­бование γ _t = 0 можно выполнить только для двух температур внутри этого диапазона.

Рассмотренная схема обладает вы­сокой стабильностью, технологично­стью и позволяет обеспечить требуе­мую температурную компенсацию для приборов самых высоких классов точ­ности, имеет большое собственное потребление. От этого недостатка свободна схема с полупроводниковым терморезистором (рис.8, б). Однако ввиду недостаточно высокой воспроизводимости свойств и пониженной стабильности схемы с терморезисторами применяют только в приборах классов точности 1, 5; 2, 5 и не выше чем класса 0, 5. Применяют другие схемы и методы термокомпенсации — мостовые схемы, термомагнитные шунты и т. д.

Области применения. Магнитоэлектрические приборы являются наиболее распространенной группой электромеханических приборов.

Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве: 1) ам­перметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях); 2) омметров; 3) галь­ванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока: а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов; б) вибрационных гальванометров, используемых в ос­новном в качестве нулевых индикаторов переменного тока; в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести: 1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.

Магнитоэлектрические приборы занимают первое место среди других электромеханических приборов. Они выпускаются вплоть до класса точности 0, 05, а по чувствительности с током полного отклонения до 0, 1 мкА (при классе точности 1, 5).