ПРИБОРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТИПА

Общее устройство прибора электромагнитного типа показано на рис. 7:

а б

Рис. 7 – Общее устройство прибора электромагнитного типа: а – схема магнитоэлектрического механизма с подвижным магнитом; б- с неподвижным магнитом:1 – стрелка; 2- катушка; 3- постоянный магнит; 4- пружина; 5- магнитный шунт; 6- полюсные наконечники

 

Вывод уравнения шкалы прибора.

Уравнением шкалы называется математическая зависимость, дающая связь между измеряемой величиной и углом отклонения стрелки прибора.

Обозначим потокосцепление, связанное с катушкой как y, тогда:

w₃=yI, где w₃ - энергия электромагнитного поля запасенной в измерительном механизме, I- величина тока, протекающего по катушке.

Если катушка имеет n витков, длина и ширина катушки соответственно l и b, магнитная индукция пронизывающая катушку - уравнение для потокосцепления в полном виде можно записать как:

или где S активная площадь катушки.

Подставив эти уравнения в уравнение для статики, получим:

После подстановки имеем:

Тогда установившийся угол отклонения a_у можно записать как:

или

где S_п- чувствительность прибора.

Уравнение шкалы показывает, что шкала магнитоэлектрического измерительного механизма - линейна.

Следует отметить, что подвижная часть магнитоэлектрического механизма обладает относительно большим моментом инерции. Поэтому при включении в цепь переменного синусоидального тока, среднее значение которого за период равно нулю, средний вращающий момент также равен нулю. Следовательно, данный механизм, примененный непосредственно может измерять только постоянные токи.

Магнитоэлектрический механизм логометрического типа

Механизм устроен следующим образом: первая и вторая катушки формируют вращающие моменты М₁ и М₂ направленные всегда встречно друг другу.

Индексами 1- обозначены параметры, относящиеся к первой катушке, а индексами 2- ко второй.

Если моменты окажутся равными, тогда можно записать:

Откуда можно записать уравнение шкалы магнитоэлектрического логометра.

или

Применяются логометрические механизмы, например в омметрах.

Необходимо отметить, что в некоторых типах логометров в отключенном состоянии стрелка может находиться в произвольном положении.

Достоинства магнитоэлектрических приборов: большой вращающий момент при малых токах, высокие классы точности, малое самопотребление.

Недостатки магнитоэлектрических приборов: сложность конструкции, высокая стоимость, невысокая перегрузочная способность.

 

ЛЕКЦИЯ 11

Применение магнитоэлектрических измерительных механизмов.

Магнитоэлектрические гальванометры.

Гальванометрами называются приборы с высокой чувствительностью.

Устройство гальванометра показано на рис.8:

В общем, виде угол поворота подвижной части гальванометра можно записать как .

Траектория движения подвижной части гальванометра во времени определяется показателем b, который называется степенью успокоения и определяется соотношением внутренних сопротивлений электрической части прибора и сопротивлением внешней цепи.

где: R_г - сопротивление рамки (катушки) гальванометра; R_{вн. кр} - Критическое сопротивление внешней цепи; R_вн- сопротивление внешней цепи.

 

 

Рис. 8 – устройство гальванометра

 

R_{вн. кр}- называется наибольшее сопротивление, при котором подвижная часть гальванометра, двигаясь апериодически, достигает установившегося значения за минимальное время.

Таким образом, можно выделить три режима движения подвижной части гальванометра:

Периодический (b<1)- подвижная часть совершает колебания около отметки действительного значения измеряемой величины.

Апериодический (b>1)- подвижная часть достигает установившегося значения без колебаний.

Критический (b=1)- подвижная часть достигает установившегося значения без колебаний за минимальное время.

Иллюстрация сказанного выше представлена на рис.:

 

Если внешняя цепь гальванометра разомкнута (R_вн = ¥;, b= 0), то его подвижная часть совершает свободные колебания с частотой w₀и периодом T₀.

Чувствительность гальванометра по току S_i и по напряжению S_u определяются соответственно как:

;

Можно вывести связь между чувствительностью гальванометра по току и по напряжению:

Реальная чувствительность гальванометров может достигать значения 10¹¹ мм/А´м.

Баллистический гальванометр.

Баллистический гальванометр - гальванометр с увеличенным, по сравнению с рассмотренным ранее, моментом инерции подвижной части.

Данный тип гальванометра применяется в том случае, если в измеряемом сигнале выполняется соотношение: t_и << T⁰.

Однако в этом случае возникает так называемый баллистический бросок. Значение баллистического броска (величины отклонения рамки) определяют как: , где Q=i´ti- количество электричества (импульс тока) А*с.

Баллистическая чувствительность в этом случае: .

Имеется уравнение, которое устанавливает связь между баллистической чувствительностью и степенью успокоения гальванометра.

.

Примерная зависимость S_б=f(b) приведена на рис.

Условия применения гальванометров

Чувствительность гальванометра не должна превышать действительно необходимую.

Период собственных колебаний должен быть минимальным у обычных и максимальным у баллистических гальванометров.

Критическое сопротивление не должно превышать сопротивление цепи более чем на 10…20%.

 

Магнитоэлектрические амперметры

Магнитоэлектрический механизм может быть применен в амперметрах. Однако в виду высокой чувствительности по току S_i, непосредственно механизм может измерять только малые значения тока (микроамперы или миллиамперы). Для расширения пределов измерения по току применяют шунтирование магнитоэлектрического механизма. Для этой цели используют специальные сопротивления с нормированными метрологическими свойствами, называемыми шунтами.

Схема шунтирования механизма показана на рис.

Величину шунта можно рассчитать из соотношения:

где - коэффициент деления, называемый также множителем шкалы.

Обычно R_ш=10-2…10-3 Ом.

 

Магнитоэлектрические вольтметры

При измерении напряжения при помощи магнитоэлектрического механизма необходимо снизить ток, протекающий через измерительный механизм. Для этого применяют добавочные сопротивления, которые включаются последовательно с измерительным механизмом. Схема включения добавочных сопротивлений показана на рис.

 

Расчет добавочных сопротивлений производится исходя из соотношений:

где - коэффициент расширения предела измерения или множитель шкалы.

 

Комбинированные аналоговые измерительные приборы. Авометры

Авометры- (ампер., вольтметры) универсальные многопредельные приборы, позволяющие измерять напряжение и ток в частотном диапазоне 20…20*10³ Гц.

Для измерения переменных напряжений и токов во входную цепь измерительного механизма включают выпрямители. Основные схемы выпрямителей и соотношения, поясняющие их работу, приведены ниже.

 

Вращающий момент в данном случае определяется как:

где m(t)- мгновенное значение вращающего момента; I_и=I_ср - средневыпрямленное значение тока, протекающее через измерительный механизм.

Из равенства М=М_a вытекает уравнение шкалы прибора данного типа:

,

S_I- чувствительность прибора по току.

В приведенной схеме применен однополупериодный выпрямитель, выполненный на диоде VD1. Диод VD2 и резистор R необходимы для выравнивания воздействия прибора на измеряемую цепь при прохождении отрицательного полупериода тока (напряжения).

В случае однополупериодного выпрямления, имеем:

k_ф- коэффициент формы (для синусоиды 1.11);

Коэффициент 0.45- называется коэффициентом градуировки шкалы.

Рассмотрим схемы двухполупериодного выпрямления.

В случае применения этих схем ток, протекающий через измерительный механизм, определяется как:

0.9- коэффициент градуировки шкалы.

В случае применения второй схемы необходимо соблюдать условие: R1=R2=R. В этом случае ток, протекающий через измерительный механизм, можно определить следующим выражением:

При практическом выполнении выпрямительных схем следует обратить внимание на выбор диодов по следующим параметрам: прямой ток диода, обратное напряжение диода, рабочая частота диода и прямое напряжения диода которое ограничивает нижний предел измерения напряжения.

Классы точности большинства авометров 1,5; 2,5; 4.

Далее приводятся схемы двух предельного выпрямительного амперметра и трех предельного выпрямительного вольтметра.