Магнитоэлектрический механизм содержит постоянный магнит, магнитопровод и катушку с током.
Магнитная система измерительного механизма (ИМ) (рис. 11.2) состоит из постоянного магнита 1 и замкнутого магнитопровода 2. В рабочем зазоре между ними образуется равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В. Подвижная катушка 3, намотанная на алюминиевый каркас, помещена в рабочем зазоре и укреплена на осях. Концы обмотки электрически соединены со спиральными пружинками, по которым измеряемый ток I поступает в катушку. При наличии тока на активную длину l витка обмотки действует сила F, равная, согласно закону Ампера, F=BlωI, где ω — число витков обмотки.
Под действием пары сил на обеих сторонах катушки создается вращающий момент Мвр, который прямо пропорционален току. Под действием Мвр подвижная часть ИМ вместе с указателем поворачивается на некоторый угол α, который пропорционален току I.
Магнитоэлектрические приборы, в которых используются магнитоэлектрические ИМ, применяют для измерения постоянных токов (амперметры), напряжений (вольтметры), сопротивлений (омметры) и т. д.
Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры отличаются высокой точностью, равномерностью шкалы, обладают малым потреблением энергии. К недостаткам этих приборов относятся: непригодность к работе в цепях переменного тока, чувствительность к перегрузкам и зависимость показаний от окружающей температуры.
Рис. 11.2. Конструкция магнитной системы магнитоэлектрического измерительного механизма с внутрирамочным магнитом
Магнитоэлектрические ИМ служат и для измерения в цепях переменного тока, но только в сочетании с различными преобразователями переменного тока в постоянный. К таким приборам относятся, например, выпрямительные, термоэлектрические.
Выпрямительные приборы (рис. 11.3) представляют собой сочетание магнитоэлектрического ИМ и выпрямительного устройства, состоящего, как правило, из двух диодов и более. Выпрямительные устройства (рис. 11.3, а) преобразуют переменный ток в пульсирующий однополярный iП (рис. 11.3, б). Подвижная часть ИМ, обладающая инерцией, реагирует на среднее значение этого пульсирующего тока — IСР.
Рис. 11.3. Схема выпрямительного прибора с двухполупериодным выпрямителем (а) и
временные диаграммы (б) работы двухполупериодного выпрямительного прибора
Шкала выпрямительного прибора градуируется в действующих значениях синусоидального тока (напряжения).
Выпрямительные приборы часто выполняются в виде комбинированных многопредельных — в одном приборе сочетаются амперметр, вольтметр и омметр, каждый на несколько пределов измерения.
Достоинствами выпрямительных приборов являются: высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии, так как используются магнитоэлектрические ИМ. К недостаткам относятся: неравномерность шкалы в начале (в пределах до 15% от предела измерения), невысокая точность (высший класс точности 1,0).
Электромагнитный механизм (рис. 11.4) состоит из неподвижной катушки 1 и укрепленной на оси 3 подвижной пластинки 2 из магнитомягкого материала. При включении катушки в цепь постоянного тока создается магнитное поле, которое намагничивает пластинку, и она втягивается внутрь катушки. Возникающий при этом вращающий момент пропорционален квадрату измеряемого тока.
Рис. 11.4. Конструктивное исполнение измерительного механизма
электромагнитной системы
Подвижная часть ИМ, обладающая инерцией, реагирует на среднее значение момента. Квадратичную шкалу можно выравнять, подбирая соответствующую форму ферромагнитной пластинки.
Электромагнитные приборы, построенные на базе электромагнитных ИМ, применяют для измерения в цепях постоянного и переменного тока в качестве амперметров, вольтметров и фазометров.
Амперметры изготовляют одно- и многопредельными путем секционирования катушки. Вольтметры также выполняются многопредельными путем использования ряда добавочных резисторов.
Электромагнитные приборы являются одними из самых распространенных щитовых приборов для измерений в цепях переменного тока. Они просты по устройству, не имея токоподвижных частей, хорошо переносят перегрузки. Недостатками этих приборов являются: невысокая точность, большое собственное потребление энергии (до 10 Вт), ограниченный частотный диапазон, чувствительность к внешним магнитным полям.
Электродинамический механизм (рис. 11.5) состоит из неподвижной 1 и подвижной 2 катушек. Катушка 2 укреплена на растяжках и может поворачиваться вокруг оси внутри двух секций неподвижной катушки. При наличии в катушках постоянных токов I1 и I2 возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть катушку 2 соосно с катушкой 1. В результате возникает вращающий момент: MBP=K1I1I2, где K1 — коэффициент, учитывающий изменение взаимной индуктивности подвижной и неподвижной катушек.
Вращающий момент электродинамического ИМ пропорционален произведению действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига фаз между ними.
Рис. 11.5. Конструктивное исполнение измерительного механизма
электродинамической системы
Электродинамические приборы, в которых используются электродинамические механизмы, применяют в цепях постоянного и переменного тока в основном для измерения тока, напряжения и мощности.
Электродинамические амперметры обычно выполняются на два предела измерения, что достигается различием схем включения катушек: на малые токи – по схеме рис. 11.6, а; на большие токи — по схеме рис. 11.6, б. В первом случае ток IХ проходит через неподвижную 1 и подвижную 2 катушки, соединенные последовательно. Во втором случае катушки соединяются параллельно. В электродинамическом приборе отклонение подвижной части ИМ пропорционально квадрату измеряемого тока IХ.
Рис. 11.6. Схемы построения амперметров электродинамической системы на
малые (а) и большие (б) токи
Индукционный механизм (рис. 11.7) состоит из двух неподвижных магнитопроводов 1 и 2 с обмотками и подвижного алюминиевого диска 3, укрепленного на оси. Магнитные потоки Ф1 и Ф2, создаваемые синусоидальными токами i1 и i2 и пронизывающие диск, смещены в пространстве. При этих условиях в диске создается вращающееся магнитное поле, под действием которого диск приходит во вращение.
Рис. 11.7. Конструктивное исполнение измерительного механизма
индукционной системы
Вращающий момент относительно оси диска пропорционален частоте, произведению действующих значений токов и синусу угла сдвига фаз между токами.
Индукционные приборы на базе индукционных механизмов используют главным образом в качестве одно- и трехфазных счетчиков энергии переменного тока.
Электростатический механизм (рис. 11.8) состоит из двух (и более) металлических изолированных пластин, выполняющих роль электродов. На неподвижные пластины 1 подается потенциал одного знака, а на подвижные 2 — потенциал другого знака. Подвижная пластина вместе с указателем 3 укреплена на оси и под действием сил электрического поля между пластинами поворачивается. Вращающий момент пропорционален зарядам q = CU на пластинах (U – напряжение, С – электрическая ёмкость).
Рис. 11.8. Конструктивное исполнение измерительного механизма
электростатической системы
Электростатические приборы, в которых используется электростатический механизм, применяются в качестве вольтметров постоянного и переменного тока.
Угол отклонения указателя электростатического прибора при синусоидальном напряжении пропорционален квадрату действующего значения напряжения, т. е. шкала является квадратичной. Подбором формы электродов (пластин) можно получить практически равномерную шкалу.
Характеристики шкал измерительных приборов
Отсчетное устройство аналоговых измерительных приборов содержит шкалу, которая может быть равномерной или иметь деления разной длины.
Чувствительность S - есть отношение приращения перемещения указателя ∆α к приращению измеряемой величины ∆х:
Величина, обратная чувствительности, называется ценой деления прибора. Она равна числу единиц измерения величины, приходящейся на одно деление шкалы.