Как работает прибор электромагнитной системы

Работа приборов электромагнитной системы основана на взаимо­дейст­вии магнитного поля, созданного неподвижной катушкой, по обмотке которой протекает измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнит­ными сердечниками, эксцентрично укрепленными на оси. Наибольшее рас­пространение получили измерительные механизмы с плоской катушкой, с круглой ка­тушкой и с замкнутым магнитопроводом.

Измерительный механизм с плоской катушкой (рисунок 3) состоит из катушки 1 с обмоткой из медного про­вода, имеющей воздушный зазор, и сер­дечника 2. Сер­дечник из ферромагнитного материала с высокой маг­нитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой укрепляется на оси с опорами 3 или на растяжках. Про­тиводействующий момент создается спиральной пружи­ной или растяжками. Успокоение магнитоиндукционное или жидкост­ное.

Рисунок 3 – Электромагнитный механизм с плоской катушкой

В механизмах с круглой катушкой неподвижный сер­дечник и подвиж­ный, укрепленный на оси, располага­ются внутри катушки. При протекании тока в обмотке катушки оба сердечника намагничиваются одноименно и от­талкиваются друг от друга. Поэтому подвижный сер­дечник вместе с осью и другими деталями, укрепленными на ней, поворачивается на некото­рый угол.

Механизмы с замкнутым магнитопроводом (рисунок 4) являются более совершенными.

Катушка 1 расположена на неподвижном магнитопроводе 3 с двумя парами полюсных наконечников 4 и 5, магнитопровод и полюсные наконеч­ники выполнены из магнитомягкого материала. Подвижный сердечник 2 из магнитомягкой стали или пермаллоя, укрепленный на растяжках, может пе­ремещаться в зазоре между полюс­ными наконечниками. Успокоение жидко­стное.

Рисунок 4 – Электромагнитный измерительный механизм с замкнутым магни­топроводом

Достоинства электромагнитных механизмов – пригодность для работы на постоянном и переменном токе, устойчивость к токовым перегрузкам (т.к. в них нет токонесущих подвижных частей), простота конструкции, деше­визна.

Недостатки приборов электромагнитной системы – неравномерная шкала, влияние внешних магнитных полей на механизмы без магнитопровода и большое собственное потребление мощности.

Приборы электродинамической и ферродинамической сис­темы

Работа измерительных механизмов электродинамиче­ской системы (ри­сунок 5 и 6) основана на взаимодей­ствии магнитных полей двух катушек с токами – не­подвижной 1 и подвижной 2. Подвижная катушка, укрепленная на оси или растяжках, может поворачи­ваться внутри неподвижной. При проте­кании в обмотках катушек токов i₁ и i₂ возникают электромагнитные силы, стремящиеся так повернуть подвижную часть, чтобы магнитные потоки под­вижной и неподвижной катушек совпали.

Рисунок 5 – Схема устройства измерительного механизма электродинамиче­ской системы

Рисунок 6 – Электродинамический измерительный механизм

Неподвижная катушка 1 обычно выполняется из двух одинаковых час­тей, разделенных воздушным зазо­ром. Благодаря этому обеспечиваются тре­буемая конфи­гурация магнитного поля и удобство расположения оси. Не­под­вижная и подвижная катушки механизма (обычно бескаркасные) имеют круг­лую или прямоугольную фор­му и изготавливаются из медного или алю­ми­ниевого провода. Подвижная катушка укрепляется на опорах или растяж­ках. Для подвода тока к подвижной катушке используются спиральные пру­жины или растяжки. При­меняются стрелочные или световые указатели.

Наличие двух катушек в электродинамическом измерительном меха­низме дает возможность включать каждую из них в отдельную электриче­скую цепь. Это позволяет использовать электродинамические измерительные механизмы не только для измерения тока и напряжения, но и также для изме­рения величин, пропорциональных их произведению, например, мощность.

При использовании электродинамического измерительного механизма для измерения тока до 0,5 А подвижную и неподвижную катушки включают последовательно. В этом случае отклонение подвижной части механизма пропорционально квадрату тока. Соответствующим подбором конструкций подвижной и неподвижной катушек удается получить приблизительно рав­номерную шкалу за исключением начальной части, которая считается нера­бочей.

В электродинамических амперметрах на токи больше 0,5 А неподвиж­ную катушку делают секционированной и для получения второго предела измерения переключают секции с последовательного соединения на парал­лельное.

При использовании электродинамического измерительного механизма для измерения напряжения подвижную и неподвижную катушки соединяют последовательно с добавочными сопротивлениями из манганина для получе­ния пределов измерения.

Когда электродинамический механизм используется в качестве ваттметра, подвижную катушку 2 включают параллельно нагрузке, а непод­вижную катушку – последовательно с нагрузкой. Шкала электродинамиче­ского ваттметра практически равномерна. Измерение мощности можно про­извести в цепях постоянного и переменного тока.

Собственное магнитное поле электродинамических механизмов, сило­вые линии которого замыкаются по воздуху, невелико. На электродинамиче­ские механизмы влияют внешние магнитные поля. Для защиты от них приме­няется экранирование.

Основными достоинствами электродинамических ме­ханизмов явля­ются одинаковые показания на постоянном и переменном токе (при последо­вательном соединении катушек), что позволяет с большой точностью градуи­ро­вать их на постоянном токе, а также стабильность показаний во времени.

Недостатками электродинамических механизмов являются невысокая чувствительность, большое собственное потребление мощности, чувстви­тельность к перегрузкам.

Механизмы ферродинамической системы отличаются от рассмотрен­ных электродинамических механизмов тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого листового материала.

На рисунке 7 изображены две конструкции ферродинамических меха­низмов – однокатушечная и двухкатушечная. Благодаря наличию магнито­провода магнитный поток и, следовательно, вращающий момент существенно возрастают, поэтому магнитодвижущая сила катушки может быть снижена и, следовательно, уменьшено собственное потребление мощности механизма.

Собственное магнитное поле в ферродинамических ме­ханизмах силь­ное, поэтому внешние магнитные поля на них влияют слабо. Конструкции механизмов, изображен­ные на рисунке 7, особенно хорошо защищены, так как магнитопровод одновременно является экраном. Успокоители применя­ются магнитоиндукционные и жид­костные.

Наличие магнитопровода обусловливает появление погрешности от гистерезиса и вихревых токов, поэтому ферродинамические приборы об­ладают большей основ­ной погрешностью, чем электродинамические.

Неподвижная катушка 1 (рисунок 6) в ферродинамическом механизме располагается на магнитопроводе, а подвижная катушка 2, укрепленная на оси, перемеща­ется в воздушном зазоре с равномерным и радиальным магнит­ным полем.

Рисунок 7 – Конструкции ферродинамических механизмов

а – однокатушечный, б – двухкатушечный

Достоинствами ферродинамических приборов явля­ются меньшая, чем у электродинамических, восприимчи­вость к внешним магнитным полям, меньшее собственное потребление мощности, больший вращающий момент. Однако точность и частотный диапазон у них ниже, чем у электродинамиче­ских.

Указанные свойства ферродинамических приборов оп­ределяют об­ласть их применения – в качестве щитовых и переносных приборов перемен­ного тока, а также в ка­честве самопишущих приборов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9493 — | 7458 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Читайте также:

1. A. Закон места заключения договора. Данный принцип оговаривает применение права того места где заключен контракт
2. CRM системы
3. D) целенаправленные воздействия групп интересов на органы власти в целях реализации своих специфических интересов.
4. I. Должностные обязанности международного менеджера. Специфика воздействия на персонал за рубежом.
5. II – 13. Согласно Принципу относительности Галилея
6. II – 20. В случае действия только консервативных сил по закону сохранения энергии
7. II. 2. Основные принципы проектирования
8. II. История развития налогов и налогообложения в СССР. Становление налоговой системы современной России
9. II. Методологические принципы научно-педагогического исследования
10. II. Мотивы социального действия
11. II. Понятие агроэкосистемы
12. II. Принципы процесса

Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой 1 со стальным сердечником 3, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской (рис. 4, а) или круглой (рис. 4, б) катушкой.

В приборах с плоской катушкой сердечник установлен на оси, несущей стрелку. При прохождении тока по катушке 1 сердечник 3 будет намагничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось и стрелку. Повороту оси препятствует спиральная пружина 2. Когда усилие, создаваемое пружиной, уравновесит усилие, созданное катушкой, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале определенный ток. Вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора, пропорционален силе притяжения F электромагнита, под действием которой сердечник втягивается в катушку.

Рис. 324. Устройство электромагнитных измерительных механизмов с плоской (а) и круглой (б) катушками

Сила притяжения F, пропорциональна квадрату индукции в, создаваемой магнитным полем катушки; следовательно, она пропорциональна квадрату тока I в катушке. Поэтому вращающий момент

где c₁ — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров прибора (числа витков и размеров катушки, материала и формы сердечника) и положения сердечника относительно катушки.

При втягивании сердечника в катушку вращающий момент М изменяется пропорционально I 2 .

Под действием момента М подвижная часть прибора будет поворачиваться до тех пор, пока этот момент не будет уравновешен противодействующим моментом M_пр, созданным пружинами или растяжками. В момент равновесия М = M_пр, откуда

α= (c1/c2) I 2 = kI 2

где к — постоянная величина.

Следовательно, в приборах с электромагнитным измерительным механизмом угол поворота а подвижной части и стрелки пропорционален квадрату тока, проходящего по катушке. Поэтому такой прибор имеет неравномерную (квадратичную) шкалу. Для сглаживания этой неравномерности сердечнику придается особая лепестко-образная форма, вследствие чего форма магнитного поля и усилие, создаваемое катушкой, изменяются по мере втягивания сердечника.

Устранение колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое осуществляется демпфером 5.

Рис. 5. Устройство астатического измерительного механизма

В приборах с круглой катушкой подвижная система поворачивается в результате взаимодействия двух стальных намагничивающихся пластинок 3, расположенных внутри катушки 1. Одна из них укреплена на оси прибора, а другая — на внутренней поверхности каркаса катушки. При прохождении тока по катушке пластины намагничиваются, и их одноименные полюсы оказываются расположенными друг против друга. Между ними возникают силы отталкивания и создается вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой 4.

Применение. Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока. При периодическом изменении тока, проходящего через прибор, усилие, создаваемое его катушкой, не будет изменяться по направлению, так как оно пропорционально квадрату тока. Угол отклонения стрелки определяется некоторым средним усилием F, значение которого пропорционально среднему квадратичному значению тока или напряжения. Следовательно, электромагнитные приборы в цепях переменного тока измеряют действующие значения тока или напряжения.

Катушка при измерениях может быть включена в электрическую цепь последовательно или параллельно двум точкам, между которыми действует некоторое напряжение. В первом случае прибор будет работать в качестве амперметра, во втором — в качестве вольтметра.

Достоинством приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока. К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.

Астатические приборы. Катушки электромагнитных приборов создают относительно слабое магнитное поле, так как силовые линии этого поля проходят в основном по воздуху. Поэтому такие приборы весьма чувствительны к влиянию внешних магнитных полей. Для защиты от этих влияний электромагнитные приборы окружают стальными экранами или выполняют астатическими.
В астатическом приборе имеются две плоские катушки 1 и два сердечника 2, расположенные на общей оси (рис. 325). Обмотки катушек включают так, чтобы направления их магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ были противоположны. Вращающие моменты действуют на подвижную систему прибора в одинаковом направлении. Поэтому внешний магнитный поток Ф_вн будет усиливать поле одной катушки и ослаблять поле другой; создаваемый же ими суммарный вращающий момент будет оставаться неизменным.

Дата добавления: 2015-04-24 ; Просмотров: 4702 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из конструкций электромагнитного механизма представлена на рис. 4.9, где 1 – катушка; 2 – сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 – воздушный успокоитель; 4 – спиральная пружинка, создающая противодействующий момент.

При включении прибора под действием магнитного поля катушки сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружинкой.

Рис. 4.9. Устройство прибора электромагнитной системы

Вращающий момент, возникающий при прохождении тока I через катушку,

,

где L – индуктивность катушки; a – угол поворота подвижной части.

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получим

. (4.6)

Из (4.6) следует, что при измерении в цепи переменного тока угол поворота подвижной части прибора электромагнитной системы пропорционален квадрату среднеквадратического значения тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока. В соответствии с (4.6) шкала прибора квадратичная, однако на практике ее можно приблизить к линейной подбором формы сердечника.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока, на постоянном токе. К недостаткам приборов можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей.

Промышленностью выпускаются амперметры электромагнитной системы с верхним пределом измерения от долей ампера до 200 А и вольтметры с пределами измерения от долей вольта до сотен вольт.

При необходимости расширения пределов измерения амперметров и вольтметров применяются шунты и добавочные сопротивления. Для расширения пределов измерения амперметров в области повышенных частот используются трансформаторы тока. На рис. 4.10 показано включение амперметров во вторичную обмотку трансформатора тока.

Рис. 4.10. Включение амперметра с трансформатором тока

На рис. 4.10 w₁ – первичная обмотка; w ₂ – вторичная обмотка; I₁, и I₂ – соответствующие токи.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц. Выпускаются также переносные приборы электромагнитной системы классов точности 0,5 и 1,0 для измерения в лабораторных условиях.

Выпрямительные приборы. Выпрямительные приборы применяются для измерения напряжения и силы тока в частотном диапазоне от звуковых частот до высоких и сверхвысоких частот. Принцип работы таких приборов заключается в выпрямлении переменного тока с помощью полупроводниковых диодов (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Выпрямительные приборы

Постоянная составляющая выпрямленного тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы, например микроамперметром. В схеме прибора используют однополупериодные и двухполупериодные выпрямители.

В однополупериодных схемах (рис. 4.11, а) ток через магнитоэлектрический прибор, включенный последовательно с диодом Д₁, пропускается только в положительный полупериод. В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода Д₁ велико, ток протекает через диод Д₂, включенный параллельно прибору. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резистор R, сопротивление которого равно сопротивлению измерительной цепи прибора. Подвижная часть магнитоэлектрического прибора обладает механической инерцией и при частотах выше 10…20 Гц не успевает следить за мгновенными значениями вращающего момента, реагируя только на среднее значение момента. Из уравнения шкалы магнитоэлектрического прибора (4.5) следует, что отклонение стрелки выпрямительного прибора пропорционально среднему за период значению переменного тока. Для однополупериодного выпрямителя при токе синусоидальной формы среднее значение определяется как

,

и показания прибора

. (4.7)

В двухполупериодных схемах выпрямителя (рис. 4.11, б) ток, протекающий через прибор, увеличивается вдвое по сравнению с током, протекающим в схеме рис. 4.11, а. Для синусоидального тока значение средневыпрямленного тока

.

Из (4.7) видно, что шкала выпрямительного прибора линейна, и при любой форме кривой измеряемого тока отклонение стрелки прибора пропорционально среднему за период значению. Однако на практике шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратических значениях напряжения (тока) синусоидальной формы. Следовательно, в приборах с двухполупериодным выпрямлением все значения оцифрованных делений шкалы как бы умножены на коэффициент формы К_Ф = 1,11. Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы полученный отсчет по шкале такого выпрямительного прибора сначала нужно разделить на 1,11 (получить выпрямленное значение измеряемой величины), а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме реального сигнала. В приборах с однополупериодным выпрямлением вместо 1,11 подставляют 2,22.

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения классов точности 1,5 и 2,5; с пределами измерения по току от 2 мА до 600 А; по напряжению – от 0,3 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется возможностями применяемых диодов. Так, применение точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений до частот порядка 10 4 …10 5 Гц. Основными источниками погрешностей этих приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора.

Термоэлектрические приборы. Эти приборы используются для измерения токов в диапазоне высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и прибора магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь (рис. 4.12) содержит нагреватель Н, по которому протекает измеряемый ток I, и связанную с ним термопару ТП.

Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные (рис. 4.12, а) и бесконтактные (рис. 4.12, б). В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепью, что не всегда допустимо.

Рис. 4.12. Термоэлектрический преобразователь

В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары изолятором из стекла или керамики, либо воздушной прослойкой.

Рабочий спай термопары (см. рис. 4.12, а) находится в тепловом контакте с нагревателем, который представляет собой тонкую проволоку из сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин). Для изготовления термопары применяются еще более тонкие проволочки из термоэлектродных материалов. При прохождении измеряемого тока через нагреватель место контакта нагревателя и термопары нагревается до температуры t₁, а холодный спай b остается при температуре окружающей среды t.

В установившемся тепловом режиме мощность, выделяемая в нагревателе P_выд, и мощность, рассеиваемая нагревателем в окружающую среду P_рас, равны. Если учесть, что

,

где a_m – коэффициент теплоотдачи от нагревателя к окружающей среде; S – площадь теплоотдающей поверхности нагревателя; q – перегрев рабочего спая термопары над температурой окружающей среды (q = t₁–t); R_н – сопротивление нагревателя, то

.

При перегреве рабочего спая термопары на величину q в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила

,

где k – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, при прохождении измеряемого тока через нагреватель в цепи магнитоэлектрического прибора возникает постоянный ток I_V, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения измеряемого тока,

,

где R_V – сопротивление магнитоэлектрического прибора.

Поскольку действие прибора основано на тепловом действии тока, то понятно, что магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем измеряет среднеквадратическое значение переменного тока любой формы. Шкала термоэлектрического прибора близка к квадратичной.

Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отнести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения среднеквадратических значений токов произвольной формы. Недостатками термоэлектрических приборов являются неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружающей среды и большая инерционность термопреобразователей. Термоэлектрические приборы очень чувствительны к перегрузкам.

В зависимости от назначения термоэлектрические приборы имеют различные пределы измерения (от 1 мА до 50 А), классы точности (от 1,0 до 2,5) и частотный диапазон (от 45 Гц до сотен мегагерц).

Дата добавления: 2015-10-22 ; просмотров: 2358 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ