книги / Электрорадиоизмерения
..pdfа чувствительность по току равна:
с |
a |
BSw |
(2- 10) |
|
6/==Т = ~ЁГ- |
||||
|
||||
Из формулы (2-10) |
видно, |
что чувствительность маг |
||
нитоэлектрического прибора —величина постоянная и опре деляется основными конструктивными параметрами измери тельного механизма.
Ток, проходящий по обмотке, равен: |
|
|||
|
; = ' а = С/а, |
|
(2-11) |
|
где С/ = |
1/5/ — постоянная прибора |
по току. |
||
Чтобы по обмотке измерительного механизма протекал |
||||
ток /, нужно к зажимам прибора приложить |
напряжение, |
|||
равное |
U=^IR = CiaR = Сиа, |
(2-12) |
||
|
||||
где |
R — сопротивление |
измерительного механи |
||
Сц = |
зма; |
|
по напряжению. |
|
CjR — постоянная прибора |
||||
Из формулы (2-12) следует, |
что по |
углу |
поворота под |
|
вижной части можно определить напряжение, приложенное к зажимам прибора. Таким образом, магнитоэлектрические приборы можно применять для измерения напряжения.
Если изменить направление тока, протекающего по обмотке рамки, то изменится и направление вращающего момента. Стрелка прибора будет отклоняться в другую сто рону. Поэтому на приборе указана полярность зажимов, которую необходимо соблюдать при включении его в цепь постоянного тока.
При включении магнитоэлектрического прибора в цепь переменного тока направление вращающего момента, дейст вующего на рамку, будет меняться с частотой изменения тока. Подвижная часть вследствие своей инерции не успе вает реагировать на изменение вращающего момента и практически не отклоняется. Стрелка прибора может лишь слегка вибрировать около нулевой отметки. Таким образом, приборы магнитоэлектрической системы можно применять только в цепях постоянного тока. В то же время свойство подвижной части магнитоэлектрического механизма совер шать колебания при включении в цепь переменного тока низкой частоты используется в некоторых приборах, напри мер вибраторах электромеханических осциллографов и вибрационных гальванометрах. Эти приборы имеют мало
инерционную подвижную часть, что позволяет получить значительную амплитуду колебаний.
В магнитоэлектрических измерительных механизмах используется магнитоиндукционное успокоение подвижной части. Роль успокоителя играет алюминиевый каркас рамки.
Во время |
движения рамки в постоянном магнитном поле |
в каркасе |
индуктируется э. д. с. и текут вихревые токи. |
В результате взаимодействия этих токов с полем постоянного магнита создаются силы, тормозящие движение рамки.
Магнитоэлектрические логометры. Магнитоэлектрические логометры имеют подвижную часть с двумя рамками (рис. 2-8). И вращающий, и противодействующий моменты в изме рительных механизмах логомет-
|
ров |
создаются |
взаимодействием |
|||
|
токов с постоянным |
магнитным |
||||
|
полем. Упругие элементы в них |
|||||
|
отсутствуют, |
поэтому при |
от |
|||
|
сутствии тока в рамках подвиж |
|||||
|
ная часть может занимать лю |
|||||
|
бое положение. |
|
|
|
||
|
В отличие от обычных маг |
|||||
|
нитоэлектрических |
в |
измеритель |
|||
|
ных |
механизмов |
воздушном |
|||
Рис. 2-8. Устройство магни |
зазоре логометра |
создается |
не |
|||
тоэлектрического логометра. |
равномерное |
магнитное поле. |
||||
|
Это |
является |
обязательным |
ус |
||
ловием и обеспечивается специальной формой сердечника, как показано на рис. 2-8, или формой полюсных наконеч ников.
К обмоткам рамок 1 и 2 через безмоментные тонкие ленточки подводятся токи IL и / 2 соответственно. Направ ления токов выбирают так, чтобы моменты, действующие на рамки, были направлены встречно.
Угол поворота подвижной части логометра зависит от
отношения токов IL и / 2: |
|
а = |
(2-13) |
Следует отметить, что отношение токов измеряют лого метры не только магнитоэлектрической, но и других систем (греческое слово «логос» означает отношение).
Особенности приборов магнитоэлектрической системы. Основная погрешность магнитоэлектрических приборов обу словливается моментом трения, неточностью градуировки
шкалы и дефектами при сборке. Погрешность от трения незначительная, а при установке подвижной части на рас тяжках вообще отсутствует. Остальные виды погрешностей также можно свести к минимуму при тщательном изготов лении прибора. Дополнительные погрешности магнито электрических приборов также невелики. Их основными причинами являются влияние температуры и внешних магнитных полей.
Изменение температуры окружающей среды вызывает изменение: 1) упругости пружины; 2) магнитного потока постоянного магнита; 3) сопротивления обмотки и подводя щих проводников. Первые две причины температурной погрешности оказывают противоположное влияние на по казания прибора и компенсируют друг друга. Для умень шения погрешности за счет изменения сопротивления изме рительной цепи под действием температуры в точных при борах применяют различные схемы компенсации.
Влияние внешних магнитных полей на показания магни тоэлектрических приборов незначительно, так как эти при боры обладают сильным собственным магнитным полем. Наиболее точные приборы имеют магнитный экран.
Таким образом, для приборов магнитоэлектрической системы характерна высокая точность. Они являются наибо лее точными по сравнению с приборами непосредственной оценки других систем и изготовляются вплоть до класса точности 0,1.
Большими достоинствами магнитоэлектрических прибо ров являются равномерность шкалы, высокая чувствитель ность и малая мощность потерь. У наиболее чувствительных приборов — гальванометров магнитоэлектрической системы чувствительность может достигать величины 4 • 10:*дел/мкА.
Основным недостатком приборов магнитоэлектрической системы является невозможность их применения без спе циальных преобразователей в цепях переменного тока. Кроме того, они отличаются относительно сложной кон струкцией. Тем не менее благодаря своей высокой чувстви тельности и точности эти приборы получили наибольшее распространение и широко применяются в электронных измерительных приборах. Применение выпрямителей и термопреобразователей дает возможность использовать маг нитоэлектрические приборы и в цепях переменного тока.
Приборы магнитоэлектрической системы используются главным образом в качестве гальванометров, амперметров, вольтметров и омметров (логометры).
сердечника и его расположения в катушке можно менять коэффициент К. по мере изменения а и добиться тем самым уменьшения неравномерности шкалы. Сделать практически равномерной всю шкалу невозможно, ее начальная часть очень сжата и рабочей является часть шкалы от 20—25% до 100% ее верхнего предела.
Поскольку значение тока в выражение (2-14) входит во второй степени, очевидно, что знак угла поворота не зави сит от знака тока. Действительно, изменение направления тока вызывает изменение направления магнитных силовых линий, а сердечник, как известно, притягивается и север ным, и южным полюсом магнита. Таким образом, приборы электромагнитной системы могут применяться и в цепях переменного тока. В этом случае угол поворота зависит от квадрата действующего значения переменного тока.
Электромагнитные логометры содержат две неподвиж ные катушки и два сердечника, укрепленных на одной оси. Конструктивно они выполнены так, что вращающие момен ты от взаимодействия каждой катушки со своим сердечни ком направлены в противоположные стороны. Угол пово рота подвижной части зависит от отношения токов в катуш ках.
Астатические измерительные механизмы. Электромаг нитные измерительные механизмы обладают слабым соб ственным магнитным полем. Поэтому они в значительной степени подвержены влиянию внешних магнитных полей, что вносит существенную погрешность в показания прибо ров. Применение магнитных экранов уменьшает эту по грешность, но не всегда в достаточной мере. Практически исключить влияние внешних магнитных полей удается в астатических измерительных механизмах.
Устройство астатического измерительного механизма электромагнитной системы показано на рис. 2-10, а. Этот механизм имеет две катушки, соединенные между собой последовательно, и два сердечника, укрепленные на одной оси. Вращающие моменты, действующие на ось при втя гивании сердечников, направлены в одну сторону. Таким образом, подвижная часть поворачивается под действием суммы двух моментов. Направления обмоток выбраны так, что магнитные потоки катушек Ф1 и Ф2 (рис. 2-10, б) на правлены встречно. При появлении внешнего магнитного поля с потоком Фтсш поле одной катушки усиливается, другой —ослабляется. Тогда один вращающий момент уве личивается, другой — на столько же уменьшается. Сумма
3 Г. М. Терешин, Т. Г. Пышкина |
65 |
вращающих моментов, действующих на подвижную часть прибора, остается неизменной.
Особенности приборов электромагнитной системы. Точ ность электромагнитных измерительных приборов ниже по сравнению с магнитоэлектрическими. Это объясняется в основном влиянием внешних магнитных полей, остаточной магнитной индукцией сердечников, возникновением вих ревых токов в металлических деталях приборов. За счет
остаточной магнитной индукции для одних и тех же зна чений постоянного тока показания прибора при убывании тока будут больше, чем при его возрастании. Изготовление сердечников из пермаллоя, имеющего узкую петлю гистере зиса, позволяет существенно снизить эту погрешность. При работе электромагнитного прибора на переменном токе в его металлических деталях возникают вихревые токи, ослабляющие основное магнитное поле. Эта погрешность увеличивается с возрастанием частоты.
Большинство современных измерительных приборов элек тромагнитной системы имеет классы точности: 1,0; 1,5; 2,5. Применение астатических механизмов, высококачественных
сплавов для сердечников позволяет получить приборы классов 0,5 и даже 0,2.
Достоинствами электромагнитных приборов являются: возможность их непосредственного применения в цепях пере менного тока (с частотой до 8000 Гц), простота конструкции и сравнительно низкая стоимость, надежность в эксплуата ции и устойчивость к перегрузкам.
К основным недостаткам этих приборов относятся: низ кая чувствительность и точность, большое потребление мощности, неравномерность шкалы. Повышение точности за счет использования астатических измерительных меха низмов значительно усложняет конструкцию приборов и повышает их стоимость.
Приборы электромагнитной системы применяются в основном в цепях переменного тока в качестве амперметров
ивольтметров. Электромагнитные логометры используют
вчастотомерах, фазометрах, микрофарадометрах (приборах для измерения емкости).
2-6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ
И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМ
Устройство и принцип действия электродинамических измерительных механизмов. Схема устройства измеритель ного механизма электродинамической системы представлена на рис. 2-11, а. Он состоит из неподвижной катушки Л, внутри которой может поворачиваться подвижная катушка Б . Неподвижная катушка, состоящая обычно из двух секций, наматывается толстым медным проводом и имеет малое количество витков. Подвижная катушка имеет боль шое количество витков проводом малого сечения. На оси 1 помимо подвижной катушки укреплены спиральные пружины 2, указательная стрелка 4 и крыло воздушного успокоителя 3. Магнитоиндукционные успокоители в элект родинамических приборах применяются редко. Ток к под вижной катушке подводится через спиральные пружины (или растяжки), которые одновременно служат для создания противодействующего момента.
При прохождении измеряемого тока по катушкам в ре зультате взаимодействия тока подвижной катушки с маг нитным полем тока неподвижной катушки создается вра щающий момент (рис. 2-11, б). Подвижная катушка стре мится занять положение, когда магнитные поля катушек совпадают. На постоянном токе принципы действия элект-
родинамического и магнитоэлектрического механизмов ана логичны. Только в электродинамическом приборе магнитное поле создается не постоянным магнитом, а током неподвиж ной катушки.
Рис. 2-11. Устройство измерительного механизма электродина мической системы (а) и схема, поясняющая принцип его дей ствия (б).
Сила, действующая на подвижную катушку, а следова тельно, и вращающий момент пропорциональны произ ведению токов, протекающих по катушкам. Вращающий момент определяется по формуле
|
|
MBp= /C i/1/ 2, |
(2-15) |
где |
и / 2 — токи, |
протекающие по |
неподвижной и |
|
подвижной катушкам; |
|
|
К\ = f (а) — коэффициент, зависящий от угла поворота |
|||
В |
подвижной катушки. |
|
|
установившемся |
положении подвижной части вра |
||
щающий момент равен противодействующему, создаваемому упругими пружинами Мвр = Мпр.
Подставив в это условие равновесия значения моментов
из формул (2-2) и (2-15), получим: |
|
K J i f 2 = Da, |
|
откуда |
|
a = J l /i/* = K ,/i/„ |
(2-16) |
где
Таким образом, угол поворота подвижной части элек тродинамического механизма пропорционален произведе нию токов, протекающих по катушкам. При одновременном изменении направления токов в катушках знак угла пово рота не меняется. Это значит, что электродинамические приборы могут использоваться в цепях постоянного и пере менного тока.
Если по катушкам текут переменные токи одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на угол ф и равные
^*1 == ^1макс |
0)/, /2== 12маке $Ш (со/ — ф ), |
то угол поворота подвижной части определяется по формуле
a=/C2/i/2 соаф, |
(2-17) |
где /j и / 2 действующие значения токов неподвижной и подвижной катушек.
Электродинамические логометры, схема устройства которого показана вижной катушки Л, разбитой на две секции, и двух подвижных катушек
и Б.1у жестко скрепленных между собой под определенным углом. То ки к подвижным катушкам подво дятся при помощи безмоментных ленточек. Вращающие моменты, действующие на подвижные катуш ки, Направлены встречно. Равнове сие Подвижной части наступает при равенстве этих моментов. При от ключенном приборе стрелка элек тродинамического логометра, так же как и логометров других си стем, не возвращается на нуль, а может занимать любое положе ние.
Электродинамический логометр, на рис. 2-12, состоит из непод-
бг
м
)й
ш
_ 1 i'л
Электродинамические |
логомет |
Рис. 2'12. Устройство электро |
ры применяются только |
на пере |
менном токе, так как в цепях посто |
динамического логометра. |
|
янного тока целесообразнее исполь |
||
|
||
зовать магнитоэлектрические логометры. |
|
Если по неподвижной катушке течет ток / а „
соответственно токи / х |
и / 2, то угол поворота пппп° Дв^ ! подвижньш |
||
1 |
1 |
J |
рита подвижной части не зави- |
|
|
|
|
|
|
(2- 18) |
где % — угол |
сдвига фаз |
между токами |
/ |
и |
/ х; |
|
ф2 — угол |
сдвига фаз |
между |
токами |
/ |
и |
/ 2. |
Особенности приборов |
электродинамической системы. |
|||||
Отсутствие стальных сердечников в электродинамических измерительных механизмах исключает погрешности от гистерезиса и вихревых токов. В то же время они обладают слабым собственным магнитным полем, в результате чего очень чувствительны к влиянию внешних магнитных полей. Если прибор используется на постоянной токе, то на его показания влияют постоянные магнитные поля, если на переменном — то переменные. Для уменьшения этого влия ния применяют экранирование, а также астатические меха низмы. Стальной экран, внутрь которого помещается измери тельный механизм, обладает большой магнитной прони цаемостью по сравнению с воздухом. Поэтому основная часть магнитных силовых линий внешнего поля замыкается по экрану, а внутри его поле почти отсутствует.
Астатические электродинамические приборы, так же как и электромагнитные, имеют два измерительных механиз ма на одной оси. Внешнее магнитное поле увеличивает вра щающий момент одного из них и настолько же уменьшает момент другого, в результате чего суммарный момент, действующий на подвижную часть, остается неизменным.
Применение мер, исключающих влияние внешних по лей, и тщательное изготовление измерительных механизмов позволяет получить электродинамические приборы высо кой точности. Они применяются обычно в качестве образцо вых й для точных лабораторных измерений. Электродинами ческие приборы чаще всего имеют классы точности: 0,1; 0,2 и 0,5.
Помимо высокой точности достоинством электродинами ческих приборов является возможность их применения как на постоянном, так и на переменном токе. Эти приборы используются в основном на частотах до 1000 Гц, а иногда
ивыше.
Кнедостаткам электродинамических приборов отно сятся: влияние внешних магнитных полей, низкая чувстви тельность, большое (по сравнению с магнитоэлектрическими приборами) потребление мощности, высокая стоимость.