Приборы магнитоэлектрической системы

Приборы магнитоэлектрической системы (или, иначе, магнитоэлектрические приборы) являются самыми распространенными стрелочными электроизмерительными приборами.  Эти приборы обладают высокой чувствительностью и применяются не только, как самостоятельные приборы для измерения силы тока и напряжения, но и встраиваются в другие, более сложные приборы, снабженные измерительными преобразователями различного назначения, принципа действия и исполнения.

Принцип действия магнитоэлектрического прибора (в дальнейшем МЭ - прибора) основан на взаимодействии проводника с током и магнитного поля. На рис. 27 представлен схематический чертеж МЭ - прибора с примером возможных надписей на его шкале. Обозначение типа отечественных приборов содержит сведения о системе (‘М’ - магнитоэлектрический) и о заводе-изготовителе (первая цифра ‘1’ - завод “Вибратор”).

Магнитное поле создается постоянным магнитом, прошедшим стабилизацию. Между полюсами магнита расположен сердечник таким образом, чтобы воздушный зазор, в котором движется рамка с обмоткой, был равномерным. В обмотку рамки через пружинки или иные упругие элементы, например, растяжки, поступает ток I, и в результате его взаимодействия с постоянным магнитным полем возникает вращающий момент , где B - индукция магнитного поля в зазоре, S - площадь обмотки рамки, w - число витков обмотки рамки. Вращающему моменту противодействует момент, создаваемый пружинкой или растяжкой, который в пределах упругих деформаций этих элементов линейно зависит от угла поворота рамки a :  , где W - жесткость пружинки (растяжки). В установившемся состоянии, когда ,

с такой точностью, которая обеспечивается стабильностью индукции магнитного поля в зазоре и жесткости пружинки (растяжки). Современные технологии изготовления и стабилизации магнитов и упругих элементов позволяют достигать значений основной приведенной погрешности МЭ - приборов вплоть до 0,1%.

Поскольку угол поворота рамки и, стало быть, стрелки линейно зависит от тока в рамке, шкалы автономно применяемых МЭ - приборов равномерные.

В переходном режиме, когда ток в рамке изменяется, движение рамки описывается дифференциальным уравнением второго порядка, как колебательной системы, имеющей инерционную массу и жесткость:

                     ,                                   (28)

где J - момент инерции подвижной части (рамки и стрелки), второе слагаемое есть момент сопротивления, пропорциональный скорости движения рамки. Этот момент для МЭ - приборов складывается из момента сопротивления воздуха и момента торможения, вызванного током, возбужденным перемещением обмотки рамки в магнитном поле (аналог рекуперативного торможения электрического двигателя). Указанное свойство МЭ - приборов используют для предохранения стрелки от повреждений при транспортировании путем закорачивания обмотки рамки. В этом случае ток, возбужденный в обмотке рамки при тряске и ударах, будет максимальным, следовательно, максимальным будет и торможение стрелки.

Предельно достижимые значения параметров МЭ - приборов:

- предел допускаемой основной приведенной погрешности - от 0,1%,

- ток полного отклонения стрелки от 10 мкА.

В силу таких высоких показателей МЭ - приборы имеют широкое применение. Примеры применений 1) ¸ 8) показаны на рис. 27 справа.

1) Использование в качестве амперметра со стандартными шунтами, падение напряжения на которых 10 мВ, 45 мВ, 75 мВ. Пределы измерения постоянного  тока  с  помощью таких амперметров - от  А (гальванометры) до 10 000 А (с шунтом). Основная приведенная погрешность от 0,2%.

2) Вольтметр постоянного тока с добавочным сопротивлением R. Высокая чувствительность МЭ - приборов позволяет достичь довольно высокого сопротивления подобных вольтметров. Так, при токе полного отклонения стрелки прибора 10 мкА сопротивление вольтметра на основе МЭ - прибора составит 100 000 Ом/В. При диапазоне измерений В собственное сопротивление вольтметра составит 1.0 МОм.  Такое высокое сопротивление вольтметра обеспечивает благоприятные условия взаимодействия с объектом ( см. п. 2.2).

Пределы измерений от  до . Основная приведенная погрешность от 0,2%.

3) Амперметры для измерения действующего значения переменного тока в пределах от 0.005 А до 100 А (с трансформатором тока) в частотном диапазоне до  Гц с погрешностью от 1%. Измеряемый ток поступает в термопреобразователь и нагревает проволоку, температура которой определяется выделяемой в ней активной мощностью этого тока, то есть действующим значением тока. До этой же температуры нагревается горячий спай термопары, и возникающий в ней ток измеряется МЭ - прибором.

4) Выпрямительный амперметр. Показанные на схеме диоды включены в противоположных направлениях для того, чтобы включение такого амперметра в исследуемую цепь не приводило к выпрямлению тока в этой цепи. Сопротивление R должно быть равно сопротивлению рамки прибора. Ток в цепи должен оставаться переменным.

Пределы измерений от  до  (с трансформатором тока). Основная приведенная погрешность от 1,5%.

5) Высокочувствительные электронные аналоговые амперметры и вольтметры постоянного тока и напряжения с усилителем. Используемые здесь усилители помимо повышения чувствительности обеспечивают благоприятные условия взаимодействия с объектом измерений (см. п. 2.2) за счет того, что входное сопротивление усилителя тока (для амперметра) может быть сделано пренебрежимо малым, а входное сопротивление усилителя напряжения (для вольтметра), напротив, - очень большим до  Ом. 

Пределы измерений силы тока от  до 1.0 А, напряжения - от В до В. Основная приведенная погрешность от 1,5%.

6) Высокочувствительные электронные амперметры и вольтметры параметров переменного тока и напряжения. В этих приборах, как и в предыдущих, усилитель исполняет одинаковые функции. Кроме того здесь могут быть предусмотрены частотные фильтры, обеспечивающие частотный анализ измеряемого (исследуемого) сигнала.

Пределы измерений силы тока от  до 1.0 А, напряжения - от  до . Основная приведенная погрешность амперметров и вольтметров от 1,5%.

Недостаток выпрямительных амперметров и вольтметров переменного тока: угол отклонения стрелки МЭ-прибора пропорционален постоянной составляющей выпрямленного тока, но все такие приборы градуируются в действующих значениях тока и напряжения. Это означает, что объявленные характеристики инструментальной погрешности подобных приборов справедливы только для той формы кривой тока или напряжения, для которой выполнена градуировка, а именно, для синусоидальной. Погрешность, вызванная отличием формы кривой от синусоидальной, может составить величину до 11%, что соответствует максимальному значению коэффициента формы кривой.

7) Амплитудный электронный вольтметр. Показанная на рисунке входная цепь, состоящая из конденсатора и диода (схема фиксатора), при высоком входном сопротивлении усилителя обеспечивает выделение на диоде пульсирующего напряжения с постоянной составляющей, примерно равной двойной амплитуде измеряемого напряжения. Это происходит потому, что конденсатор, зарядившись до амплитудного значения напряжения в следующий полупериод запирает диод и тем самым поднимает входное напряжение на величину его амплитуды. Погрешность такого преобразования вызывается частичным разрядом конденсатора на входное сопротивление усилителя.

8) Аналоговый омметр. На схеме показаны:

 - внутренний источник постоянного напряжения,

П - переключатель пределов измерения,

К - ключ, замыкание которого имитирует нулевое значение измеряемого сопротивления, при замкнутом ключе К с помощью переменного сопротивления  устанавливается электрический ‘0’ шкалы омметра, которому соответствует ток полного отклонения стрелки МЭ - прибора.

После установки нуля ключ К размыкается, и выполняется измерение сопротивления . Очевидно, что при  ток через МЭ - прибор не течет, стрелка не отклоняется, и отметка ‘¥’ оказывается на левой границе шкалы сопротивлений омметра.

Пределы измерения - от единиц Ом до сотен тысяч Ом. Основная приведенная погрешность - не лучше, чем  1,5% .

9) Магнитоэлектрический кулонометр. Чтобы на основе МЭ - прибора создать прибор для измерения заряда, следует уменьшить, по возможности, момент инерции подвижной части и противодействующий момент. Поэтому у кулонометров отсутствуют пружинки (растяжки), ток в обмотку рамки подается через безмоментные подводы, а подвижная часть максимально облегчена. Тогда в идеальном случае уравнение движения подвижной части кулонометра находится из выражения (28):

                                       ,

откуда, по определению тока, как скорости изменения заряда, получим

                   ,                   ,

где  - интервал времени, в течение которого измеряемый заряд проходил через обмотку рамки. Результат измерения отсчитывается по шкале прибора в кулонах, как разница двух положений стрелки в момент времени присоединения к объекту и в момент завершения разряда объекта через обмотку рамки. В связи  с таким действием МЭ кулонометр снабжается устройством принудительной установки стрелки в некоторое начальное положение перед каждым измерением.

10) Магнитоэлектрический веберметр предназначен для измерения разности потокосцепления исследуемого постоянного магнитного поля с испытательной катушкой веберметра, площадь которой  S и число витков  известны. Он устроен и действует точно так же, как МЭ кулонометр.

Плоская катушка, присоединенная к зажимам веберметра, перемещается из одной в другую точку исследуемого магнитного поля. Пусть  - магнитные потоки в двух точках поля, тогда  и  - потокосцепления в этих точках. ЭДС и соответственно, ток, индуцирующиеся в катушке при ее перемещении из точки к точке, вычисляются через производную от потокосцепления по времени. В частности, , где R - сопротивление цепи. Подставляя эти выражения в формулы, записанные выше для кулонометра, получим:

         ,             .

Таким образом, для измерения разности между магнитными потоками (или потокосцеплениями) в двух точках магнитного поля необходимо установить стрелку веберметра в некоторое положение, затем присоединить к нему плоскую катушку с известной площадью и числом витков и переместить ее между этими точками магнитного поля. Стрелка веберметра переместится, и результатом измерения будет разность положений стрелки, отсчитанная в единицах магнитного потока.

Пределы измерений от 500 мкВб до  мкВб. Основная приведенная погрешность от 1,5%.