Магнітоелектричні вимірювальні прилади

Принцип роботи магнітоелектричних (МЕ) вимірювальних механізмів базується на взаємодії магнітного поля котушки зі струмом і поля постійного магніту. Котушка-рамка є рухомим елементом.

Схематична будова вимірювального механізму з зовнішнім магнітом і рухомою рамкою наведена на рис.4.6. Постійне магнітне поле створюється постійним магнітом 1, виконаним із магнітотвердого матеріалу. Магнітний потік від постійного магніту 1 замикається через магнітопроводи 2, полюсні наконечники 3 і нерухоме магнітне осердя 4. При цьому в робочому зазорі між полюсними наконечниками 3 і нерухомим магнітним осердям 4, в якому розміщується рухома рамка 6, створюється рівномірне магнітне поле. Чутливість приладу коригується переміщенням магнітного шунта 7, завдяки чому магнітний потік перерозподіляється між шунтом і робочим зазором і тим самим змінюється величина індукції магнітного поля в робочому зазорі. Струм до рухомої котушки підводиться через дві спіральні пружинки 5. Щойно означене призначення цих пружинок, як струмопідводів, є важливим, але не головним. Основною функцією пружних елементів 5 є створення ними обертального моменту протидії, який зрівноважує обертальний момент, створюваний магнітним полем струму, що протікає у витках рухомої котушки 6. Сàме в ці пружинки закладається, в них зберігається і з них у вимірювальних приладах відтворюється копія еталону вимірюваної величини. Саме параметрами цих пружинок визначаються діапазони вимірюваних приладами значень фізичних величин.

При протіканні струму і через витки рухомої котушки виникає обертальний момент М_і, миттєве значення якого визначається виразом (4.2). Енергія електромагнітного поля, пов’язаного з рухомою котушкою:

W_е = Ψ^.і, (4.7)

де Ψ = BSwα - потокозчеплення рухомої котушки 6; В - індукція магнітного поля в робочому зазорі між нерухомим осердям 4 і полюсними наконечниками 3; S - площа, охоплювана витком рухомої котушки; w - число витків в обмотці рухомої котушки; α - кут повороту рухомої котушки за умови її повного заспокоювання. Виходячи з цього, вираз для миттєвого обертального моменту матиме вигляд:

.

Якщо через витки рухомої котушки протікає змінний струм, наприклад, синусоїдальної форми (i = I_mSinωt), то обертальний момент M_i = BSwI_mSinωt. В такому разі, характер відпрацювання механізмом приладу дії на нього такого обертального моменту визначатиметься співвідношенням частоти струму ω і частоти власних коливань пружно підвішеної рухомої частини вимірювального приладу ω₀. У реальних МЕ вимірювальних приладів значення періоду власних коливань рухомої частини вимірювального механізму, як правило, перевищує 1 с (це означає, що для них ω₀ < 6,28 с^-1). Реально це означає, що такі вимірювальні прилади не здатні реагувати на струми з частотами більше 10 Гц, оскільки їх рухомі частини є настільки інерційними, що вони просто не в змозі відслідковувати зміни таких швидкоплинних (для них) сигналів. При зменшенні частоти струму (< 10 Гц) рухома частина вимірювального приладу почне все помітніше коливатися з частотою струму, що протікає через неї. З подальшим зменшенням частоти струму амплітуда коливань рухомої частини вимірювального приладу буде збільшуватися і вона все точніше буде відслідковувати зміни струму, що протікає через неї. Це означає, що МЕ прилади слід використовувати для вимірювань лише в колах постійного струму.

При протіканні по витках рухомої котушки постійного струму І в котушці виникає обертальний момент

M_i = BswI. (4.8)

Підставляючи (4.8) в (4.6), з врахуванням того, що момент протидії створюється пружними елементами(за виразом (4.2)), отримаємо вираз для визначення кута відхилення a стрілки-покажчика як функції вимірюваного струму І:

BswI = – ka,

Звідки знаходимо рівняння шкали МЕ вимірювального приладу, не звертаючи уваги на знак “мінус”:

(4.9)

тут S_i = Bsw/k - чутливість вимірювального механізму до струму, або струмова чутливість вимірювального механізму.

Приладам МЕ типу притаманна низка переваг перед вимірювальними приладами інших типів.

Як видно з виразу (4.9), кут відхилення рухомої котушки прямопропорційний струмові, що протікає в витках котушки. Це означає, що відлікова шкала МЕ приладу є лінійною, що є суттєвою перевагою цього типу приладів. Вони простіші у градуюванні і забезпечують кращі показники точності вимірювань.

Ще однією перевагою МЕ приладів є те, що в них реалізується принцип магнітоіндукційного заспокоювання рухомої частини вимірювального механізму. Відбувається це завдяки взаємодії індукційних струмів, що наводяться в дюралюмінієвому каркасі рухомої котушки, з магнітним полем в робочому зазорі. Таким чином, МЕ прилади не потребують застосування окремих демпферів, що спрощує їх конструкцію і підвищує надійність їх роботи.

МЕ вимірювальні прилади мають високу чутливість і мале власне споживання енергії.

Стабільність параметрів матеріалів конструкції МЕ приладів обумовлює їх лінійну і стабільну номінальну статичну характеристику перетворення a = f(I).

Особливості конструкції вимірювального механізму роблять їх невразливими щодо можливих деструктивних впливів на результат вимірювання зовнішніх електричних та магнітних полів.

Разом з тим МЕ вимірювальні прилади мають малу перевантажувальну здатність по струму, вони є відносно складними у виготовленні та складанні, а отже, є дорогими. До недоліків можна віднести і те, що МЕ прилади здатні працювати лише на постійному струмі.

Дата добавления: 2014-01-07