8-3. Измерительные механизмы приборов

Основной частью каждого прибора непосредственной оценки является измерительный механизм (измеритель).

Измерительный механизм — это часть конструкции прибора, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение. По углу поворота подвижной части измерительного механизма определяется значение измеряемой величины.

а) Магнитоэлектрический измерительный механизм

В воздушном зазоре А (рис. 8-1) между неподвижным стальным цилиндром Б и полюсными башмаками магнит создает однородное радиальное магнитное поле. В этом поле расположена прямоугольная катушка — рамка В, укрепленная на двух полуосях — кернах, установленных в опорах.

Рис. 8-1. Магнитоэлектрический измерительный механизм.

Рис. 8-2. Получение вращающего момента в магнитоэлектрическом измерительном механизме.

На передней полуоси закреплена указательная стрелка, под свободным концом которой расположена шкала. Обмотка рамки состоит из изолированного провода малого сечения на номинальный ток 10—100 мА.

Ток к рамке подводится через спиральные пружины. Этот ток, проходя по виткам рамки, взаимодействуя с магнитным полем, создает пару сил (рис. 8-2), образующих вращающий момент.

Под действием этого момента рамка (подвижная часть), повернется на угол а, при котрром он уравновесится противодействующим моментом, созданным пружинами.

Так как вращающий момент пропорционален току а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин то можно написать:

где k и D — коэффициенты пропорциональности.

Из написанного следует, что угол поворота подвижной части

а ток в катушке

где — чувствительность прибора к току, определяемая числом делений шкалы, соответствующим единице тока; — постоянная по току, известная для каждого прибора.

Следовательно, измеряемый ток можно определить произведением угла поворота (отсчитывается по шкале) и постоянный по току

Успокоителем называется устройство для уменьшения времени колебаний подвижной части, возникающих после включения прибора под нагрузку или после изменения значения измеряемой величины.

В магнитоэлектрическом измерителе применяется магнитоиндукционное успокоение. Успокоителем служит каркас рамки. При повороте рамки изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас. Взаимодействие тока, индуктированного в каркасе, с магнитным полем создает тормозной момент, обеспечивающий успокоение.

При переменном токе вращающий момент изменяется Цропорционально мгновенному значению тока. При стандартной частоте момент изменяется настолько быстро, что вследствие инерции подвижная часть поворачивается на угол, пропорциональный среднему за период значению вращающего момента, а следовательно, и среднему значению тока. Среднее значение синусоидального тока равно нулю и подвижная часть не отклоняется.

Следовательно, рассмотренный измерительный механизм пригоден только для цепей постоянного тока.

Однако если подвижную часть измерителя выполнить в виде узкой петли 2 (рис. 8-3), то вследствие незначительной инерции ее, при прохождении переменного тока по петле, средняя часть ее с укрепленным на ней зеркальцем 3, будет поворачиваться на угол, пропорциональный мгновенному значению тока. По амплитуде отклонений луча, отраженного от зеркальца, можно судить о силе тока в петле.

Рис. 8-3. Вибратор магнитоэлектрического осциллографа.

В осциллографах таким измерителем (вибратором) магнитоэлектрической системы пользуются для получения на фотопленке кривой измеряемого тока, а также для визуального наблюдения кривой тока.

б) Электромагнитный измерительный механизм

Электромагнитный измеритель (рис. 8-4) имеет неподвижную катушку А и подвижную часть, состоящую из укрепленных на оси стального сердечника Б, указательной стрелки, пружины и алюминиевого сектора В успокоителя.

Рис. 8-4. Электромагнитный измерительный механизм.

Измеряемый ток, проходя по катушке, намагничивает сердечник и втягивает его в катушку. По углу поворота подвижной части определяют силу тока.

При повороте подвижной части измерителя в секторе В успокоителя, расположенном в поле магнита М, возникают вихревые токи, взаимодействие которых с полем того же магнита создает тормозной момент, вызывающий успокоение.

Электромагнитный измеритель применяется для измерения постоянного и переменного тока, так как сердечник втягивается в катушку при любом направлении тока.

Из-за остаточной индукции сердечника угол поворота его может быть различным при одинаковых значениях тока при нарастании и при спаде его. Это приводит к погрешности от остаточной индукции. Для уменьшения ее сердечник изготовляют из материала с малой остаточной индукцией (пермаллой).

Уменьшения влияния внешних магнитных полей на показания измерителя достигают: 1) окружая измеритель стальным экраном или кожухом; 2) применением астатического измерителя с двумя сердечниками на одной оси и соответственно с двумя катушками, соединенными последовательно. Поля катушек, созданные измеряемым током, направлены противоположно. Поэтому внешнее однородное поле ослабляет поле одной катушки и усиливает поле другой катушки, в результате влияние внешнего поля будет достаточно слабым.

в) Электродинамический измерительный механизм

Электродинамический измеритель (рис. 8-5) состоит из двух катушек: неподвижной А и подвижной Б, Подвижная катушка, стрелка, крыло В воздушного успокоителя и концы двух пружин укреплены на одной оси. В результате электродинамического взаимодействия между токами проходящими по катушкам, возникает вращающий момент (рис. 8-6). Под действием этого момента подвижная часть повернется на угол а, при котором он уравновесится противодействующим моментом пружин.

В цепи постоянного тока вращающий момент и угол поворота подвижной части пропорциональны произведению токов, т. е.

(8-6)

В цепи переменного тока мгновенный вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значений токов, а средний за период вращающий момент и угол поворота подвижной части зависит не только от действующих значений токов, но и от косинуса угла сдвига между ними, т. е.

По этому углу поворота (§ 8-4 и 8-5) определяют значение измеряемой величины.

Слабому магнитному полю измерителя соответствует слабый вращающий момент, и для получения высокой точности, которой обладают эти измерители, необходимо уменьшить погрешность от трения в опорах.

Рис. 8-5. Электродинамический измерительный механизм.

Рис. 8-6. Получение вращающего момента в электрическом измерительном механизме.

Это достигается уменьшением массы подвижной, части и хорошей обработкой осей и опор.

Уменьшение влияния внешних магнитных полей достигается экранированием или применением астатического измерителя. Электродинамические измерители чувствительны к перегрузкам.

г) Ферродинамический измерительный механизм

Магнитная, цепь ферродинамического измерителя (рис. 8-7) состоит из магнитопровода А и неподвижного цилиндрического сердечника Б, выполненных из листовой стали.

Неподвижная катушка В с током возбуждает магнитный поток, который взаимодействует с током в подвижной катушке Г, укрепленной на одной оси со стрелкой.

Рис. 8-7. Ферродинамический измерительный механизм.

Таким образом, принцип работы измерителя тот же, что и электродинамического. Справедливыми остаются и формулы (8-6) и (8-7).

Присутствие стали) усиливает магнитный поток и вращающий момент, что позволяет получить более прочную конструкцию. Внешнее поле практически не влияет на показания измерителя.