§ 2.6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого измеряемым током, со стальным сердечником, помещенным в это поле. Неподвижная катушка 1 (рис. 2-6) состоит из каркаса с навитой изолированной медной проволокой или медной лентой. При протекании измеряемого тока по обмотке катушки в ее плоской щели 2 создается магнитное поле. Вне катушки на агатовых подпятниках устанавливается ось 8 с эксцентрично укрепленным сердечником 4 из магнитомягкой стали со стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его внутрь щели, поворачивая тем самым и ось со стрелкой прибора. Этому повороту препятствует закручивающаяся спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент.

Рис. 2-6

Рис. 2-7

Пусть катушка с током I создает магнитное поле, которое намагничивает фасонный стальной сердечник и создает некоторую силу F, стремящуюся

повернуть сердечник вокруг оси (рис. 2-7). При переме щении точки С сердечника По дуге будет совершена работа

где R — радиус вращения точки центральный угол, соответствующий дуге .

Работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки поэтому

или

Учитывая, что получим:

Повороту сердечника противодействует спиральная пружина, создавая противодействующий момент

где k — жесткость пружины, а угол поворота сердечника. Тогда при достижении равновесия

Вообще говоря, и сильно зависит от формы сердечника. Положив в пределах поворота сердечника , получим:

где

Полученный результат показывает, что шкала электромагнитного прибора неравномерная. Она, в основном, должна быть квадратичной, т. е. сжатой в начале и растянутой в конце. Однако путем придания фасонной формы сердечнику и расположением его в катушке (что приведет к изменению множителя ) можно существенно улучшить характер шкалы, сделав ее практически равномерной в рабочей части.

Направление отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока одновременно изменяется направление магнитной индукции внутри катушки и в сердечнике, а характер их взаимодействия (притягивание) не изменяется. Этот же вывод следует и из выражения вращающего момента (2.8), в которое значение тока входит в квадрате. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны

и для измерения переменных токов. При измерении переменного тока подвижная система прибора поворачивается на некоторый угол, определяемый средним значением вращающего момента за период. Определим вращающий момент подвижной системы прибора.

Пусть измеряемый ток изменяется по закону

тогда мгновенное значение вращающего момента равно

а среднее за период значение этого момента

Таким образом, среднее значение вращающего момента, действующего на подвижную систему электромагнитного прибора при измерениях переменного тока, пропорционально квадрату действующего значения переменного тока, т. е. . Квадратичная зависимость угла поворота подвижной системы электромагнитного прибора от тока имеет простое физическое объяснение: ток в катушке создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник. В результате намагниченный сердечник взаимодействует с катушкой, при этом намагниченность сердечника изменяется вместе с изменениями тока в катушке.

Мы рассмотрели устройство и действие приборов с плоской катушкой. Помимо этой конструкции в настоящее время широкое применение получили так называемые приборы с круглой катушкой (рис. 2-8). Измеряемый ток протекает по обмотке круглой катушки 1 и создает внутри нее магнитное поле, в котором помещаются два стальных сердечника: один — неподвижный 2, прикрепленный к каркасу, другой — подвижный 3, связанный с осью прибора. Близлежащие концы сердечника под действием магнитного поля катушки намагничиваются одноименно и отталкиваются, вызывая соответствующий измеряемому току поворот подвижной системы. Очевидно, что приведенные рассуждения, относящиеся к приборам с плоской катушкой, справедливы и для приборов о круглой катушкой.

Рис. 2-8

Электромагнитные приборы применяются как амперметры и как вольтметры. В последнем случае обмотка выполняется большим числом витков тонкой медной проволоки.

Применение стальных сердечников в электромагнитных приборах вызывает разные показания при измерениях в цепях постоянного и переменного токов, так как в цепях переменного тока добавляются потери на гистерезис и на вихревые токи. Поэтому электромагнитные приборы, как правило, градуируют либо для постоянного тока, либо для переменного. Для уменьшения погрешности от гистерезиса сердечники некоторых приборов (класс 0,2) изготовляют из специального сплава — пермаллоя с особо малым значением коэрцитивной силы. Для исключения влияния внешних полей у некоторых электромагнитных приборов применяют астатические измерительные механизмы (см. рис. 2-4, а).

Для успокоения колебаний подвижной системы в электромагнитных приборах с плоской катушкой применяют воздушные успокоители, а в приборах с круглой катушкой — чаще магнитоиндукционные.

Достоинствами электромагнитных приборов являются: простота конструкции; способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для постоянных и переменных токов, невысокая стоимость и возможность широкого использования в качестве щитовых приборов.

Недостатки этих приборов — неравномерная шкала, влияние внешних магнитных полей на показания приборов, малая чувствительность.