ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения.

Электромагнитные приборы состоят из электромагнитного измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Они применяются для измерения переменных и постоянных токов и напряжений, для измерения частоты и фазового сдвига между переменными током и напряжением. Из-за относительно низкой стоимости и удовлетворительных характеристик электромагнитные приборы составляют большую часть всего парка щитовых приборов.

Измерительный механизм.

Вращающий момент в этих механизмах возникает в результате взаимодействия одного или нескольких ферромагнитных сердечников подвижной части и магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает ток. В настоящее время наибольшее применение получили конструкции измерительных механизмов с плоской катушкой, с круглой катушкой и с замкнутым магнитопроводом.

На рис. 5-20 показан механизм с плоской катушкой. На

Рис. 5-20. Устройство электромагнитного измерительного механизма

рисунке: 1 — ось; 2 — стрелка; 3 — катушка, по обмотке которой протекает ток; 4 — эксцентрически укрепленный на оси ферромагнитный (пермаллоевый) сердечник; 5 — пружины для создания противодействующего момента; 6 — воздушный успокоитель.

При протекании тока через катушку сердечник намагничивается и втягивается в зазор катушки.

Вращающий момент

где — энергия электромагнитного поля катушки с сердечником; — индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника.

При постоянном токе вращающий момент

Если ток — синусоидальный, то мгновенный вращающий момент

Как видно, вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. Отклонение подвижной части обычно применяемого электромагнитного измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента, которая может быть записана в таком виде:

где — действующий ток.

При искаженной форме тока вращающий момент

где квадрат искаженного по форме действующего тока; постоянная и гармонические составляющие тока.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то угол поворота подвижной части

Из выражения (5-22) следует, что зависимость угла отклонения подвижной части от тока нелинейна и что поворот подвижной части одинаков как при постоянном токе, так и при переменном токе, имеющем действующее значение, равное значению постоянного тока. Линейную зависимость угла отклонения а от тока получают для значительной части рабочего диапазона отклонения а, изготовляя сердечник специальной формы, при которой является требуемой функцией а.

В электромагнитных логометрических механизмах имеются две катушки и два сердечника. Сердечники укреплены на одной оси. Ток протекающий через одну катушку, создает момент а ток протекающий через вторую катушку, — момент направленный навстречу При пропускании токов подвижная часть поворачивается до тех пор, пока момент не станет равным т. е.

где — индуктивности первой и второй катушек. Из последнего выражения

Электромагнитные измерительные механизмы просты по конструкции и как следствие дешевы и надежны в работе. Они способны выдержать большие перегрузки, что объясняется отсутствием токоподводов к подвижной части. Электромагнитные измерительные механизмы могут работать как в цепях постоянного, так и переменного тока (примерно до

Малая точность и низкая чувствительность этих механизмов отрицательно сказывается на точности и чувствительности электромагнитных приборов. На работу электромагнитных измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для устранения их влияния применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатические измерительные механизмы, на которые внешние поля действуют значительно слабее, чем на обычные механизмы.

Амперметры и вольтметры.

В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в цепь измеряемого тока.

Щитовые амперметры выпускают с одним диапазоном измерений, переносные могут иметь несколько диапазонов измерений. Выбор диапазонов измерений производят путем переключения секций обмотки катушки, включая их последовательно или параллельно. При использовании амперметров в цепях переменного тока для расширения диапазона измерений используют измерительные трансформаторы тока.

Шкала электромагнитного амперметра обычно равномерна (в пределах 25-100 %), что достигается подбором формы сердечника.

В электромагнитных амперметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность, обусловленная изменением упругости пружинок, создающих противодействующий момент. Эта погрешность существенна для амперметров классов точности 0,2; 0,1.

При использовании амперметров в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника, проявляющаяся в неодинаковых показаниях при увеличении и уменьшении измеряемого тока. При изменении частоты измеряемого тока в амперметрах возникает частотная погрешность вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях измерительного механизма, пронизываемых магнитным потоком катушки.

Электромагнитный вольтметр состоит из электромагнитного измерительного механизма и включенного последовательно добавочного резистора со стабильным сопротивлением, предназначенного для обеспечения необходимого диапазона измерений.

Изменение верхних пределов измерений осуществляется путем подключения различных добавочных резисторов, а также с помощью измерительных трансформаторов напряжения.

Угол отклонения подвижной части электромагнитного вольтметра

где — полное сопротивление цепи вольтметра, т. е. сопротивлений катушки и добавочного резистора.

Шкала электромагнитного вольтметра в пределах 25 — 100 % обычно равномерна, что достигается подбором формы сердечника.

В электромагнитных вольтметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность, обусловленная

Рис. 5-21. Схема электромагнитного частотомера

изменением сопротивления цепи вольтметра [см. выражение (5-23)]. В вольтметрах с малым верхним пределом измерений температурная погрешность может достигать больших значений.

Вольтметры имеют погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника при использовании в цепях постоянного тока.

Частотная погрешность у электромагнитных вольтметров выше, чем у электромагнитных амперметров, что объясняется зависимостью сопротивлений катушки и добавочного резистора от частоты.

Основное назначение электромагнитных амперметров и вольтметров — измерения в цепях переменного тока промышленной частоты. Наибольшее распространение получили щитовые приборы классов точности 1,0; 1,5 и 2,5. Переносные приборы имеют более широкий частотный диапазон, чем щитовые и класс точности 0,5.

Промышленность выпускает переносные амперметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 5 мА до 10 А на частоты до 1500 Гц; щитовые однопредельные амперметры классов точности 1,0; 1,5; 2,5 на токи до 300 А со встроенными трансформаторами тока и до с наружными трансформаторами тока; переносные вольтметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 1,5 до 600 В на частоты 45—100 Гц и классов точности 1 и 2,5 на частоты до щитовые вольтметры классов точности 1,0; 1,5; 2,5 с верхними пределами измерений от 0,5 до 600 В непосредственного включения и до с трансформаторами напряжения на частоты в диапазоне от 45 до 1000 Гц.

Частотомеры.

Схема электромагнитного частотомера на основе логометрического измерительного механизма представлена на рис. 5-21.

При изменении частоты токи изменяются неодинаково, так как характер сопротивлений цепей этих токов различен. Отношение этих токов, а следовательно, и показания прибора зависят от частоты. Частотомеры этого типа выпускают на узкий диапазон измеряемых частот, например 45—55, 450—550 Гц; классы точности 1,5; 2,5.