Магнітоелектричні прилади

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему: «Магнітоелектричні прилади»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учениці 9 класу  

Назаренко Олесі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнітоелектричні прилади

Магнітоелектричний вимірювальний перетворювач

 

Принцип дії магнітоелектричних вимірювальних перетворювачів полягає у взаємодії поля постійного магніту з магнітним полем рамки (котушки), по якій протікає вимірюваний струм.

Основні елементи конструкції магнітоелектричного вимірювального перетворювача наведені на рис. 2.4.

Постійний магніт, полюсні наконечники і циліндричне осердя складають магнітну систему механізму. В рівномірному проміжку між полюсними наконечниками 1 постійного магніту і осердям створюється сильне радіально-рівномірне магнітне поле, в якому знаходяться дві сторони рамки 2 з мідної чи алюмінієвої проволоки. По витках рамки протікає постійний струм, пов’язаний відомою залежністю з вимірюваною електричною величиною (тобто з вимірюваним струмом чи напругою). Цей струм підводиться до рамки через спіральні пружини 3. Рамка закріплена між двома півосями. На одній із півосей закріплена стрілка 4, кінець якої переміщується над шкалою 5.

Магнітне поле постійного магніту N-S (рис. 2.4), взаємодіючи зі струмами в тих частинах рамки, що знаходяться в просторі між полюсними наконечниками і осердям, створює обертальний момент, який намагається повернути рамку так, щоб через площину, охоплену її витками, проходив максимальний магнітний потік. При повороті рамки закручуються спіральні пружини 3 і створюється протидійний момент. Поворот рамки припиниться, коли протидійний момент стане рівним обертальному. В цьому стані рухомої частини за положенням стрілки над шкалою 5 можна визначити значення вимірюваної величини.

 

Рисунок 2.4

 

 

Значення обертального моменту , як показано раніше, можна визначити як похідну від енергії електромагнітного поля за кутом повороту рухомої частини a:

                                                 (2.9)

Якщо площина рамки перпендикулярна лініям потоку (на рис.2.4 це відповідає вертикальному положенню рамки), то магнітне потокозчеплення з нею дорівнює повному потокозчепленню магнітного потоку з витками рамки. Енергія електромагнітного поля в цьому випадку

,

де І – струм у провідниках рамки.

При повороті рамки в радіально-рівномірному магнітному полі на кут   відбувається зміна потокозчеплення на і зміна енергії на величину .  Звідси обертальний момент:

,                                     (2.10)

де ; B – індукція магнітного поля постійного магніту; S – площа рамки (котушки); w – кількість витків рамки (котушки).

Таким чином, обертальний момент пропорційний струмові І в рамці.

Протидійний момент , який виникає при повороті рамки та закручуванні пружини, пропорційний куту повороту рамки a

.                                       (2.11)

В статичному режимі роботи рухома частина буде знаходитись у рівновазі, коли

.

Прирівняємо (2.10) і (2.11)

і отримаємо рівняння перетворення магнітоелектричного ВП

.                                               (2.12)

Подамо (2.12) у такому вигляді:

,                                                (2.13)

де - чутливість магнітоелектричного вимірювального перетворювача.

Проаналізуємо рівняння (2.13).

1. Якщо напрям струму зміниться на протилежний, то відповідно зміниться і напрям обертального моменту. Отже, за допомогою магнітоелектричного ВП можна вимірювати тільки постійний струм (або напругу).
2. Статична характеристика даного перетворювача лінійна, оскільки чутливість

3. В зв’язку з тим, що чутливість у магнітоелектричних ВП постійна,  вони мають рівномірну шкалу.
4. До переваг магнітоелектричних ВП (у порівнянні з іншими типами електромеханічних ВП) відносять також високу чутливість, мале споживання енергії від об’єкта вимірювання, малий вплив на покази приладів зовнішніх магнітних полів).
5. До недоліків відносять такі: неможливість вимірювання змінних струмів (без додаткових перетворювачів), мала здатність до перевантажень, відносно висока вартість та складність вимірювального механізму.

 

1. Магнітоелектричні амперметри

 

Магнітоелектричний вимірювальний механізм, включений безпосередньо в коло вимірюваного струму, дозволяє виміряти невеликі струми (до 20-50 мА). При збільшенні струму більше припустимого відбувається нагрівання пружин, які служать для створення протидійного моменту і одночасно – для підведення струму до рамки. Пружини втрачають свої пружні властивості, змінюється чутливість механізму, і прилад може втратити свої первісні властивості. Таким чином, сам вимірювальний механізм може служити тільки як мікро- або міліамперметр. Для збільшення верхніх меж вимірювання магнітоелектричних приладів за струмом використовуються шунти. Шунт являє собою резистор, виготовлений з манганіну – сплаву, опір якого мало залежить від температури. Приєднується шунт паралельно до вимірювального механізму ВМ (рис.2.5).

Рисунок 2.5

 

Опір шунта Rш при вимірюванні великих струмів І багато менший від опору вимірювального механізму Rм, тому велика частина вимірюваного струму І йде через шунт (Іш), а струм Ім через рамку механізму не перевищує припустимого значення І0. Для зменшення впливу опору контактів і підвідних проводів шунти виробляються з чотирма затискачами: струмовими (“І”-“І”) та потенціальними (“U”-“U”).

Відношення вимірюваного струму до струму через механізм I/Iм називається коефіцієнтом шунтування n.

Для схеми рис.2.5 справедливі такі рівняння:

І = Iш + Iм; Iш×Rш = Iм×Rм.                                   (2.14)

Крім того,

І/Iм = n.                                                 (2.15)

З цих рівнянь при заданих трьох величинах можна знайти дві інші. Наприклад, якщо відомий опір вимірювального механізму Rм, струм повного відхилення механізму Iм = I0, максимальне (номінальне) значення вимірюваного струму І = Iн, то можна знайти n як

n = Iн/Iо,

а

Rш = Rм/(n – 1).

Шунти на невеликі струми (до кількох десятків ампер) умонтовуються в корпус амперметра, а для великих струмів (до декількох сотень ампер) застосовуються зовнішні шунти.

Стандартні зовнішні шунти виробляються на певні номінальні спади напруг (45, 60, 75, 100 та 300 В) з класами точності 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Клас точності шунта означає гранично припустиме відхилення опору шунта від номінального значення (у відсотках).

 

 

2. Магнітоелектричні вольтметри

 

Для одержання магнітоелектричного вольтметра послідовно з механізмом вмикається додатковий резистор Rд (рис.2.6), який обмежує струм в рамці механізму до припустимих значень.

Для схеми рис.2.6 маємо:

U = Uм + Uд = I×Rм + I×Rд.                           (2.16)

Відношення вимірюваної напруги U до спаду напруги на механізмі Uм часто називають коефіцієнтом ділення m:

m = U/Uм.                                          (2.17)

Використавши співвідношення (2.16) та (2.17), можна визначити необхідні величини для вольтметра при заданих інших. Наприклад, якщо маємо механізм з опором Rм та струмом повного відхилення, рівним І0, і потрібно одержати вольтметр з верхньою межею вимірювання U, то

m = U/Uм = U/I×Rм,

а

Rд = Rм×(m – 1).

Рисунок 2.6

 

Додаткові резистори (опори) Rд виготовляють із термостабільних матеріалів, наприклад, із манганінового дроту. Вони, як і шунти, можуть бути внутрішніми (при напрузі до 600 В) та зовнішніми ( при напругах від 600 В до 30 кВ). Додаткові резистори виробляються на номінальні струми 0,5; 1; 3; 5; 7,5; 15; 30 та 60 мА і можуть мати класи точності 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 та 1,0.

Для компенсації температурної похибки магнітоелектричних амперметрів та вольтметрів у їх вимірювальні кола вмикаються елементи, параметри (опори) яких залежать від температури. Схеми вмикання цих елементів і їх параметри вибираються такими, щоб похибка приладів від впливу температури була якомога меншою.

 У багатомежевих магнітоелектричних  амперметрів та вольтметрів шунти та додаткові резистори складаються із декількох частин.

 

3. Магнітоелектричні гальванометри

 

Гальванометрами називають магнітоелектричні прилади з високою чутливістю до струму або напруги. Рухома частина їх закріплюється найчастіше на розтяжках або підвісах. Шкали гальванометрів або зовсім не градуйовані, або градуйовані орієнтовно. Гальванометри використовують для вимірювання досить малих (до 10-12 А) струмів та (до 10-8 В) напруг, а також для вимірювання кількості електрики в імпульсі. Останні називаються балістичними гальванометрами. Дуже широко гальванометри застосовуються як нуль-індикатори в приладах порівняння.

Гальванометри за способом відліку поділяються на стрілкові та дзеркальні (тобто із світловим відліком). У деяких дзеркальних гальванометрів використовуються окремі від всього приладу (так звані виносні) шкали. Чутливість таких приладів не є постійною величиною, вона залежить від установленої відстані між шкалою та дзеркалом, яке закріплене на рухомій частині механізму.

Рамка в гальванометрах виконується безкаркасною, повітряні заспокоювачі відсутні, тому режим руху рухомої частини визначається як характеристиками механізму, так і опором зовнішнього кола.

Розглянемо це питання трохи докладніше. Висновки з цього розгляду будуть корисні при вивченні принципу роботи балістичного гальванометра. Уявимо собі, що гальванометр вмикається на струм І, при цьому припускаємо, що струм в колі гальванометра стрибком зростає від нуля до значення І. Як буде рухатись рухома частина гальванометра в динамічному режимі роботи?

Застосуємо раніше отримане рівняння руху (2.7) для магнітоелектричного гальванометра. При цьому маємо на увазі, що обертальний момент

.                                         (2.18)

Моментом опору в лівій частині рівняння (2.7) знехтуємо тому, що рухома частина гальванометра установлена на розтяжках або підвісах, і момент опору в опорах відсутній.

Тоді диференціальне рівняння для магнітоелектричного гальванометра матиме вигляд

.                             (2.19)

Для магнітоелектричних ВП момент заспокоєння Мз складається з двох частин – повітряного моменту заспокоєння Мп, який виникає в результаті тертя рамки об повітря, та індукційного моменту заспокоєння Мі, який виникає в результаті взаємодії струму, індукованого в рамці при її русі в проміжку, з магнітним потоком постійного магніту: Мз = Мі + Мп. Момент повітряного заспокоєння Мп<< Мі, тому ним у першому наближенні можна знехтувати і вважати Мз = Мі. Розглянемо, від чого залежить індукційний момент заспокоєння.

При русі рамки в її витках виникає е.р.с.

                                 (2.20)

Ця е.р.с. створює в колі гальванометра струм

                                               (2.21)

 де Rг – опір рамки гальванометра; Rз – опір зовнішнього кола, на яке замкнута рамка гальванометра.

Від взаємодії струму із потоком виникає індукційний момент заспокоєння:

  (2.22)

де [Y02/(Rг + Rз)] = Pi – коефіцієнт індукційного заспокоєння, який набагато більший за коефіцієнт повітряного заспокоєння Pп.

Тому можна вважати остаточним коефіцієнт заспокоєння Р » Рі. Тоді рівняння руху матиме вигляд

                         (2.23)

Рівняння (2.23) описує рух рухомої частини гальванометра (і взагалі будь-якого магнітоелектричного механізму з внутрішньорамковим магнітом). Це рівняння – диференціальне другого порядку, лінійне, неоднорідне. Для нього характеристичне рівняння буде таким:

.                                     (2.24)

Корені цього характеристичного рівняння

    і                (2.25)

в залежності від співвідношення (Pi/2J)2 і  Wпт/J можуть бути дійсні різні, дійсні рівні та комплексно-спряжені. J та Wпт – конструктивні параметри, їх змінити не можна, а Рi залежить від опору зовнішнього кола, отже, змінюючи опір зовнішнього кола, можна змінювати режим руху рухомої частини. Коли (Pi/2J)2 > W/J, тобто коли коефіцієнт заспокоєння Рi великий, а зовнішній опір малий, характер руху аперіодичний перезаспокоєний (крива 1 на рис. 2.7).

Рисунок 2.7

При великому Rз характер руху коливальний недозаспокоєний (крива 2 на рис. 2.7). При опорі зовнішнього кола Rз = Rкр, який називається критичним, рухома частина заспокоюється, тобто зупиняється, повернувшись на кут aуст за мінімально короткий час tкр. Режим руху в цьому випадку також називається критичним (крива 3 на рис. 2.7).

 

4. Магнітоелектричні омметри

 

Існують дві схеми омметрів: одна – з послідовним вмиканням вимірюваного опору Rх та вимірювального механізму ВМ (рис. 2.8, а), інша – з паралельним (рис. 2.8, б). Для омметра з послідовною схемою струм через вимірювальний механізм (при ненатиснутій кнопці Кн) дорівнює:

відхилення рухомої частини

Відхилення a є функцією Rх, воно максимальне при Rх = 0, тобто нуль знаходиться на шкалі приладу справа.

                                      а)                          б)

Рисунок 2.8

 

Для омметра з паралельною схемою:

        (2.26)

Відхилення a = 0 при Rх = 0, тобто нуль знаходиться на шкалі приладу зліва. Максимальне відхилення a буде при Rх = ¥, тому омметри з паралельною схемою використовуються для вимірювання малих опорів, а з послідовною – для великих. Шкали омметрів нерівномірні.