ДЗ «Київський коледж зв’язку»
РЕФЕРАТ
на тему: «Магнітоелектричні прилади»
студента групи РТТ-83
Батушана Антона
Київ-2010
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.
2.2.1 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).
2.2.2 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.
2.2.3 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 [Y0
2
/(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
залеж
/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).
2.2.4 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.
Такі омметри виготовляються переносними з живленням від сухих елементів. У процесі експлуатації напруга на затискачах сухих елементів змінюється і може відрізнятись від тієї, яка була при градуюванні приладу. Тому перед кожним вимірюванням в омметрі з послідовною схемою при натиснутій кнопці Кн потрібно встановлювати показ “0” зміною опору Rд
, а в омметрі з паралельною схемою потрібно встановити показ “0” при непідключеному Rх
. Це є недоліком таких омметрів. Цього недоліку не мають омметри, які використовують механізм-логометр.
В логометричному механізмі (рис.2.9) в проміжку обертаються дві рамки, жорстко скріплені між собою. Протидійних пружин в цьому механізмі немає. Струм підводиться до рамок через безмоментні струмопідводи, які являють собою тонкі стрічки з відпаленого сплаву.
Рисунок 2.9
Проміжок між осердям та полюсними наконечниками в цьому механізмі нерівномірний, отже, магнітне поле у проміжку також нерівномірне. Струми І1
та І2
, які протікають в рамках, створюють два обертальних моменти, які направлені назустріч один одному. Під дією різниці між двома моментами рухома частина повертається. Оскільки поле нерівномірне, то при повороті рухомої частини один з моментів збільшується, а інший – зменшується і при певному куті повороту моменти стають рівними один одному, а рухома частина зупиняється. При відсутності струмів у рамках рухома частина може знаходитись у будь-якому з можливих положень або, як кажуть, займати байдуже положення.
Енергія магнітного поля кожної із рамок дорівнює:
WeM1
= Y1
(a)×І1
; WeM2
= Y2
(a)×І2
, (2.27)
де Y1
(a) та Y2
(a) – магнітні потокозчеплення рамок, які залежать від кута повороту a .
Оскільки поле у проміжку механізму неоднорідне, то залежності магнітних потокозчеплень Y1
та Y2
від кута повороту a різні. Моменти, які створюються рамками:
(2.28)
При рівновазі , звідки
(2.29)
або
a = F(I1
/I2
). (2.30)
Таким чином, кут відхилення рухомої частини логометра визначається відношенням струмів у рамках (в перекладі з грецької “логос” – відношення).
Схема логометричного омметра наведена на рис. 2.10. Для цієї схеми маємо:
a = F(I1
/I2
) =
або
(2.31)
де R1
та R2
– опори рамок, Rн
та Rд
– додаткові опори.
З виразу (2.31) видно, що відхилення a залежить від Rх
і не залежить від напруги живлення.
Існують омметри з логометричними вимірювальними механізмами, напруга живлення в яких виробляється електромеханічними генераторами, які приводяться до роботи вручну. Використовуються вони для вимірювання великих опорів (наприклад, опорів ізоляції, які мають значення в десятки та сотні МОм).
Рисунок 2.10
2.2.5 Випрямні прилади
Магнітоелектричні прилади, як уже відмічалось, мають багато переваг: висока точність та чутливість, мала споживана потужність, мало зазнають впливу зовнішніх магнітних полів та температури. Але вони не можуть безпосередньо вмикатись для вимірювання змінного струму. Цю перешкоду на шляху застосування магнітоелектричного механізму для вимірювань на змінному струмі можна обійти застосуванням перетворювачів змінного струму у постійний.
У залежності від виду перетворювача розрізняють випрямні, термоелектричні та електронні прилади.
Випрямні прилади являють собою поєднання випрямляча з магнітоелектричним вимірювальним механізмом. У сучасних приладах у випрямлячах використовуються напівпровідникові діоди. Найбільше застосовувані кремнієві діоди, які мають малу власну ємність і можуть працювати в діапазоні практично від 0 Гц і до 105
Гц.
Випрямлячі, які використовуються у випрямних приладах, бувають однопівперіодні та двопівперіодні.
Схема приладу з однопівперіодним випрямленням змінного струму наведена на рис. 2.11, а
, а на рис. 2.11, б
зображений графік струму через вимірювальний механізм.
Рисунок 2.11
На рис.2.11,а
суцільними стрілками показаний шлях струму за один із півперіодів змінного струму. На рис.2.11,б
цьому відповідає струм на інтервалі від 0 до Т/2, або від Т до 3/2Т і т.д., де Т – період змінного струму (або напруги). Протягом другого півперіоду струм йде шляхом, указаним штриховими стрілками. При цьому припускаємо, що діоди VD1 та VD2 мають характеристики ідеальних вентилів, тобто опір відкритого діода (в провідному напрямі) дорівнює нулю, а закритого – нескінченності. Опір R = Rм
, де Rм
– опір вимірювального механізму ВМ.
При використанні двопівперіодного випрямляча (рис.2.12, а
) струм через рамку вимірювального механізму проходить протягом обох півперіодів (рис.2.12, б
); в додатному півперіоді струм на рис.2.12, а
протікає шляхом, позначеним суцільними стрілками, а в від’ємному півперіоді – штриховими стрілками, але через вимірювальний механізм ВМ струм в обидва півперіоди йде в одному напрямі.
Рисунок 2.12
Внаслідок інерційних властивостей вимірювального механізму положення рухомої частини механізму (і вказівника) визначається середнім за період значенням обертального моменту Моб.ср
.
, який, в свою чергу, пропорційний середньому значенню струму Іср
.
, що протікає через рамку :
(2.32)
де Моб.
(t) –
миттєве значення обертального моменту. Рівняння перетворення приладу має вигляд:
(2.33)
Д
ля синусоїдної форми
вимірюваних електричних величин випрямні прилади градуюються, як правило, у діючих значеннях. Для визначення діючих значень несинусоїдних кривих струму за показами випрямного приладу потрібно робити перерахунок показів з урахуванням коефіцієнта форми кривої.
Весь попередній розгляд роботи випрямного приладу був оснований на тому, що характеристики діодів приймались ідеальними. При використанні реальних діодів необхідно враховувати нелінійність вольт-амперної характеристики діода (особливо на початковій її ділянці), розкид опорів діодів як у прямому, так і у зворотному напрямах, частотну залежність опорів діодів та інші фактори. Тому вимірювальні кола реальних випрямних приладів складніші від розглянутих тут.
Для розширення меж випрямних приладів за струмом використовуються, як і в звичайних магнітоелектричних приладах, шунти (рис.2.13, а
), а за напругою – додаткові опори Rд
(рис.2.13 ,б
) та подільники напруги.
Рисунок 2.13
До переваг випрямних приладів відносяться висока чутливість, компактність, доволі широкий частотний діапазон. Випрямні прилади часто виробляються комбінованими. До недоліків відносяться: мала точність (1,5; 2,5; 4,0), залежність показів від форми кривої.
2.2.6 Термоелектричні прилади
Термоелектричні прилади являють собою поєднання термоелектричного перетворювача та магнітоелектричного вимірювального механізму. Термоелектричний перетворювач перетворює вимірюваний змінний струм і
в постійну е.р.с. Е, яка діє на вимірювальний механізм ВМ (рис.2.14).
Рисунок 2.14
Термоперетворювач являє собою нагрівач 1 та термопару 2. Термопара може мати безпосередній електричний контакт з нагрівачем (рис.2.14,а
) і може мати тільки тепловий контакт з нагрівачем через електроізолювальний матеріал (рис.2.14, б
та в
), який має високу теплопровідність. Контактні перетворювачі мають меншу інерційність, ніж безконтактні, але вони допускають великий витік струмів високої частоти і застосовуються на частотах не вище 5‑10 МГц. Безконтактні перетворювачі можуть використовуватись на частотах до сотень мегагерц. Крім того, безконтактні термоперетворювачі можна з’єднувати в батареї (рис.2.14, в
), що дозволяє підвищити чутливість приладу.
Перетворювачі малих струмів поміщають у скляну колбу, з якої викачане повітря, при цьому зменшуються втрати тепла від нагрівача, зменшується потужність, необхідна для нагрівання спаяних кінців термопари.
Струм через вимірювальний механізм прямо пропорційний е.р.с. термопари IТ
= E/Rн
, де Rн
– опір кола термопари. Відхилення a рухомої частини механізму пропорційне цьому струмові: a = SI
×IТ
. Е.р.с. термопари пропорційна різниці температур гарячого спаю термопари та її холодних кінців DT: Е = К×DT, де К – коефіцієнт пропорційності. Температура холодних кінців відповідає температурі навколишнього середовища.
Різниця температур DТ пропорційна потужності, яка виділяється вимірюваним струмом і
в нагрівачі термопари, тобто квадрату діючого значення вимірюваного струму: DT = КT
×І2
, де КT
– коефіцієнт, який визначається характеристиками термоперетворювача. Таким чином, струм через вимірювальний механізм
IТ
= E/Rн
= К×DT/Rн
= К×КT
×І2
/Rн
.
Відхилення вказівника
(2.34)
при постійному коефіцієнті m, який дорівнює , пропорційне квадрату діючого значення вимірюваного струму (незалежно від форми кривої струму), тобто рівняння перетворювача термоелектричного приладу є квадратичним.
Термоелектричні прилади застосовують для вимірювання змінних струмів від 100 мкА до 100 А, напруг – від 75 мВ до 600 В в діапазоні частот від 0 до 100 МГц. Багато з термоелектричних приладів мають по декілька меж. У амперметрів до 1 А на кожній межі використовується окремий термоперетворювач, при вимірюванні струмів більше 1 А для розширення меж використовуються спеціальні високочастотні трансформатори. Для розширення меж вимірювань за напругою застосовуються додаткові опори у вигляді недротових безреактивних резисторів.
Основними перевагами термоелектричних приладів є можливість вимірювання струмів та напруг високих частот, мала залежність їх показів від форми кривої. До недоліків відносяться невисока чутливість та точність (класи точності 1,0‑4,0), мала перевантажувальна здатність, квадратичний характер шкали, значне споживання енергії. Застосовувати термоелектричні прилади для вимірювань на низьких частотах недоцільно, оскільки тут краще використовувати більш точні та надійні прилади інших систем.