Измерительный механизм электродинамической системы

Измерительный механизм электродинамической системы состоит из двух катушек, одна из которых располагается внутри другой (рис. 4.6.1).

Рис. 4.6.1.

Рис. 4.6.2.

Внешняя неподвижная катушка часто делится на две части, соединенные последовательно (рис. 4.6.2). Неподвижная катушка выполняется из толстого провода, подвижная — из тонкого. Подвижная катушка соединяется с внешней цепью при помощи спиральных пружин, которые одновременно служат и для создания противодействующего момента.

Принцип действия рассматриваемого механизма основан на явлении взаимодействия токов. При прохождении токов по катушкам подвижная катушка стремится занять положение, при котором энергия системы катушек будет максимальна. При этом, очевидно, направление сил, действующих на подвижную катушку, будет сохраняться как при постоянном, так и при переменном токе в катушках. Это значит, что приборы электродинамической системы пригодны для работы в цепях постоянного и переменного токов. Обозначая токи в неподвижной и подвижной катушках соответственно через I, и /₂ можно написать выражение для энергии магнитного поля fV" катушек:

где Z., и Ь_г — индуктивности неподвижной и подвижной катушек; I,₂— коэффициент их взаимоиндукции. При повороте подвижной катушки на угол, а (рис. 4.6.2) совершается работа, равная изменению энергии магнитного поля катушек:

или dW_u =2FRda, откуда М = /,/₂—^^!2-,.

da

где М— вращающий момент. Величина f*¹² зависит от формы.

da

катушек и их взаимного расположения. Подбирая соответствующим образом конструкцию катушек, можно добиться того, чтобы в пределах шкалы это отношение было постоянным:

Тогда выражение вращающего момента примет вид.

При измерении из условия равенства вращающего момента М и противодействующего момента М_а можно найти выражение для угла поворота подвижной части прибора: М= М_а или kJJ₂=Da откуда.

т.е. как вращающий момент, так и угол поворота, а пропорциональны произведению токов в катушках.

Если по катушкам протекают переменные токи, сдвинутые по фазе на угол (р: 1_Ш coscot, I_2m cos (со t +

_y то вращающий момент будет переменным. Обозначая величину мгновенного вращающего момента через т, получим.

Подвижная система прибора из-за сравнительно большего значения момента инерции будет реагировать только на среднее значение вращающего момента. Найдем его значение:

При измерении, когда подвижная система будет в равновесии,.

откуда.

т.е. средний вращающий момент и угол поворота подвижной части на переменно^ токе будут пропорциональны не только произведению токов в катушках, но и углу сдвига фаз между токами.

Напряженность собственного магнитного поля катушек довольно слабая, и даже магнитное поле Земли заметно влияет на показания прибора. Для защиты от магнитных влияний измерительные механизмы делают астатическими или применяют экранирование. В экранированных механизмах устанавливают магнитоиндукционные успокоители. Если экрана нет, то механизм имеет воздушный успокоитель.

Подвижная катушка выполняется из провода тонкого сечения и имеет предел по току до 500 мА. Неподвижная катушка выполняется из провода любого сечения как на десятки миллиампер, так и на ток до 5 А и выше.

Для измерения малых токов в миллиамперметрах катушки измерительного механизма соединяют последовательно. В этом случае через обе катушки протекает один и тот же ток /, = /₂, а угол сдвига ф равен нулю. Поэтому и для постоянного и для переменного тока справедливо соотношение a = kl². Такая схема соединено ния пригодна для измерения токов до 0,5 А, так как большие токи создают перегрев пружин, что может вызвать остаточную деформацию и нарушение градуировки шкалы. Кроме того, увеличение тока в подвижной катушке требует увеличения сечения провода, а это ведет к росту ее массы и момента трения, в результате чего возрастает и погрешность измерения.

Для расширения пределов измерения амперметров применяют параллельное соединение катушек (рис. 4.6.3).

Рис 4.6.3.

Для постоянного тока имеем

Здесь Д_4| и R_k2—сопротивления подвижной и неподвижной катушек.

В цепях переменного тока для сохранения той же градуировки шкалы при измерении тока необходимо, чтобы сдвиг фаз между токами /, и 1₂ был равен нулю. Из соотношения I =-^- в рассматриваемом случае имеем (Pi^=<Pv~⁽Pz^=<Pn~⁽Pu~^<Pzi (^см— ^гл— 0- А это имеет место, если фазы сопротивлений цепей подвижной и неподвижной катушек одинаковы:

X, х2.

т.е. когда выполняется условие .

Л| ' /v₂

При этом также a = kl², т. е. электродинамические приборы способны работать на переменном токе с той же градуировкой, что и на постоянном. На переменном токе расширение пределов измерения приборов этой системы осуществляется, кроме того, путем применения ТТ.

В электродинамических вольтметрах неподвижная и подвижная катушки обычно объединяются последовательно вместе с дополнительным сопротивлением из манганина (рис. 4.6.4).

Рис. 4.6.4.

Чтобы показания вольтметра не зависели от частоты, необходимо обеспечить существенное превышение величины добавочного сопротивления над реактивным сопротивлением прибора.

Достоинствами электродинамических приборов являются:

• 1) высокая точность (астатические приборы имеют классах 0,2);
• 2) способность работать на постоянном и переменном токах при одной и той же градуировке.

Недостатками следует считать: 1) сравнительно низкую чувствительность; 2) зависимость показаний от внешних магнитных полей; 3) опасность перегрузок; 4) большую мощность потерь (единицы ватт); 5) относительно высокую стоимость.

Напряженность собственного магнитного поля неподвижной катушки электродинамического прибора можно увеличить введением ферромагнитного сердечника. Это приведет к увеличению чувствительности прибора и ослаблению влияния внешних магнитных полей, однако появятся потери, обусловленные гистерезисом и вихревыми токами. Такие приборы называются ферродинамическими.