Магнитоэлектрический измерительный механизм с механическим противодействующим моментом

Шкала прибора

0 100 Указующая стрелка

В

Подвижная катушка

Постоянный Спиральная Неподвижный (или рамка с током)

магнит пружина сердечник

Ток к подвижной катушке (на рис.) подводится через две спиральные пружины (на рис.), основным назначением которых является создание противодействующего момента. Вторая пружина на данном рисунке находится за площадью чертежа (причина очевидна: рисунок двухмерный, а прибор – трёхмерный). Внутренний конец пружины крепится на оси, проходящей через центр сердечника (на рисунке – горизонтальная линия, разделяющая рисунок на две половины), а внешний – на неподвижной части механизма.

Постоянный магнит (на рис.), являющийся источником магнитного поля, полюсные наконечники (на рис.) и сердечник (на рис.), проводящие магнитный поток, образуют так называемую магнитную систему прибора. Цилиндрическая форма сердечника и расточки полюсных наконечников, а также их концентрическое расположение обеспечивают равномерное радиальное поле в зазоре, т.е. в любой точке рабочего зазора индукция магнитного поля B – величина постоянная. Воздушный зазор имеет радиальную длину от одного до двух миллиметров.

В воздушном зазоре располагается подвижная катушка прямоугольной формы. Она свободно охватывает сердечник и крепится на нём. Обмотка катушки – это медный или алюминиевый провод.

Энергия механизма в данном случае состоит из трёх составляющих, а именно из энергии магнита, энергии катушки и энергии взаимодействия магнита и катушки. В создании вращающего момента участвует только третья составляющая, так как первые две не зависят от угла поворота катушки (а следовательно и стрелки) α, а третья составляющая зависит от него. Например, при горизонтальном расположении катушки поле ПМов не проникает в катушку, а при её вертикальном расположении поле ПМов полностью пронизывает катушку.

При наличии тока i в подвижной катушке энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с катушкой, т.е. энергия взаимодействия, определяется выражением

где Ψ – потокосцепление подвижной катушки, Ψ = B*s*w*α ; B – индукция магнитного поля в воздушном зазоре; s – площадь катушки; w – число витков обмотки катушки; α – угол поворота.

Мгновенный вращающий момент определяется выражением

Если говорить, что ток синусоидальный (i=I_m*sin(𝝎*t))? То вращающий момент . При этом в соответствии с формулой для АЧХ подвижной части электромеханического прибора (коим и является исследуемый):

причём - отношение колебаний

работа механизма зависит от соотношений частоты тока 𝝎 и частоты собственных колебаний подвижной части механизма 𝝎₀ . У подобных механизмом период собственных колебаний составляет примерно одну секунду (𝝎₀ = 6, 28 с^-1). Следовательно, отклонение подвижной части измерительного механизма при частоте тока более 10 Гц практически равно нулю. В диапазоне частот до 10 герц подвижная часть колеблется с частотой входного тока, причём амплитуда колебаний зависит от частоты. Поэтому приборы с такими измерительными механизмами применяются в цепях постоянного тока. При протекании через катушку постоянного тока I мгновенный вращающий момент

Если есть момент вращения, то должен быть и момент противодействия. И вот когда они компенсируют друг друга – система находится в равновесии и можно снимать какие-то ни было показания. Противодействующий момент

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

Уравновесим систему: момент вращения равен моменту противодействия:

Откуда легко можно вывести

Чувствительность

где α – угол поворота стрелки, выходная величина; I – ток в рамке, входная величина; S_I – чувствительность

Из предпоследнего выражения следует, что при постоянной индукции B в зазоре угол отклонения подвижной катушки пропорционален току в катушке, а знак угла отклонения меняется при изменении направления тока.

Прибор, из-за постоянства чувствительности, имеет равномерную шкалу:

ΔI ΔI ΔI

0 1 2 3 4 5 6 А

Итак, подытожим: был изучен высокочувствительный, измеряющий токи от 10^-16 ампер до единиц ампер, измерительный прибор, который является полярным, то есть необходимо строго соблюдать полярность: «плюс» и «минус» и работающий только на постоянном токе.

Лекция 18