Одной из самых простых (и исторически, пожалуй, самых ранних) систем, используемых при построении электромеханических приборов является магнитоэлектрическая (МЭ).
Конструкция и принцип действия.На рис. 3.2 упрощенно показана конструкция механизма такой системы, которая содержит преобразователь электрической величины (входного измеряемого тока) в механическую (угол отклонения) и отсчетное устройство (указатель и шкалу).
Постоянный магнит 1, магнитопровод 2 и цилиндрический сердечник 3 из магнитомягкого материала создают равномерное радиальное магнитное поле в воздушном зазоре, в котором расположена и может поворачиваться рамка 4 с измеряемым током. Рамка (несколько десятков витков медного провода) жестко связана с осью 5, на которой закреплена стрелка 7. Эти элементы образуют подвижную часть механизма.
Как известно, на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила. При протекании измеряемого тока I в рамке, находящейся в магнитном поле зазора, возникает вращающий момент М, равный произведению индукции В магнитного поля в зазоре, активной (т.е. находящейся в магнитном поле) площади рамки S, числу витков w и току I в рамке:
М = BS wI
Рис.3.2. Конструкция магнитоэлектрического механизма:
1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – цилиндрический сердечник из магнитомягкого материала; 4 – рамка с измеряемым током; 5 – ось; 6 – спиральная пружина; 7 – стрелка; 8 – шкала
Отсчетное устройство – стрелка 7 и шкала 8 – преобразует угол отклонения (поворота) рамки α в показания (отсчет). Спиральная пружина 6 служит для создания противодействующего момента Мпр:
Мпр = α Ω,
где α – угол поворота подвижной части; Ω – удельный противодействующий момент.
Вращающий момент заставляет рамку поворачиваться. Противодействующий момент направлен навстречу вращающему. В процессе поворота рамки противодействующий момент Мпр пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М= Мпр
B S wI= α Ω .
Следовательно, угол поворота а имеет вид
α = (BS wI) / Ω.
Таким образом, поскольку значения параметров В, S, w, Ω, практически постоянны, можно говорить о линейной зависимости угла поворота α (и, следовательно, показаний) МЭ приборов от значения измеряемой величины (в данном случае тока I).
Амперметры и вольтметры.Для измерения малых токов (до 100 мА) используются непосредственно магнитоэлектрические измерительные механизмы. Если требуется измерять токи, превосходящие ток полного отклонения механизма, то применяются шунты (точные резисторы с малым сопротивлением: десятые – тысячные доли ома) – рис.3.3,а. При этом через измерительный механизм (ИМ) течет ток Iм, представляющий собой только часть измеряемого тока I. Зная соотношение между сопротивлениями рамки ИМ и шунта Rш, можно переградуировать шкалу прибора или пересчитать показания в результат измерения.
Схема магнитоэлектрического вольтметра приведена на рис. 3.3,б. Последовательно с ИМ включается резистор RV с достаточно большим сопротивлением. Добавочные резисторы RД1 и RД2 обеспечивают несколько диапазонов измерения напряжения UV
(UV3 > UV2 > UV1). Ток I через ИМ на любом диапазоне не должен превосходить номинального значения Iном для механизма.
Рассмотрим пример организации многопредельного вольтметра. Предположим, имеется МЭ механизм с сопротивлением RИM = 10 Ом и номинальным током Iном = 0,001 А. Тогда для организации на базе такого механизма вольтметра с диапазоном измерения U1 = 1 В необходимо включить последовательно с механизмом резистор RV с таким сопротивлением, которое обеспечит при измеряемом напряжении U1 = 1 В ток через механизм Iном =1,0 мА. Найдем значение этого сопротивления:
RV = (U1/Iном) – RИМ = (1:0,001) – 10 = 990 Ом.
Если мы теперь имеем МЭ вольтметр с диапазоном измерения U1 = 1 В и с внутренним сопротивлением Rвн = RИM + RV = 1 кОм, то для расширения предела измерения до U2 = 10 В необходимо включить последовательно добавочный резистор сопротивлением RД1 = 9 кОм. Для расширения предела измерения до U3 = 100 В (т. е. организации еще одного диапазона) необходимо подключить последовательно с имеющимся резистором RД1 еще один добавочный резистор RД2= 90 кОм. Таким образом, получаем схему многопредельного вольтметра постоянного тока (см. рис. 2.3,б).
Особенности магнитоэлектрических приборов.Приборы МЭ системы, по сравнению с другими электромеханическими приборами, имеют ряд преимуществ. Это более высокие точность и чувствительность; равномерная (линейная) шкала; сравнительно малое собственное потребление энергии от источника сигнала; практическое отсутствие влияния внешних магнитных полей (так как собственное поле в зазоре значительно). Есть и недостатки. Это возможность работы ИМ только на постоянном токе; сравнительная сложность реальной конструкции; заметная чувствительность к перегрузкам, механическим воздействиям, ударам, вибрации; изменение упругих свойств пружины со временем, а также зависимость показаний от изменения температуры окружающей среды.
Современные реальные конструкции, конечно, сложнее рассмотренной.
Обозначение МЭ системы на шкалах приборов: