Конструкция и принцип действия.На рис. 3.9 приведена упрощенная конструкция электродинамического (ЭД) измерительного механизма. Неподвижная катушка 1 с током I1 разделена на две части; подвижная катушка 2 с током I2 закреплена на оси 3 внутри неподвижной катушки. Спиральная пружина 4 служит для создания противодействующего момента.
Рис. 3.9. Конструкция электродинамического измерительного механизма:
1 – неподвижная катушка; 2 – подвижная катушка; 3 – ось; 4 – спиральная пружина; 5 – стрелка; 6 – шкала
Принцип действия основан на взаимодействии магнитных потоков двух катушек с токами I1 иI2. Протекающие по катушкам токи создают магнитные потоки, которые стремятся принять одно направление, при этом подвижная катушка поворачивается внутри неподвижной. Вращающий момент М для постоянных токов:
М=,
где L-1-2 – взаимная индуктивность катушек; α – угол поворота подвижной части.
Электродинамические приборы могут быть использованы в цепях как постоянного, так и переменного тока. Во втором случае при синусоидальных токах вращающий момент определяется по формуле
М=,
где I1, I2 – действующие значения переменных токов в катушках; φ – угол сдвига фаз между токами в катушках.
На базе ЭД механизма выпускаются амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры.
Амперметры и вольтметры.Схема с последовательным соединением катушек, приведенная на рис. 3.10, а, применяется в миллиамперметрах. Схема рис. 3.10, б с параллельным соединением катушек используется в амперметрах на токи более 0,5 А.
В схеме вольтметра использовано последовательное соединение катушек (рис.3.11).
Резистор RV служит для повышения входного сопротивления прибора. Добавочные резисторы RД1 и RД2 обеспечивают возможность работы в нескольких диапазонах (значения номинальных входных напряжений UV3 > UV2 > UV1).
Здесь, как и в вольтметрах электромагнитной системы, индуктивное сопротивление катушек растет с ростом частоты измеряемого сигнала. Поэтому для поддержания полного комплексного сопротивления примерно постоянным в некотором диапазоне частот, как и в случае с ЭМ приборами, применяется частотная коррекция (конденсатор Ск и резистор Rк).
Ваттметры.На базе ЭД механизма выпускаются различные типы приборов, но основное применение этот принцип нашел в ваттметрах.
Произведение двух токов в выражении вращающего момента является основой для построения ваттметров на основе ЭД механизмов. Если в одной катушке ток равен току, текущему в нагрузку, а во второй катушке ток пропорционален напряжению на нагрузке, то показания прибора будут пропорциональны активной мощности. Схема включения ваттметра приведена на рис. 3.12.
Цепь катушки напряжения содержит элементы частотной коррекции (конденсатор Ск и резистор Rк).
Особенности ЭД приборов.К достоинствам ЭД приборов относятся следующие: высокая точность (до 0,1 %); возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе; амперметры и вольтметры этой системы реагируют на действующее значение переменного тока или напряжения. Недостатками являются:
• сравнительно невысокая чувствительность;
• возможное влияние внешних магнитных полей (что может потребовать экранирования механизма);
• заметное влияние температуры окружающей среды на сопротивление катушек и, как следствие, на показания прибора;
• значительная собственная мощность потребления энергии от источника сигнала;
• нелинейная (квадратичная) шкала;
• ограниченный частотный диапазон (1 ...5 кГц).
Обозначение ЭД системы на шкалах приборов:
Обозначение ЭД системы с магнитным экранированием механизма:
Существует разновидность конструкции, в которой магнитные потоки катушек замыкаются не по воздуху, как в классическом варианте, а по вспомогательным магнитопроводам. Это так называемая ферродинамическая (ФД) система. Благодаря заметному уменьшению магнитного сопротивления значительно возрастает вращающий момент механизма, поэтому может быть снижена мощность собственного потребления прибора и (или) повышена его чувствительность. Кроме того, наличие магнитопроводов ослабляет влияние внешних магнитных полей и поэтому не требуется экранирование механизма. Правда, точность ФД приборов ниже, а диапазон частот несколько уже, чем у ЭД.
Обозначение ФД системы на шкалах приборов:
Главное применение ЭД и ФД приборов – работа в электрических цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц).