Магнітоелектричні прилади (стр. 2 из 3)
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 [Y02/(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 залежить від опору зовнішнього кола, отже, змінюючи опір зовнішнього кола, можна змінювати режим руху рухомої частини. Коли (Pi/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).