Mierniki
Miernik magnetoelektryczny
Zasada działania miernika magnetoelektrycznego polega na oddziaływaniu pola magnesu trwałego na uzwojenie z prądem elektrycznym. Organem ruchomym miernika może być też miniaturowy magnes trwały umieszczony na osi wewnątrz nieruchomej cewki z prądem. Najczęściej stosuje się magnes trwały 11 (na rys. wyżej), który wraz z nabiegunnikami 9 i rdzeniem 8 z materiału ferromagnetycznego miękkiego, stanowią nieruchome (cięższe) elementy. Te elementy służą do wytworzenia w szczelinie powietrznej 12 promiennego pola magnetycznego o stałej wartości indukcji B, niezależnej od kąta wychylenia a cewki. Wychylenie a organu ruchomego(wskazówki) jest wprost proporcjonalna do prądu I.
Miernik magnetoelektryczny
Magnetoelektryczne przyrządy pomiarowe, mierniki natężenia prądu elektrycznego stałego (lub innych wielkości fizycznych przetwarzanych na prąd elektryczny), w których pomiar odbywa się dzięki wzajemnemu oddziaływaniu pola magnetycznego magnesu trwałego (magnes) z polem wytworzonym przez mierzony prąd płynący w ruchomej cewce połączonej ze wskazówką.
Wzajemne oddziaływanie pól tworzy moment obrotowy kompensowany przez moment sił zwrotnych powstających dzięki sprężystemu zamocowaniu cewki, położenie równowagi momentów sił jest proporcjonalne do natężenia płynącego w cewce prądu. Magnetoelektryczne przyrządy pomiarowe stosuje się jako amperomierze, woltomierze i omomierze.
Jeżeli przez uzwojenie cewki płynie prąd stały I, doprowadzony przez sprężyny spiralne, w której pole magnetyczne ma stałą indukcję B, działa siła F zgodna ze wzorem
F = B I l; l – głębokość zanurzenia boku cewki w polu magnetycznym. Jeżeli przez N oznaczymy liczbę zwojów cewki, to siła F = B I l N. Siła ta działa na obydwa boki cewki, powstaje więc moment napędowy ustroju pomiarowego
M = F a.
Przy czym a oznacza szerokość cewki.
Kąt nachylenia cewki jest proporcjonalny do prądy płynącego przez tę cewkę. Kąt ten określa się za pomocą wskazówki przesuwającej się wzdłuż podziałki.
Miernik magnetoelektryczny jest typowym miernikiem prądy stałego reagującym na zwrot przepływającego prądu. Dlatego też w miernikach magnetoelektrycznych zaznacza się biegunowość jednego z zacisków, np. zacisku plus ( + ). Mierniki tego typu mogą być używane jako amperomierze lub jako woltomierze. Zaletami mierników magnetoelektrycznych są: duża czułość, mały pobór mocy oraz duża dokładność.
1. Amperomierz, przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego. Działanie amperomierza opiera się na pomiarach efektów elektromagnetycznych, cieplnych itp., wywołanych przepływającym prądem. Włącza się go szeregowo do obwodu elektrycznego, w związku, z czym istotną cechą jest jego niewielka oporność wewnętrzna, nie wpływająca na wartość mierzonego prądu. Amperomierze klasyfikuje się ze względu na: rodzaj mierzonego prądu (amperomierze prądu stałego i przemiennego - te ostatnie mierzą wartość skuteczną, rzadziej średnią), wartość mierzonego prądu (mikro-, miliamperomierze lub kiloamperomierze - duży zakres pomiaru uzyskuje się przez zastosowanie boczników lub przekładników prądowych w przypadku prądu zmiennego), konstrukcję (np. magnetoelektryczny, elektromagnetyczny, cieplny), rodzaj wskazań (analogowy, cyfrowy).
2. Woltomierz, miernik elektryczny służący do pomiaru napięcia, włączany równolegle do obwodu elektrycznego. Zbudowany jest z odpowiednio wyskalowanego mikroamperomierza i dużego opornika elektrycznego. Pomiar odbywa się poprzez wyznaczenie natężenia prądu płynącego przez woltomierz, który charakteryzuje się znaczną opornością wewnętrzną. W zależności od zastosowania rozróżnia się woltomierze prądu zmiennego i woltomierze prądu stałego.
Mierniki elektromagnetyczne
Zasada działania miernika elektromagnetycznego polega na wzajemnym przyciąganiu lub odpychaniu się rdzenia(blaszek) z materiału ferromagnetycznego miękkiego. Rdzenie(stały i ruchomy) są magnesowane polem magnetycznym, wytwarzanym przez cewkę z prądem elektrycznym. Ponieważ kierunek siły działającej na rdzenie jest niezależny od kierunku prądu w cewce, więc miernik elektromagnetyczny można stosować do pomiaru prądu stałego i przemiennego. Jednak ze względu na pobieraną dużą moc(do kilku VA) stosuje się go przede wszystkim do pomiarów w obwodach prądu przemiennego dużej mocy. Jeżeli organ ruchomy jest zawieszony na taśmach sprężystych, to moc pobierana przez przetwornik jest mniejsza i wynosi kilkadziesiąt mVA.
Najczęściej wytwarza się przetworniki dwurdzeniowe o cewce okrągłej. Ponieważ jednoimienne bieguny magnesów się odpychają, więc nieruchomy rdzeń 2 odpycha, tak samo magnesowany, ruchomy rdzeń 3. oś jest osadzona w łożyskach 6. Do osi jest przymocowana wskazówka 9, tłumik 4 oraz początek spirali wytwarzającej moment zwrotny. Koniec spirali 8 jest przymocowany do korektora zera 5.
Moment napędowy Mn miernika elektromagnetycznego określa wzór
gdzie: I oznacza prąd stały lub skuteczną wartość prądu zmiennego płynącego przez zwoje cewki 1; kn oznacza stałą prądową zależną od konstrukcji miernika;
oznacza zmianę indukcyjności cewki miernika w funkcji kąta .
Funkcję można zmieniać przez dobór odpowiedniego kształtu rdzenia (blaszek), co umożliwia uzyskanie prawie regularnej podziałki, zagęszczonej jedynie na początku.
Wychylenie ustalone wynosi:
Mierniki elektromagnetyczne są stosowane do pomiarów prądu i napięcia małej częstotliwości (amperomierze do 1500 Hz, woltomierze do 1 kHz) obiektów o mocy ponad 500 VA.
Schematy funkcjonalne czterozakresowego elektromagnetycznego:
a) amperomierza
b) woltomierza
Najmniejszy zakres prądowy wynosi 1 mA, dokładność: 0,5; 1; 1,5. Są wypierane zarówno przez mierniki cyfrowe, jak również przez przetwornikowe mierniki magnetoelektryczne.
Watomierz elektrodynamiczny jest przyrządem przeznaczonym do pomiaru mocy czynnej. Ma on dwie cewki: nieruchomą cewkę prądową, o małej rezystancji i ruchomą cewkę napięciową, o dużej rezystancji. Cewkę prądową włącza się do układu poprzez zaciski prądowe, szeregowo z obciążeniem. Cewkę napięciową - poprzez zaciski napięciowe, równolegle z obciążeniem. Odchylenie wskazówki miernika jest proporcjonalne do iloczynu prądu w cewce prądowej, napięcia na cewce napięciowej i cos . Na tarczy podziałkowej watomierza znajduje się symbol jednostki wielkości mierzonej (mocy czynnej) - litera W. Zaciski odpowiadające początkowi cewki prądowej i napięciowej są oznaczone gwiazdką i w czasie normalnej pracy powinny być zwarte. W watomierzu można, za pomocą przełączników: prądowego i napięciowego, nastawić zakres prądowy i napięciowy niezależnie od siebie. Zakres watomierza równy jest iloczynowi wyżej wspomnianych zakresów.
Watomierz elektrodynamiczny wskazuje poprawnie wartość mocy w obwodach prądu stałego i wartość mocy czynnej w obwodach prądu przemiennego.