Instrumente magnetoelectrice

Instrumente magnetoelectrice

Din punct de vedere constructiv exista doua tipuri de instrumente de masura magnetoelectrice: cu cadru mobil si cu magnet mobil. Instrumentele cu magnet mobil chiar daca au gabarit redus, capacitate mare la suprasarcina si pot masura direct curenti relativi mari, datorita sensibilitatii reduse, se folosesc ca aparate de bord (ampermetre, voltmetre) pe autovehicule si avioane. Ele nu vor fi prezentate in acest material.

1. Instrumente cu cadru mobil

Acestea la randul lor pot fi: cu magnet permanent exterior si cu magnet permanent interior.

Constructie

a) Instrumentul cu magnet permanent exterior (fig. 2.3, a)

Este cel mai des intalnit. Sistemul fix este format dintr-un magnet permanent (1) prevazut cu piesele polare (2) si miezul cilindric (3). Elementul activ al dispozitivului mobil este format din bobina mobila (4), care inconjoara miezul (3) putandu-se roti in intrefierul cilindric dintre piesele polare si miez, fiind fixata pe doua semiaxe (5) care se sprijina in paliere. Pe semiaxe mai sunt fixate acul indicator (7) cu contragreutatile de echilibrare si doua resorturi spirale (6) infasurate in sensuri opuse pentru a compensa efectele variatiilor de temperatura. Aceste resorturi servesc la producerea cuplului rezistent si totodata la alimentarea bobinei. In cazul instrumentelor de mare sensibilitate (galvanometrele), bobina mobila este sustinuta pe benzi tensionate, iar deasupra ei se fixeaza o mica oglinda care alcatuieste sistemul optic al acestora. Indiferent de tipul suspensiei instrumentul se prevede cu un corector de zero.

Magnetul permanent este confectionat din aliaj magnetic dur (alnico, magnico, etc.), caracterizat prin inductie remanenta mare si camp coercitiv de valori mari, pentru a se obtine in intrefier un camp magnetic puternic (B = 0.2-0.3T). Pentru o stabilitate cat mai buna a inductiei in intrefier materialul este supus unui tratament de imbatranire artificiala.

Piesele polare si miezul cilindric sunt fabricate dintr-un material magnetic moale cu permeabilitate mare. Forma lor permite realizarea unui intrefier cilindric, in care fluxul magnetic are o distributie uniform radiala, inductia magnetica pastrand o valoare constanta, independenta de unghiul de pozitie al bobinei mobile.

Bobina mobila se realizeaza prin infasurarea unui conductor subtire din cupru sau aluminiu emailat pe un cadru dreptunghiular din tabla de aluminiu. Cadrul constituie o spira in scurtcircuit si serveste la amortizarea oscilatiilor dispozitivului mobil. Se mai utilizeaza si bobine fara cadru metalic, in care caz bobina se rigidizeaza cu un lac izolant.

b) Instrumentul cu magnet permanent interior (fig. 2.3, b)

Are circuitul magnetic alcatuit dintr-un magnet permanent interior (1) si un cilindru exterior (2) din material feromagnetic prin care se inchide fluxul magnetic. In interiorul intrefierului dintre (1) si (2) se poate roti bobina (3) cu suspensie pe paliere.

In raport cu instrumentul cu magnet exterior prezinta urmatoarele avantaje: constructie mai simpla, gabarit redus, dispersie de flux magnetic mai mica si o mai buna ecranare (cilindrul indeplineste functia de ecran magnetic). Piesele polare (4) din material feromagnetic asigura o distributie uniforma a campului magnetic in intrefier.

1.2. Functionare. Parametri de calitate

Cuplul activ apare ca urmare a interactiunii dintre campul magnetic din intrefier si curentul ce parcurge bobina mobila. Folosind teorema fortelor generalizate, se poate determina expresia cuplului activ.

Energia magnetica inmagazinata in campul magnetic este: W_m= FI. Dupa conectarea circuitului de masurare bobina mobila este parcursa de curentul I si sub actiunea cuplului activ, M_a se va deplasa cu unghiul elementar da, astfel incat energia W_m va suferi o variatie dW_m:

. (2.17)

Daca se noteaza cu dS suprafata elementara din intrefier parcursa de cele doua laturi active ale bobinei, la rotirea ei cu da, rezulta: in care dS=2·, unde A este suprafata bobinei, N - numarul de spire al bobinei, l - lungimea laturii active a bobinei si b - latimea bobinei. Astfel:

, unde F =NBA

Vom avea:

. (2.18)

iar:

. (2.19)

La echilibru M_a+M_r=0, dar M_r= -Da, rezulta:

(2.20)

unde , reprezinta sensibilitatea acestuia. Deoarece S=const., rezulta ca deviatia a este proportionala cu intensitatea curentului I si scara instrumentului este, deci, uniforma. Instrumentele magnetoelectrice functioneaza numai in curent continuu, sensul deviatiei depinzand de sensul curentului.

Pentru a determina o deviatie in sensul normal al scarii la conectarea aparatului trebuie respectate polaritatea bobinelor care sunt marcate cu + si -. Se construiesc insa si instrumente cu reperul de zero la mijloc. In curent alternativ, rezulta un cuplul activ tot alternativ de aceeasi frecventa cu I. Dispozitivul mobil nu poate urmari oscilatiile rapide ale M_a si .

Functionarea instrumentului magnetoelectric poate fi afectata de variatia de temperatura q. Astfel cresterea lui q duce la cresterea rezistentei bobinei (Cu) cu 0.4%/⁰C, rezultand erori de indicatie importante. Instrumentul magnetoelectric se poate prevedea cu o schema de compensare a erorilor de q C. De asemenea, cresterea temperaturii mai produce si micsorarea cuplului rezistent M_r cu 0.03-0.04%/⁰C, precum si micsorarea inductiei in intrefier (deci a cuplului activ), dar aceste efecte, mult mai mici se compenseaza reciproc.

Proprietati avantaje: scara uniforma (liniara), sensibilitate mare, consum propriu redus (mW), precizie ridicata, influenta neglijabila a campurilor exterioare; dezavantaje: pret ridicat, functionare numai in curent continuu, capacitate de suprasarcina redusa (resorturile parcurse de supracurenti se decalibreaza sau chiar se distrug).

Utilizari Este cel mai raspandit dintre toate instrumentele de masurare. Cu un astfel de instrument, se pot construi microampermetre si miliampermetre magnetoelectrice folosite ca atare cat si in constructia a numeroase aparate de masurare, ca de exemplu: multivoltmetre, voltmetre, ampermetre, ohmmetre, multimetre si a tuturor aparatelor electronice analogice. De asemenea este folosit la constructia galvanometrelor, indicatoarelor de nul, buclelor de oscilograf, iar in asociere cu redresoare sau termoelemente serveste la constructia unor voltmetre si ampermetre de curent alternativ. In fine, in asociere cu convertoare, sau traductoare adecvate, este utilizat la constructia de frecventmetre, faradmetre, wattmetre, precum si a aparatelor analogice pentru masurari de marimi neelectrice pe cale electrica (temperaturi, debite, etc.).

2. Logometre magnetoelectrice

Au dispozitivul mobil alcatuit din doua bobine solidare b₁ si b₂ (fig.2.4) fixate pe un ax comun ce fac intre ele un unghi b. Fiind lipsite de resorturi, curentii sunt adusi la bobina prin doua fire subtiri din Ag sau Au dispuse in bucle largi pentru a nu produce cuplu rezistent mecanic.

O conditie de functionare a logometrelor este ca cel putin unul din cele doua cupluri active, M_a1 si M_a2, care actioneaza asupra dispozitivului mobil sa depinda de deviatia acestuia a. De aceea campul magnetic din intrefier este totdeauna radial-neuniform astfel incat inductia magnetica sa varieze in functie de unghiul a, in mod diferit pentru cele doua bobine.

Fig. 2.4. Logometru magnetoelectric

Functionarea logometrelor magnetoelectrice, se bazeaza pe interactiunea dintre campul magnetic din intrefier si curentii din cele doua bobine care produc cupluri oponente M_a1 si M_a2. Notand M_a1 - cuplul activ (in sensul cresterii unghiului a) si M_a2 - cuplul de sens opus, acestea se exprima prin relatiile: M_a1=N₁A₁I₁B₁(a si M_a2=N₂A₂I₂B₂(a La echilibru M_a1+M_a2=0 rezulta:

. (2.21)

Avantajul esential al logometrelor consta in faptul ca atunci cand ambele circuite de curent se alimenteaza de la aceeasi sursa, indicatia instrumentului nu este influentata de variatiile tensiunii de alimentare: .

Ele sunt utilizate la constructia de ohmmetre, megohmmetre precum si in scheme de termometre electrice rezistive.