APARATE FEROMAGNETICE - Constructia si functionarea aparatelor feromagnetice

APARATE FEROMAGNETICE

1. Constructia si functionarea aparatelor feromagnetice

Principiul de functionare Functionarea acestor aparate se bazeaza pe interactiunea dintre campul magnetic creat de o bob 727i85h ina fixa si una sau mai multe piese feromagnetice, dispuse astfel incat din aceasta interactiune sa ia nastere un cuplu activ dependent de curentul din bobina.

Dupa efectul bobinei asupra pieselor feromagnetice, se disting doua tipuri:

– aparate la care piesele feromagnetice sunt atrase de bobina;

– aparate la care piesele feromagnetice din interiorul bobinei se resping reciproc.

Aparatele cu atractie au o bobina sub forma paralelipipedica plata 1, prevazuta cu o fereastra ingusta in care poate patrunde o piesa feromagnetica 2 (fig.4.6). Aceasta piesa este fixata excentric de axul aparatului, astfel incat prin rotire, poate patrunde in interiorul bobinei. De acelasi ax mai sunt fixate acul indicator 3, amortizorul pneumatic 4, resortul care produce cuplul rezistent 5 si dispozitivul de corectie a pozitiei de zero 6.

Campul magnetic generat de curentul din bobina produce o forta de atractie a piesei feromagnetice spre interiorul acesteia creand astfel un cuplu activ ce este echilibrat de cuplul reactiv din resortul spiral.

Fig.4.6. Aparatul feromagnetic cu atractie.

Aparatele cu repulsie au o bobina de forma cilindrica 1 in interiorul careia se afla doua piese feromagnetice 2 si 2', dintre care una este fixata de bobina, iar cealalta este fixata excentric pe axul aparatului (fig. 4.7). De ax sunt fixate aceleasi componente ca si la aparatele cu atractie.

Fig.4.7. Aparatul feromagnetic cu repulsie.

Sub actiunea campului magnetic, produs de curentul din bobina, cele doua piese feromagnetice se polarizeaza magnetic la fel; in consecinta se resping reciproc. Din forta de repulsie ia nastere cuplul activ de rotatie a axului care este echilibrat de cuplul reactiv din resortul spiral.

Aparatele cu repulsie asigura performante mai bune decat cele cu atractie, de aceea ele se fabrica in mod curent sub diverse variante constructive. Se construiesc, de asemenea, si aparate cu actiune combinata, de repulsie si de atractie. Avantajele acestora constau in cresterea cuplului activ si posibilitatea de uniformizare si extindere a deviatiei unghiulare pana la aproximativ 270^o.

Se fabrica si aparate cu repulsie de mare sensibilitate cu suspensie pe fire tensionate si dispozitiv optic de citire.

2. Relatii functionale

Din interactiunea dintre campul magnetic al bobinei fixe si piesa feromagnetica fixata de axul aparatului, in ambele variante cu atractie sau cu repulsie, ia nastere un cuplu activ care actioneaza in sensul cresterii energiei magnetice localizate in bobina.

Energia magnetica a bobinei este data de expresia:

,  (4.26)

unde L este inductivitatea bobinei, iar I este curentul.

Pentru un curent continuu constant I, cuplul activ se deduce din variatia energiei magnetice in raport cu unghiul axului aparatului, a, conform relatiei:

. (4.27)

Din conditia de egalitate dintre cuplul activ M_a si cuplul rezistent dezvoltat de resortul spiral, M_r = C∙a, deducem ecuatia de functionare a aparatului feromagnetic:

.  (4.28)

Pentru rezulta:

. (4.29)

Aceasta relatie arata ca deviatia acului aparatului a fata de pozitia de zero este dependenta de doi factori: de patratul curentului I² si de variatia inductivitatii bobinei in raport cu deviatia a: dL/da. Prin urmare, in principiu, scara aparatului nu este uniforma. Diviziunile sunt mai dese la inceputul cadranului si mai rare la limita superioara. In cazul particular cand factorul dL/da ar fi constant, scara este patratica.

O anumita uniformizare a scarii aparatului poate fi obtinuta prin alegerea adecvata a formei si pozitiei pieselor feromagnetice, asa incat neliniaritatea introdusa de factorul dL/da sa fie compensata de neliniaritatea introdusa de factorul I².

Neliniaritatea scarii inseamna si sensibilitate dependenta de a; mai mica la inceputul scarii si mai mare catre limita superioara.

Deoarece bobina aparatelor feromagnetice este fixa nu se impun restrictii in ce priveste masa, forma si dimensiunile ei ca in cazul aparatelor magnetoelectrice. In consecinta, ea poate fi facuta din sarma groasa ce poate suporta curenti pana la 100 A.

Datorita dependentei cuplului activ de patratul curentului, aparatele feromagnetice nu au polaritate fixata, sensul deviatiei a fiind acelasi indiferent de sensul curentului din bobina. Prin urmare, acest tip de aparat poate fi folosit atat pentru masurarea marimilor continui, cat si a celor alternative.

In cazul masurarii curentului alternativ efectiv I_ef deviatia acului este:

,  (4.30)

adica o deviatie similara cu cea pentru curent continuu. Prin urmare aparatele de acest tip pot fi folosite atat pentru masurarea marimilor continue, cat si a celor alternative.

Dintre calitatile aparatelor feromagnetice remarcam: posibilitatea masurarii marimilor continui si alternative, capacitate de suprasarcina mare, pret de cost relativ scazut. Dintre dezavantajele acestora mentionam: consum propriu mare, sensibilitate relativ redusa, scara neuniforma.

3. Ampermetre si voltmetre feromagnetice de curent continuu

Ampermetre si miliampermetre de c.c. Conform relatiei (4.28), aparatele feromagnetice pot fi folosite ca ampermetre de curent continuu. Limitele de masurare ale curentului se stabilesc in corelatie cu numarul de amperi-spire necesar pentru obtinerea cuplului activ maxim.

Reducand numarul de spire si folosind bare de cupru de sectiune corespunzatoare, limita superioara a curentului masurat poate fi marita la 100 A sau chiar mai mult. Limita inferioara este de 100 – 200 mA la ampermetrele cu suspensie pe lagare si de ordinul zecilor de mA la cele cu suspensie pe banda.

Pentru realizarea de ampermetre cu mai multe domenii de masurare se recurge la folosirea de bobine cu mai multe sectiuni, care pot fi conectate in serie, in paralel sau mixt.

Aparatele de acest fel sunt utilizate in special ca miliampermetre si ampermetre de laborator cu clasa de precizie 0,5 sau chiar 0,2.

Voltmetre de tensiune continua. Daca in relatia (4.28) inlocuim curentul I prin echivalentul lui U/R_i, se obtine relatia:

, (4.31)

din care se deduce dependenta dintre deviatia a si tensiunea U, aplicata la intrarea aparatului.

Tensiunile ce pot fi masurate direct cu astfel de aparate sunt de ordinul milivoltilor, dar domeniul de masurare poate fi extins cu ajutorul rezistentelor aditionale la fel ca si la aparatele magnetoelectrice. De asemenea, prin sectionarea bobinei si conectarea sectiunilor in serie, in paralel sau mixt se pot obtine mai multe domenii de masurare cuprinse intre 10 si 1000 V.

Astfel de aparate sunt utilizate in laborator, avand clasa de precizie 0,5 sau 0,2.

4. Ampermetre si voltmetre feromagnetice

de curent alternativ

Ampermetre de c.a. In baza relatiei (4.28) deducem ca aparatele feromagnetice pot fi folosite si la masurarea curentului alternativ, asimiland curentul continuu I cu cel efectiv I_ef. Performantele acestor aparate se mentin bune pentru frecvente de pana la 300 Hz, celelalte performante fiind similare cu cele ale ampermetrelor de c.c.

Ampermetrele feromagnetice de c.a. se folosesc in special in instalatii industriale. Pentru extinderea domeniului de masurare se recurge la folosirea transformatoarelor de masurare.

Voltmetre de tensiuni alternative. Daca la bornele unui aparat feromagnetic se aplica o tensiune sinusoidala , indicatia acestuia va fi data de relatia:

,  (4.32)

unde R_i si L_i sunt rezistenta si inductivitatea bobinei.

Din relatia (4.32) rezulta posibilitatea utilizarii aparatelor feromagnetice ca voltmetre de tensiune efectiva, U_ef, si ca rezultatul masurarii depinde si de frecventa semnalului de masurat.

Comparand relatia (4.28) cu relatia (4.32) se deduce ca, pentru U = U_ef, indicatiile aparatelor feromagnetice de c.a. sunt inferioare celor in c.c., din cauza reactantei inductive a bobinei. Diferentele sunt insa neglijabile daca L_iw << R_i + R_a.

Domeniul de frecvente uzual pentru aceste aparate este de la 45 la 65 Hz, insa in cazul voltmetrelor de laborator acesta poate fi extins intre limitele 15 – 1000 Hz cu ajutorul unor compensatoare de frecventa.

Domeniul de tensiuni masurabile ca si celelalte caracteristici ale voltmetrelor de t.a. sunt similare cu cele ale voltmetrelor de t.c. Datorita robustetii lor voltmetrele feromagnetice au utilizari largi ca aparate industriale cu clasa de precizie 1,5 sau 2,5. Domeniul uzual de tensiuni de 750 – 1000 V poate fi largit la cateva sute de kV cu ajutorul unor transformatoare de tensiune.