APARATE MAGNETOELECTRICE

Instrumentul magnetoelectric

A. Instrumentul magnetoelectric cu bobină mobilă

a) Construcţia şi principiul de funcţionare

Mecanismul care generează cuplul activ la instrumentul magnetoelectric este format dintr-un magnet permanent şi o bobină. Cuplul activ ia naştere ca urmare a interacţiunii dintre câmpul magnetului permanent şi conductoarele parcurse de curent continuu ale bobinei. După felul cum sunt dispuse, se disting instrumente magnetoelectrice cu magnet permanent fix şi bobină mobilă, şi instrumente cu bobină fixă şi magnet mobil.

La rândul lor, cele cu magnet permanent fix şi bobină mobilă pot avea magnetul exterior bobinei (fig. 3.3.a) sau interior acesteia (fig. 3.3.b).

Instrumente magnetoelectrice

Din punct de vedere constructiv circuitul magnetic este format din magnetul permanent (1) jugul magnetic (2), piesele polare (3) şi miezul cilindric (4).

Bobina mobilă (5) este plasată în întrefier foarte bine centrată cu ajutorul sistemului de suspensie.

Ea este formată dintr-un cadru izolant sau din aluminiu pe care sunt bobinate mai multe spire cu conductor izolat foarte subţire (0,01 + 0,1 mm).

Curentul este adus la bobină prin resoartele spirale (6), care generează prin răsucire cuplul rezistent.

Pe sistemul mobil este fixat şi acul indicator (7) echilibrat de contragreutăţi (8).

Pentru instrumentele foarte sensibile (μA , galvanometre) se utilizează suspensie pe benzi şi în locul acului indicator, o oglindă mică solidară cu bobina, pentru citirea optică a deviaţiei.

Magnetul permanent realizat din aliaj magnetic dur (Alnico, Magnico etc) sau ferite dure, generează în întrefier un câmp magnetic uniform cu inducţii de 0,2 0,5 T.

Forme constructive de circuite magnetice.

În general forma pieselor polare şi a miezului cilindric realizează un câmp radial uniform distribuit cu inducţia constantă în orice poziţie s-ar afla bobina.

Mecanismul de amortizare la instrumentul magnetoelectric este construit din cadrul de Al al bobinei, de formă dreptunghiulară, care funcţionează ca o spiră în scurtcircuit, în care se induc, prin mişcarea în câmpul magnetic permanent, curenţi care se opun mişcării şi o amortizează.

b) Ecuaţia de funcţionare

Fig.3.5. Instrumentul magnetoelectric cu câmp radial uniform.

La trecerea unui curent continuu prin bobină, ca urmare a interacţiunii curentului cu câmpul magnetic al magnetului permanent, asupra bobinei acţionează forţele F care dau naştere cuplului activ Ma ce roteşte bobina.

Ma=Fb unde F=IBl ; b=2aI - intensitatea curentului prin bobină;B - inducţia magneticăl - lungimea conductorului(înălţimea unei spire); b - lăţimea unei spire

Ma = Fb = IBNl b = BNAI unde: A=l b ( suprafaţa unei spire)

Bobina se roteşte până când cuplul rezistent (Mr=Dα), egalează cuplul activ

La echilibru: M a=M r⇒BNAI=Dα⇒α=BNAI

D

BNA/D=K ( constant) - sensibilitatea aparatului

α=K⋅I - caracteristica de conversie

Sensibilitatea se mai notează şi cu S α=S⋅I

Pentru realizarea unor instrumente cât mai sensibile se măreşte numărul de spire, suprafaţa bobinei şi se caută magneţi permanenţi cât mai puternici, concomitent cu utilizarea suspensiei pe benzi tensionate care au D mic şi nu prezintă momente de frecare. Instrumentele sensibile sunt însă destul de fragile şi nu rezistă la şocuri electrice sau mecanice.

Se observă de asemeni din expresia deviaţiei α că ea este proporţională cu curentul I şi sensul ei depinde de sensul curentului, deci instrumentele magnetoelectrice au fie reperul zero la mijlocul scalei, fie polaritatea “+”,”-” marcată pe borne pentru a obţine deviaţie în sensul normal al acalei. Reperele sunt echidistante dacă indicaţia B este constantă peste tot în întrefier, sau după o anumită funcţie impusă, după aceeaşi funcţie vor fi distribuite şi reperele scalei.

B. Instrumentul magnetoelectric cu magnet mobil.

Este mult mai simplu, mai robust şi nu are părţi mobile parcurse de curent.

Instrumentul magnetoelectric cu magnet mobil

Bobina (1) este fixă, divizată în două, iar magnetul (2) este fixat pe ax şi este realizat de obicei din oţel călit sau aliaj magnetic dur. Pentru amortizarea oscilaţiilor el este închis într-un cilindru din folie din cupru sau aluminiu (4) în care se induc prin mişcare curenţi turbionari ce amortizează oscilaţiile. Cuplul activ ia naştere prin interacţiunea câmpului magnetic dat de bobină cu câmpul magnetului, pe care tinde să-l orienteze după axa bobinei. Principalul avantaj al acestui tip de instrument este robusteţea sa, dată de organul mobil simplu rezistent şi de bobina fixă ce poate fi supradimensionată. La curenţi mari bobina se poate reduce la un simplu conductor.

Aparatele au însă sensibilitatea scăzută, datorită circuitului magnetic fără fier, poate fi influenţat de câmpuri magnetice exterioare, de aceea trebuie ecranat magnetic.

Se utilizează totuşi pe autovehicule şi avioane, fiind rezistent la şocuri şi vibraţii, la clase de precizie: C = 1,5 ¿ 2.5.

Tipuri de aparate magnetoelectrice

a) Galvanometru de curent continuu

Galvanometru este instrumentul de curent continuu cel mai sensibil, care poate măsura sau detecta curenţi de valori foarte reduse 10-6 10-9A. El este destinat punţilor şi compensatoarelor de curent continuu ca detector de curent zero.

De aceea, din punct de vedere constructiv, el are unele particularităţi. Astfel, pentru a urmări cuplul activ, numărul de spire al bobinei este mare, cu fir foarte

subţire (0,01 0,02 mm) lăţimea bobinei este mărită. Inducţia în întrefier este mai mare prin concentrarea câmpului magnetic radial pe un sector mai îngust (15 450) deoarece el este prevăzut cu sistem optic de citire, care dublează unghiul de deviaţie.

Cuplul rezistent este foarte redus, dat fie de două benzi tensionate, fie de un fir de tensiune la galvanometrele staţionare foarte sensibile.

Bobina (b) nu are cadru ci se realizează prin rigidizarea spirelor cu răşini speciale pentru a fi cât mai uşoare.

Pentru a mări sensibilitatea, raza reflectată de oglinda (o) montată pe bobina mobilă este lungită artificial prin reflexii în 23 oglinzi (o1,o2) aşezate în drumul spre scara gradată (g).

Aceasta poate fi realizată din geam mat în cazul citirii prin transmisie sau cu un ecran alb semicircular la citirea prin reflexie.

Galvanometrul de curent continuu.

Valorile uzuale pentru constanta de

curent la galvanometrele portabile este

C1=10−7+10−9A /div de aceea în cazul unei scale cu

l00 diviziuni, rezultă un curent maxim admisibil:

Pentru utilizarea galvanometrului la echilibrarea punţilor e nevoie la început de o sensibilitate mai redusă, care este realizată cu ajutorul unui reductor de sensibilitate.

Fig. 3.8. Reductor de sensibilitate pentru galvanometre.

b) Ampermetre magnetoelectrice

Pentru realizarea ampermetrelor instrumentul magnetoelectric se conectează la bornele unui şunt (fig. 3.12). Din această schemă rezultă valoarea şuntului pentru un anumit instrument cu rezistenţa R0 şi curentul nominal I0.

R s=Ro

n−1 unde:

n= II o

Imax=C i⋅αmax=10−15+10−7 A

Fig. 3.9. Schema ampermetrelor magnetoelectrice

Această schemă simplă are două dezavantaje importante: - rezistenţa mică a şuntului face ca instrumentul să aibă un regim dinamic

aperiodic puternic supraamortizat;- variaţia rezistenţei bobinei de cupru a instrumentului cu aproximativ. 4% la

100C în timp ce rezistenţa şuntului variază foarte puţin, conduce la erori mari de temperatură la măsurarea curentului.

De aceea se folosesc scheme de rezistenţe mai simple sau mai complicate pentru compensarea erorilor de temperatură. Rezistenţa de manganină face ca

variaţia cu temperatura a rezistenţei Ro+Rm să fie mai mică.

Reducerea erorii de temperatură la ampermetrele cu şunt

Erorile ce mai apar la ampermetrele magnetoelectrice datorate variaţiei de temperatură sunt legate de variaţie (slăbirea) cuplului specific al resoartelor şi de diminuarea fluxului magnetului permanent. Parţial ele se compensează. Prin alegerea potrivită a materialului resoartelor şi a materialului magnetic, ele se pot compensa integral.

c) Voltmetre magnetoelectrice.

Voltmetrele magnetoelectrice se realizează din instrumentul magnetoelectric considerat ca milivoltmetru căruia i se înseriază una sau mai multe rezistenţe adiţionale pentru a obţine una sau mai multe game de tensiune.

Voltmetru magnetoelectric cu 4 game.

Valoarea rezistenţei adiţionale se calculează cu relaţia:

Ra=Ro' (n−1 )

unde:

n= UU o

Variaţia temperaturii introduce erori neglijabile la voltmetrele magnetoelectrice,

deoarece, chiar pentru gamele mici de tensiune, Re ⟩ ⟩Recr , astfel că variaţia acesteia

cu temperatura nu produce variaţia curentului I o prin instrument, deci indicaţia nu va fi afectată.

La milivoltmetrele fără rezistenţă adiţională sau cu Ra comparabil cu Ro sunt necesare scheme de compensare ca la ampermetre.

Voltmetrele magnetoelectrice funcţionează numai în curent continuu, au

rezistenţă internă mare, 100Ω/V până la 50kΩ/V , consum propriu redus, 0 ,005+1W şi se construiesc fără măsuri speciale până la 1000V.

Aparate magnetoelectrice cu redresor

Pentru măsurarea curentului alternativ instrumentul magnetoelectric trebuie conectat într-o schemă de redresoare mono sau bialternanţă. Cu ajutorul şunturilor şi a rezistenţelor adiţionale se pot realiza astfel ampermetre şi voltmetre pentru curent alternativ. Aparatul poate măsura şi curent continuu dacă se deconectează redresorul, astfel că ele se utilizează mai ales ca multimetre (A,V,Ω ) cu un număr mare de intervale de măsurare.

a) Funcţionarea instrumentului magnetoelectrice alimentat cu curent alternativ redresat

Datorită inerţiei relativ mari a organului mobil, instrumentul magnetoelectric

are o frecvenţă proprie de oscilaţie mică f o=0,5+2Hz de aceea nu poate urmări

variaţiile instantanee ale unui curent redresat de frecvenţă f=50+100Hz . Cuplul său activ va fi proporţional cu o valoare medie a curentului.

(M a )med=1T∫o

T

Φo⋅i⋅dt=Φo⋅Imed

De aceea şi indicaţia sa va fi proporţională cu valoarea medie a curentului redresat:

α=Φo

D⋅Imed

La redresorul monoalternanţă valoarea medie a curentului o are expresia:

Imed=1T∫T

1

I √2sinω⋅t dt= I2 ,22

α=φo

2 ,22⋅D⋅I

Rezultă că pentru curent sinusoidal deviaţia este proporţională cu valoarea efectivă a curentului alternativ.

Aparate electrice cu redresor

a) monoalternanţă b) bialternanţă

La redresorul bialternanţă (în punte) din fig. 3.16. b curentul mediu redresat va fi:

Se observă o deviaţie dublă în acest caz deci o

sensibilitate dublă pentru aparat.

Realizarea ampermetrelor şi a voltmetrelor cu redresor se face tot cu şunturi şi rezistenţe adiţionale, montate în paralel cu redresorul, respectiv în serie.

O variantă frecvent utilizată este aceea a utilizării transformatoarelor de măsură de curent şi tensiune cu prize pe primar.

Aparate cu redresor şi

transformatoare de măsurare.

b) Caracteristicile aparatelor magnetoelectrice cu redresor

Deoarece în practică interesează valoarea efectivă, scara aparatelor magnetoelectrice cu redresor este gradată în acest mod, considerându-se forma de undă a mărimii redresate ca sinusoidală.

Pentru unde sinusoidale însă aparatul are indicaţia proporţională cu valoarea medie a curentului ceea ce conduce la erori mari de măsurare. Pentru acest caz:

α=Φo

D⋅ IKf

Pentru a citi corect valoarea efectivă a curentului sinusoidal trebuie cunoscut factorul de formă:

Kf= IImed şi atunci:

I=α⋅C I⋅Kf1 ,11

O altă sursă de erori la aparate cu redresor o constituie neliniaritatea diodelor, ceea ce face ca scările de c.a. ale aparatului să fie diferite de cele de c.c. şi anume, mai dese la începutul scării de măsură din cauza valorii mai mari a rezistenţei în

sens direct a diodei (Rd ) la valori mici a curentului. Pentru liniarizare se caută să se

introducă în serie cu diodele rezistenţe mult mai mari decât Rd .Diodele redresoare introduc şi erori de temperatură şi frecvenţă. Rezistenţele

în sens direct şi invers depind de temperatură în sens invers proporţional.Erorile de frecvenţă apar la frecvenţe mari (f > 10kHz) datorită capacităţii

parazite a diodelor a căror rezistenţă scade cu frecvenţa. Din această cauză partea din curent neredresată creşte cu frecvenţa şi indicaţia instrumentului va scădea.

Ele pot fi construite cu număr mare de game de măsurare, cu consum propriu redus, sensibilitatea ridicată, măsoară şi în c.c şi în c.a.

Banda de frecvenţă poate fi de 10 ¿ 20 kHz, clasa de precizie este de regulă 1 în c.c şi 1,5 în c.a. Pentru ohmmetre uzuală este clasa de precizie 1% sau 1,5%

α=Φo

1 ,11D⋅DImed=

1T∫o

T

¿ I √2sinωt dt= I1 ,11

din deschiderea scării gradate. La majoritatea multimetrelor scara în curent alternativ este neliniară şi este diferită pentru cea de curent alternativ. Totuşi sunt şi multimetre cu scări comune obţinute prin liniarizarea caracteristicii diodelor.