Elektrotechnika

ÚVOD

MAGNETOELEKTRICKÉ MERACIE PRÍSTROJE

Tieto prístroje sa označujú aj ako prístroje s otáčavou cievkou. Využívajú sily, ktoré pôsobia v magnetickom poli permanentného magnetu na vodiče cievky, ktorou prechádza elektrický prúd.

Medzi najstaršie konštrukcie tohto typu patria meracie mechanizmy magnetoelektrického pristroja s podkovovitým magnetom.

Výhodnou vlastnosťou u nich je pomerne dobrá preťažiteľnosť, a to tak po elektrickej, ako aj mechanickej stránke. V nie príliš veľkom frekvenčnom pásme udávajú efektívnu hodnotu meraného napätia. K nevýhodným vlastnostiam patrí pomerne veľká spotreba a u bežných prístrojov nie príliš veľká presnosť. V precíznom prevedení sa však dosahuje trieda presnosti až 0,1. Nie sú veľmi vhodné pre meranie neharmonických priebehov pre svoju frekvenčnú závislosť’ (frekvencia vyšších harmonických môže byt’ väčšia než je dovolená horná hranica frekvenčného pásma).

Často sa na meranie striedavých napätí používajú magnetoelektrické voltmetre s usmerňovačom. Bez zosilňovača bežne používané prístroje merajú v rozsahu 1 V až 1000 V a s použitím oddelených predradných odporníkov i viac.

Merajú strednú hodnotu napätia, stupnica je však ciachovaná pre efektívne hodnoty harmonického priebehu napätia (K1 = 1,11). Na meranie neharmonických priebehov nie sú vhodné. Horná hranica frekvenčného rozsahu sa pohybuje okolo 10 kHz. Bežne dosiahnuteľná presnosť býva 1 až 1,5%.

ČINNOSŤ

Tento pristroj pozostáva z permanentného magnetu, pólových nadstavcov z magneticky mäkkého materiálu, jadra, ktoré je upevnené nosníkom z neferomagnetického materiálu. Jadro tvorí valček z mäkkej ocele. Jadro s pólovými nástavcami vytvára vzduchovú medzeru, v ktorej je otočne uložená cievka. Cievka je z medeného izolovaného drôtu a je navinutá na hliníkovom rámčeku. Rámček je pripevnený na oske. Prívod prúdu do cievky tvoria dve špirálové pružiny, ktoré sú navzájom opačne vinuté. Tieto pružiny pri skrúcaní vytvárajú direktívny moment, ktorý vždy vráti cievku do východiskovej polohy. Na oske je upevnená aj ručička, ktorá sa vyvažuje závažiami.

Ak je vo vzduchovej medzere homogénne magnetické pole, preto kom prúdu cez cievku vytvorí cievka nové magnetické pole, ktoré sa snaží natočiť cievku tak, aby orientácia magnetického toku od permanentného magnetu a od cievky bola rovnaká. Pri pohybe závitu cievky v magnetickom poli vo vzduchovej medzere pôsobí na strany závitu,ktoré pri pohybe pretínajú magnetické pole, sila:

F = 2.B.l.I

Ak má cievka n závitov, tak:

F = 2.B.l.I.n

kde B - je magnetická indukcia vo vzduchovej medzere
I - prúd prechádzajúci cievkou,
n - počet závitov cievky

PM- permanentný magnet, 
PN- pólové nadstavce, 
R- ručička, 
J- jadro, 
N- nosník neferomagnetického materiálu, 
C- cievka, 
VZ- vyvažovacie závažia, 
MB– magnetický bočník

Proti momentu systému pôsobí direktívny moment od direktívnych pružín. Jeho veľkosť je úmerná natočeniu direktívnych pružín, teda výchylke ?. Otočná časť systému sa bude pohybovať dovtedy, kým sa moment systému a direktívny moment nevyrovnajú.

Pri výrobe treba nastaviť hodnotu prúdu I pri rovnakom type prístroja na takú konštantnú hodnotu, pri ktorej je výchylka ručičky maximálna. Preto je systém vystrojený magnetickým bočníkom, ktorým nastavujeme magnetickú indukciu vo vzduchovej medzere na potrebnú hodnotu, prípadne po čase odstraňujeme vplyv starnutia permanentného magnetu. Dnes sa používajú iba tzv. vnútorné magnety, v ktorých permanentný magnet tvorí vlastne jadro (valček). Vyžaduje si to však kvalitné magnety malých rozmerov zo špeciálnych zliatin, ktoré sa v procese výroby podrobujú umelému starnutiu. Tlmenie magnetoelektrických prístrojov je magnetické. Vytvárajú ho vírivé prúdy indukované v hliníkovom rámčeku, na ktorom je navinutá cievka. Hliníkový rámček tvorí závit nakrátko. v ktorom sa indukuje pni pohybe v magnetickom poli napätie; indukované napätie vytvorí prietok prúdu cez rámik. Presnost’ magnetoelektrických prístrojov je vysoká a vyrábajú sa v najvyšších triedach presnosti 0,1 a 0,2.

Magnetoelektrické prístroje nemajú vel’kú pret’ažitel’nost’. Vhodnou konštrukciou sa však dajú splnit’ požiadavky normy, podľa ktorej prístroje triedy presnosti 1 až 2,5 majú vydržať niekoľko krátkodobých desat’násobných pret’ažení a prístroje triedy presnosti 0,2 až 0,5 krátkodobé dvojnásobné preťaženia.

Aby nedošlo k zmene údaja prístroja vplyvom teploty, musí sa uskutočniť v zapojení prístroja teplotná kompenzácia.

MAGNETOELEKTRICKÉ PRÍSTROJE S USMERŇOVAČOM

Výhodnou vlastnosťou magnetoelektrických prístrojov je ich malá spotreba. Preto magnetoelektrické prístroje konštruujú s usmerňovačom pre meranie striedavých veličín. Po usmemení striedavej veličiny bude pripojený magnetoelektrický systém ukazovať výchylku úmemú strednej hodnote usmerneného priebehu meranej veličiny. V súčasnosti sa používajú rôzne typy polovodičových usmerňovačov. Pripojené harmonické napätie u vyvolá v obvode s usmerňovačom neharmonický prúd i. V meracej technike sa možno stretnúť najčastejšie s germániovými a kremíkovými diódami ako usmerňovačmi.

Pri práci s magnetoeIektrickými prístrojmi s usmerňovačmi si treba uvedomit’, že merajú strednú hodnotu usmerneného prúdu, i keď sú obvykle ciachované v efektívnej hodnote pre harmonický časový priebeh meranej veličiny. Údaj prístroja je správny v danej triede presnosti pre harmonické veličiny, kde je činiteľ tvaru:

Pri meraní neharmonických priebehov veličín vznikajú výrazné prídavné chyby. Presnosť magnetoelektrickych prístrojov s usmerňovačom je menšia než samotných magnetoelektrickych prístrojov na meranie jednosmerných veličín. Obyčajne sa dosahuje trieda presnosti najviac 1, častejšie 1,5 až 2,5. Menšiu presnosť zapríčiňuje najmä zakrivenosť – nelinearita AV charakteristiky usmerňovačov, najmä pri malých napätiach a prúdoch, závislosť odporu polovodičových diód od teploty, frekvenčná závislosť v dôsledku nezanedbateľnej kapacity usmerňovačov a indukčnosti otočenej cievky a starnutie diód, čiže nestálosť charakteristiky.

Ako magnetoelektrické prístroje s usmerňovačom (najčastejšie v Graetzovom zapojení) sa konštruujú mikroampérmetre, miliampérmetre, ampérmetre, voltmetre, i univerzálne meracie prístroje – voltampérmetre.

MAGNETOELEKTRICKÉ PRÍSTROJE S TERMOČLÁNKOM

Druhú možnosť merania striedavých veličín pomocou magnetoelektrického systému poskytuje jeho spojenie s termoelektrickým článkom (termočlánkom). Pri tejto kombinácii dochádza k premene striedavého prúdu na jednosmerné termoelektrické napätie. Termoelektrický článok vznikne spojením (zvar, spájkovanie) dvoch vodičov z rôznych kovov, ktoré majú rôznu výstupnú pracú elektrónov do referenčného okolia (ovzdušia).

Ak spoj zohrejeme na teplotu T a druhé konce vodičov ostanú ,,studené“ (na teplote okolia T0), potom medzi týmito koncami vznikne tzv. termoelektrické napätie. Jeho veľkosť bude približné úmerná rozdielu oboch teplôt

kde kt je konštanta závislá od oboch materiálov.

Ak ma ohrev teplého spoja použijeme meraný striedavý prúd, je oteplenie funkciou jeho efektívnej hodnoty. Potom i termoelektrické napätie a aj výchylka magnetoelektrickeho pristroja je úmerná kvadrátu efektívnej hodnoty meraného prúdu.

Magnetoelektricky pristroj s termočlánkom merania i udáva efektívnu hodnotu meranej veličiny. Údaj pristroja je v širokom rozsahu nezávislý od tvaru krivky prúdu a od frekvencie. Možno ním merať prúdy o kmitočte radovo 106 až 108 Hz. Termočlánky určené pre meracie prístroje môžu byt so stykom priamym obr. 1.3b, keď je termočlánok galvanicky spojený s obvodom meraného prúdu. Odovzdávanie tepla je veľmi účinné, pristroj je citlivý. Tento spôsob je vhodnejší pre meranie malých prúdov.

Pri nepriamom styku (obr. b) je spoj termočlánku zaliaty spolu s časťou výhrevného drôtu do sklenej perličky, číže obe časti sú navzájom galvanicky izolovane. Odovzdávanie tepla je menej dokonale, ale pristroj je bezpečnejší i pre meranie väčších prúdov.

Magnetoelektrické prístroje s termočlánkom sa vyrábajú ako ampérmetre v rozsahu od 1 mA do 10 A so vzduchovým chladením, so špeciálnymi chladiacimi rebrami až do 100 A. Bežne sa vyrábajú v triede presnosti 1,5 až 2,5, špeciálnou konštrukciou sa dá dosiahnuť trieda presnosti 0,5. Najčastejšie bývajú jednorozsahové. Voltmetre s termočlánkom sa vyrábajú s vlastným rozsahom od niekoľko desatín V do 1 V, pre vyššie rozsahy 1,2 až 500 V sú potrebné predradné ohmické odporníky pre zachovanie frekvenčnej nezávislosti.

Magnetoelektrické prístroje s termočlánkom sú málo preťažiteľné a majú relatívne vysokú dobu ustálenia výchylky najmä pri nepriamom spojení.

Najčastejšie sa používajú pri meraní neharmonických priebehov v regulačnej a impulznej technike i vo výkonovej elektronike.

ZVÄČŠOVANIE ROZSAHU MAGNETOELEKTRICKÝCH PRÍSTROJOV

Ak označíme vo vzťahu

hodnoty I a U pre maximálnu výchylku prístroja ?max ako prúd systému prístroja Ip a napätie systému prístroja Up, je zrejmé, že pri meraní väčších hodnôt, ako je Ip a Up, musíme tento základný rozsah prístroja zväčšiť. Rozsah zväčšujeme pri ampérmetri bočníkom, pri voltmetri predradeným rezistorom.