WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
___________________________________________________________
Laboratorium Miernictwa Elektrycznego
Ustrój magnetoelektryczny
Instrukcja do ćwiczenia
Nr 17
_______________________________________________
Białystok 1998
2
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
1. Wprowadzenie
strój magnetoelektryczny (ME) jest najdoskonalszym z elektrome-
chanicznych ustrojów pomiarowych. Ocena ta wynika z dwóch
U następują cych jego zalet: wysokiej czułości i liniowości funkcji przetwarzania wyraż ają cej się w praktyce równomiernoś cią podziałki
przy- rzą dów zbudowanych w oparciu o ten ustrój.
Na rysunku 1. przedstawiony jest szkic ustroju ME. Podstawowymi
elementami konstrukcyjnymi ustroju są , silny magnes trwały oraz delikatna
ceweczka stanowią ca jego organ ruchomy. Do cewki przymocowana jest sztywno wskazówka w postaci cienkoś ciennej rurki aluminiowej spłaszczonej na
koń cu, wykonują ca ten sam ruch obrotowy co ceweczka.
MAGNES TRWAŁY
RDZEŃ Ś RODKOWY
CEWKA
NABIEGUNNIK
F
N
S
F
a
Rys. 1. Szkic ustroju magnetoelektrycznego
3
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Boki cewki zanurzone są w szczelinie powietrznej utworzonej przez
nabiegunniki magnesu i rdzeń ś rodkowy w kształcie walca. Podkowiasty element jest magnesem trwałym, natomiast nabiegunniki i rdzeń ś rodkowy są
wykonane ze stali magnetycznie mię kkiej, to znaczy takiej, która traci swoje właś ciwoś ci magnetyczne po ustąpieniu zewnę trznego pola magnesującego.
Elementy takie mają za zadanie ułatwienie przepływu strumienia magnetycznego
w zamknię tym obwodzie magnetycznym. W szczelinie powietrznej wystę puje
jednorodne pole magnetyczne, którego linie sił są równoległe i równoodległe od siebie, a jednocześ nie prostopadłe do powierzchni walcowej rdzenia ś rodko-wego. Sprawia to, ż e boki cewki, w szerokim zakresie kąta obrotu znajdują się w
polu magnetycznym o jednakowej indukcji.
Czopik stalowy
Cewka
a
b
Rdzeń ś rodkowy
Czopik stalowy
Rys.2. Cewka oraz rdzeń ś rodkowy ustroju ME
Do powierzchni czołowych cewki przymocowane są stalowe czopiki
(rys. 2), współpracujące z łoż yskami, wykonanymi z kamieni szlachetnych,
naturalnych lub syntetycznych albo ze szkła. Łoż yska osadzone są z kolei w
mosię ż nych ś rubach, przy pomocy których likwiduje się luzy mię dzy czopami a
łoż yskami (rys.3). Wolna przestrzeń wewnątrz cewki pozwala umieś cić w niej
rdzeń ś rodkowy.
4
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Czopik stalowy
Łoż ysko
Śruba
Rys. 3. Łożyskowanie czopika cewki w ustroju ME
Jeżeli przez cewkę płynie prą d stały, na jej boki działają siły
elektrodynamiczne F. Zwrot tych sił, przedstawiony na rysunku 1, wyznaczony został w oparciu o „regułę lewej dłoni” przy założeniu, że prą d wpływa do prawego (na szkicu wyższego) boku cewki, a wypływa z lewego, przy czym
mówimy tu o umownym kierunku przepływu prą du.
Na pojedynczy zwój cewki działa suma momentów pary sił,
a
a
M
= F + F = Fa
N
2
2
Dla z zwojów moment ten jest z razy wię kszy,
M
= zFa
N
Jak wiadomo, siła elektrodynamiczna działają ca na przewodnik z prą dem
(pojedynczy zwój) wyraża się wzorem,
F = BIb
gdzie:
B - indukcja w szczelinie powietrznej
I - natę żenie prą du w przewodniku
b - długoś ć przewodnika (patrz rys.2))
Podstawiają c ostatni wzór do wyrażenia na moment MN, otrzymamy
ostatecznie równanie momentu napę dowego ustroju magnetoelektrycznego, M
= BIzab
N
(1)
5
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Jedyną wielkoś cią zmienną w równaniu (1) jest natę ż enie prądu I, moż na
wię c je zapisać nastę pująco,
M
= BIzab = c I
(2)
N
m
gdzie:
c
= Bzab
m
Moment napę dowy jest wię c liniową funkcją natę ż enia prądu płynącego
przez cewkę i nie zależ y od kąta obrotu α.
Na rysunku 3. przedstawiona jest rodzina momentów napę dowych dla
róż nych wartoś ci natę ż enia prądu płynącego przez cewkę w funkcji kąta obrotu
α oraz prosta momentu zwrotnego Mz
Istnienie samego momentu napę dowego nie wystarcza do funkcjonowania przyrządu pomiarowego. Gdyby istniał tylko ten moment, cewka zachowywałaby
się jak wirnik silnika, to znaczy obracałaby się do koń ca swego zakresu ruchu przy dowolnej wartoś ci mierzonego prądu.
Konieczne wię c jest istnienie drugiego momentu, momentu zwrotnego,
przeciwdziałającego momentowi napę dowemu w taki sposób, aby każ dej
wartoś ci prą du płyną cego przez cewkę odpowiadała jedna i tylko jedna wartoś ć
ką ta obrotu.
M
-MZ
I5
MN5
I4
MN4
I3
M
I
N3
2
MN2
I1
MN1
α
α1 α2 α3 α4 α5
MZ
I < < < <
1 I2 I3 I4 I5
Rys. 4. Rodzina momentów napę dowych oraz moment zwrotny,
ilustracja wyznaczania liniowej podziałki ustroju ME
6
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Ten bardzo ważny moment wytwarzają dwie płaskie sprę żyny w kształcie
spirali Archimedesa, nawinię te z taś m sprę żystych wykonanych z brą zu
fosforowego lub berylowego. Każda ze sprę żynek przymocowana jest jednym
swym koń cem do półosi (czopika) cewki, drugim zaś do konstrukcji stałej
przyrzą du. Cewka obracają c się , powoduje skrę canie jednej z nich a rozwijanie
drugiej, jako że są one w ustroju zamontowane przeciwsobnie. Przeciwsobne
działanie obu identycznych sprę żyn sprawia, że zmiany temperatury otoczenia,
nie naruszają ustalonego położenia cewki, bowiem temperaturowe zmiany
długoś ci taś m, z których wykonane są sprę żynki i zwią zane z tym siły,
kompensują się .
Moment zwrotny wytwarza zarówno sprę żyna skrę cana jak i rozkrę cana.
Moment ten dany jest zależnoś cią (3).
M
= k α
Z
z
(3)
gdzie:
kZ - stała zwracania
α - ką t obrotu cewki
Moment zwrotny jest wię c liniową funkcją ką ta obrotu organu ruchomego
(rys. 4).
W stanie ustalonym przeciwnie skierowane momenty sił: napę dowy i
zwrotny są sobie równe,
BIzab = k α
z
,
ską d
α = Bzab I
(4)
kz
Zwią zek (4) nazywany jest funkcją przetwarzania ustroju magnetoelektrycznego. Przedstawia ona zależnoś ć odpowiedzi ustroju (α) od wymuszenia
( I)
Wobec tego, że wszystkie wielkoś ci wystę pują ce w równaniu (4), z
wyją tkiem natę żenia prą du, mają wartoś ci stałe, można je zapisać nastę pują co,
α = Bzab I = α
c I
(5)
kz
gdzie:
Bzab
cα =
k z
7
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Równanie (5) wskazuje na liniową zależ noś ć kąta odchylenia organu ruchomego
od prądu płynącego przez cewkę . Ideę wyznaczania punktów podziałki ustroju
ME przedstawia rysunek 4. Wyznaczają je punkty przecię cia poszczególnych
prostych momentu napę dowego z prostą momentu zwrotnego (-MZ) przeniesioną
ze znakiem ujemnym do pierwszej ć wiartki układu współrzę dnych prostokątnych.
Ponieważ kierunek działania sił elektrodynamicznych, jak stwierdziliś my
wcześ niej, zależ y od kierunku prądu w cewce, również kierunek obrotu cewki
zależ y od kierunku tego prądu. Konstrukcja wię kszoś ci mierników zbudowanych
w oparciu o ustrój ME (woltomierzy, amperomierzy, omomierzy) nie pozwala na
dowolny kierunek ruchu wskazówki, dlatego jeden z zacisków wejś ciowych tych
przyrządów oznaczony jest znakiem „+”, co umoż liwia poprawne włączenie ich
do obwodu.
Wykazuje się , ż e kąt odchylenia organu ruchomego ustroju ME jest
proporcjonalny do ś redniej wartoś ci prądu płynącego przez cewkę . Przy zerowej
wartoś ci ś redniej odchylenie wskazówki jest równe zeru. Wynika stąd, ż e ustrój
ME nie nadaje się do pomiaru napię ć i prądów przemiennych. Przy niewielkiej
czę stotliwoś ci prądu przemiennego, rzę du kilku herców, moż na obserwować
oscylacje wskazówki ustroju wokół położ enia zerowego o niewielkiej
amplitudzie, malejącej do zera w miarę zwię kszania czę stotliwoś ci.
Chcąc wykorzystać wysoką czułoś ć ustroju ME do budowy przyrządów
mierzących napię cia i prądy przemienne, wyposaż a się te przyrządy w
przetworniki prostownikowe. Badanie tego rodzaju przyrządów jest tematem
osobnego ć wiczenia laboratoryjnego p.t. „Woltomierze prostownikowe”.
Niż ej podane zostały zależ noś ci, wiąż ące wartoś ć ś rednią napię cia
sinusoidalnego wyprostowanego jedno- oraz dwupołówkowo z amplitudą
i wartoś cią skuteczną tego napię cia.
Napięcie sinusoidalne wyprostowane jednopołówkowo
U(ωt)
Um
U ≈ 0,32U
śr
m
0,32Um
ωt
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Rys.5. Napię cie sinusoidalne wyprostowane jednopołówkowo
8
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
π
π
1
1
U
U
=
u( t
ω ) d( t
∫
ω ) =
U sin( t
ω ) d( t
m
∫
ω ) =
=
sr
m
2π
2π
π
0
0
(6)
U
2 sk
=
≈ 0 4
, U
5 sk
π
Napięcie sinusoidalne wyprostowane dwupołówkowo
U(ωt)
Um
Uśr ≈ 0,64Um
0,64Um
ωt
0
30
60
90
120 150 180
210 240 270
300 330 360
Rys.6. Napięcie sinusoidalne wyprostowane dwupołówkowo
π
π
1
1
U
2
U
=
u( t
ω ) d( t
∫
ω ) =
U sin( t
ω ) d( t
m
∫
ω ) =
=
sr
m
π
π
π
0
0
(7)
2
U
2 sk
=
≈ 0, U
9 sk
π
9
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
2. Przebieg pomiarów
2.1. Oględziny ustroju ME
Studentom umożliwia się obejrzenie eksponatu amperomierza ME. Jego
schemat ideowy przedstawiony jest na rysunku 7. Powinni oni zidentyfikować
podstawowe elementy konstrukcyjne amperomierza, takie jak:
• obwód magnetyczny (w tym rdzeń ś rodkowy)
• organ ruchomy (cewka ze wskazówką )
• doprowadzenia prą du
• sprę żynki spiralne
• bocznik uniwersalny
• rezystor Rk kompensują cy wpływ temperatury na wskazania
• ustalić , który z trzech zakresów pomiarowych jest najmniejszy a
który najwię kszy (rys. 7)
Ro
Rk
Ro
R
R
1
R2
3
+
I
I
I
n1
n2
n3
Rys.7. Schemat amperomierza ME o trzech zakresach pomiarowych:
In1, In2, In3, z bocznikiem uniwersalnym
10
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
2.2. Badanie woltomierza ME
2.2.1. Napięcie sinusoidalne
W punkcie tym bada się zachowanie woltomierza magnetoelektrycznego
przy zasilaniu go napięciem przemiennym sinusoidalnym. Schemat układu
pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 8.
generator
PW9
V LM3
Rys.8. Schemat układu pomiarowego do punktu 2.2.1.
Badany woltomierz magnetoelektryczny o zakresie 15 V należ y przyłą czyć
do generatora typu PW9, nastawiają c na tym ostatnim napięcie wyjś ciowe 3 V i
częstotliwoś ć 1 Hz.
Nie zmieniają c napięcia wyjś ciowego (niewielkie jego zmiany nie mają
istotnego znaczenia), należ y zwiększać co 1 Hz częstotliwoś ć napięcia gene-
ratora, obserwują c zmiany zachodzą ce w zachowaniu się wskazówki wolto-
mierza.
Na koniec należ y okreś lić wartoś ć częstotliwoś ci, przy której zanikają
całkowicie oscylacje wskazówki przyrzą du. Częstotliwoś ć tę należ y zapisać w
Tablicy 1.
Tablica 1
fmax =.............. Hz
11
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
2.2.2. Napięcie sinusoidalne wyprostowane
jednopołówkowo
Należy połą czyć układ, którego schemat przedstawiony jest na rysunku 9.
W
AT
3
4
U1
D
100Ω
R
220V∼
V
U
1
V2
2
R
100Ω
Ro= 80Ω
Rys. 9. Schemat układu pomiarowego do punktu 2.2.2
AT - autotransformator laboratoryjny typu AL 2500
W - wyłą cznik dwubiegunowy (użyć wyłą cznika trójbiegunowego)
D - dioda o zaciskach 3,4, zamocowana na płytce
V1 - woltomierz cyfrowy dowolnego typu pracują cy w trybie AC
(nastawić zakres 100V)
V2 - woltomierz magnetoelektryczny typu LM-3 o zakresie 15 V
R - opornik dekadowy o pię ciu lub sześ ciu dekadach (uwaga: na
każdym z dwóch oporników nastawić 10 x10 Ω)
Ro - opornik dekadowy typu OK 10 x 10 Ω
Przebieg pomiarów
• Przed włą czeniem napię cia na tablicy rozdzielczej, ustawić suwak
autotransformatora w pozycji zerowej
• Włą czyć napię cie na tablicy rozdzielczej
• Zamkną ć wyłą cznik W i przy pomocy autotransformatora nastawić
wartoś ć napię cia U1 = 30 V
• Odczytać wskazania woltomierza V2
• Wskazania obydwu woltomierzy zanotować w Tablicy 2
12
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Tablica 2
Wartość
Wartość
skuteczna
średnia
U1
U2
U2/U1
V
V
---
30
• Sprawdź , czy iloraz U2/U1 jest zgodny z wartością teoretyczną wynikają cą z
zależ ności (6), wyjaśnij przyczynę ewentualnej róż nicy
•
2.2.3. Napięcie sinusoidalne wyprostowane dupołówkowo
Połą cz układ, którego schemat przedstawiony jest na rysunku 10. Na
płytce mię dzy zaciskami 1, 2, 5, 6, zamontowane są cztery diody tworzą ce układ
prostowania dwupołówkowego (tzw. układ Graetza)
W
AT
1
U
5
1
R 100Ω
220V∼
V
U
1
V2
2
R 100Ω
Ro= 80Ω
2
6
Rys. 10. Schemat układu pomiarowego do punktu 2.2.3.
AT - autotransformator laboratoryjny typu AL 2500
W - wyłą cznik dwubiegunowy (uż yć wyłą cznika trójbiegunowego)
V1 - woltomierz cyfrowy dowolnego typu pracują cy w trybie AC
(nastawić zakres 100V)
V2 - woltomierz magnetoelektryczny typu LM-3 o zakresie 30 V
R - opornik dekadowy o pię ciu lub sześciu dekadach (uwaga: na
każ dym z dwóch oporników nastawić 10 x10 Ω)
Ro - opornik dekadowy typu OK 10 x 10 Ω
13
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Przebieg pomiarów
• Przed włączeniem napię cia na tablicy rozdzielczej, ustawić suwak
autotransformatora w pozycji zerowej
• Włączyć napię cie na tablicy rozdzielczej
• Zamknąć wyłącznik W i przy pomocy autotransformatora nastawić
wartoś ć napię cia U1 = 30 V
• Odczytać wskazania woltomierza V2
• Wskazania obydwu woltomierzy zanotować w Tablicy 3
Tablica 3
Wartoś ć
Wartoś ć
skuteczna
ś rednia
U1
U2
U2/U1
V
V
---
30
• Sprawdź , czy iloraz U2/U1 jest zgodny z wartoś cią teoretyczną wynikającą z
zależ noś ci (7), wyjaś nij przyczynę ewentualnej róż nicy
2.2.4. Amperomierz magnetoelektryczny
Jednym z podstawowych zastosowań ustroju magnetoelektrycznego jest
uż ycie go do budowy amperomierza. W tym punkcie ć wiczenia należ y obliczyć
rezystancję bocznika Rb amperomierza o zadanym zakresie pomiarowym In przy
danych parametrach ustroju magnetoelektrycznego. Schemat amperomierza
przedstawiony jest na rysunku 11.
RO
ustrój ME
IU
I
R
X
b
Ib
Rys. 11. Schemat ideowy amperomierza magnetoelektrycznego
14
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Zakres pomiarowy amperomierza:
• IN = 15 A
Parametry ustroju ME:
• Rezystancja wewnętrzna R0 = 60 Ω
• Znamionowy prą d ustroju I0 = 1 mA
Wskazówka:
Prą d znamionowy ustroju I0 jest to wartoś ć prą du IU powodują ca
odchylenie wskazówki do koń ca jego zakresu pomiarowego.
Obliczoną wartoś ć rezystancji bocznika Rb, należ y wpisać do Tablicy 4.
Tablica 4
Rb =...................Ω
W sprawozdaniu należ y przedstawić tok obliczeń rezystabcji Rb
2.2.5. Woltomierz magnetoelektryczny
W tym punkcie ć wiczenia należ y zaprojektować woltomierz ME o
zadanych trzech zakresach pomiarowych, w oparciu o ustrój pomiarowy ME o
danych parametrach.
Zakresy pomiarowe woltomierza:
• Un1 = 3 V
• Un2 = 7,5 V
• Un3 = 15 V
Parametry ustroju ME (mikroamperomierza)
• prą d znamionowy ustroju Io = 150 µA
• rezystancja wewnętrzna Ro = 600 Ω
Schemat układu woltomierza przedstawiony jest na rysunku 12.
15
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
Ro
R
R
R
1
2
3
Io ustrój ME
+
Un1
U
U
n2
n3
Rys. 12. Schemat woltomierza ME o trzech zakresach pomiarowych
Projektowanie sprowadza się do obliczenia wartoś ci rezystancji R1, R2,
R3.
Wskazówka: Gdy do poszczególnych zacisków wejś ciowych woltomierza
przykładane są napięcia równe podanym zakresom pomiarowym,
przez ustrój ME powinien płyną ć jego prą d znamionowy Io= 150
µA.
Wyniki obliczeń należ y wpisać do Tablicy 5.
Następnie obliczyć należ y parametr kappa woltomierza dla każ dego
zakresu, czyli rezystancję wewnętrzną jednostkową przyrzą du: χ = RV/ Un.
Tablica5
R1 = ..........Ω RV1= RA+R1 = .............................Ω χ1 = .............kΩ/V
R2 = ..........Ω RV1= RA+R1+R2 = .......................Ω χ2 = .............kΩ/V
R3 = ..........Ω RV1= RA+R1+R2+R3 = .................Ω χ3 = .............kΩ/V
W sprawozdaniu należ y:
Wyjaś nić :
• Czy parametr χ woltomierza o kilku zakresach pomiarowych zależ y od
danego zakresu pomiarowego.
• Od jakiego parametru ustroju magnetoelektrycznego zależ y wartoś ć χ ?
16
Ć wi c z . N r 1 7 U s t r ó j m a g n e t o e l e k t r y c z n y
3. Pytania i zadania kontrolne
1. Podaj symbol graficzny ustroju magnetoelektrycznego (ME)
2. Wymień najważ niejsze elementy konstrukcyjne ustroju ME
3. Napisz równanie momentu napę dowego i momentu zwrotnego ustroju ME
4. Jaką rolę w ustroju pomiarowym pełni moment zwrotny?
5. Co to jest funkcja przetwarzania ustroju ME, podaj jej szczegółową postać
6. Narysuj schemat ideowy amperomierza ME o trzech zakresach pomiarowych
7. Narysuj schemat ideowy woltomierza ME o trzech zakresach pomiarowych
8. Czy woltomierz magnetoelektryczny nadaje się do pomiaru napię cia w
gniazdku sieciowym?
4. Literatura
1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1970
2. Łapiński M. Miernictwo elektryczne WNT, Warszawa 1967
3. Jellonek A. i inni Podstawy metrologii elektrycznej i elektronicznej PWN, Warszawa 1980
4. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 1994