Pereosnastka.ru

Приборы различных систем и назначений имеют много общего как в конструкции, так и в принципе действия. Основная идея заключается в том, что то или иное проявление измеряемой величины вызывает усилия, производящие механическое перемещение указателя вдоль шкалы.

Всякий прибор состоит из корпуса, в котором размещаются измерительный механизм, шкала и вспомогательные части.

Измерительный механизм состоит из подвижной части и неподвижных частей. Подвижная часть может совершать вращательное движение в пределах некоторого ограниченного угла. Угол поворота подвижной части служит мерой измеряемой величины.

Усилие, вызывающее вращение подвижной части, называется вращающим моментом. Вращающий момент равен произведению силы на плечо и измеряется в килограммометрах (кГм). В измерительных приборах приходится иметь дело с весьма малыми моментами, не превышающими нескольких граммосантиметров (Гсм), а иногда и значительно меньшими. Так, например, максимальный момент, действующий на подвижную часть лабораторного электростатического вольтметра, имеет порядок долей миллиграм-мосантиметра (мГсм).

Для того чтобы под действием столь малого момента подвижная часть могла свободно поворачиваться, она устанавливается на растяжках — тонких ленточках, изготовляемых из фосфористой или бериллиевой бронзы.

При еще меньших моментах подвижная часть устанавливается; на подвесе, т. е. подвешивается лишь на одной ленточке. Чтобы предотвратить обрыв подвеса при переноске прибора, он снабжается арретиром — устройством, позволяющим разгрузить подвес от натяжения закреплением подвижной части.

В щитовых приборах действуют вращающие моменты порядка; долей или даже единиц граммосантиметров. Подвижная часть подобных приборов устанавливается на кернах и подпятниках. Ось, подвижной части может быть либо сквозной, либо состоять из двух половин. Концы оси, заточенные на конус с углом при вершине около 60°, называются кернами. Вершина конуса закругляется и тщательно полируется.

Керны упираются в имеющиеся в подпятниках углубления — кратеры.

Керны изготовляются из углеродистой стали, а подпятники из корунда или агата.

Радиус закругления керна обычно выбирается в пределах от 0,015 до 0,1 мм, в зависимости от веса подвижной части и условий эксплуатации прибора. Радиус закругления дна кратера должен быть в четыре — десять раз больше, чем радиус закругления керна. Обычно он лежит в пределах от 0,15 до 0,35 мм.

Чем меньше радиус закругления керна, тем меньше трение в подпятниках и тем свободнее может вращаться подвижная часть, но одновременно уменьшение радиуса закругления керна ведет к увеличению удельного давления, которое может стать при тряске прибора настолько большим, что вызовет повреждение полировки кратера или смятие керна.

Если подвижная часть может свободно вращаться, то под действием вращающего момента, вызванного измеряемой величиной, она повернется на полный угол, и мы не получим представления о том, насколько велик момент и каково значение измеряемой величины. Очевидно, кроме момента, вызываемого измеряемой величиной, так называемого действующего момента, необходимо иметь противодействующий. Этот момент создается при повороте подвижной части спиральными пружинками, изготовляемыми из тонкой бронзовой ленты. Один конец такой пружинки прикрепляется к оси подвижной части, а другой к неподвижной части.

Для того чтобы закрутить пружинку на некоторый угол, необходимо приложить момент, прямо пропорциональный величине этого угла.

Когда прибор не подключен, действующий и противодействующий моменты равны нулю, и подвижная часть находится в положении, при котором стрелка указывает на нулевую отметку. При подключении прибора подвижная часть будет поворачиваться до тех пор, пока действующий момент не уравновесится противодец^ ствующим моментом. Стрелка прибора останавливается против отметки, соответствующей некоторому, вполне определенному, значению измеряемой величины.

При подключении прибора подвижная часть занимает определенное положение, соответствующее измеряемой величине, не сразу. Некоторое время она будет колебаться возле этого положения, как возле среднего, с уменьшающейся амплитудой. Это время называется временем успокоения прибора. Для того чтобы сделать время успокоения достаточно малым, измерительные механизмы снабжаются успокоителями. Применяются воздушные и магнитные успокоители.

Более просто устроен магнитный успокоитель. На оси подвижной части укрепляется легкий алюминиевый сектор, могущий свободно двигаться в зазоре между полюсами постоянного магнита. Двигаясь в зазоре, сектор пересекает магнитные силовые линии. Наводимые в секторе токи взаимодействуют с магнитным полем постоянного магнита, что приводит к торможению сектора. Наводимые токи и сила торможения оказываются тем больше, чем больше скорость движения сектора. В неподвижном состоянии сила, действующая на сектор, равна нулю.

Магнитные успокоители применяются в таких приборах, где поле постоянного магнита не может оказать мешающего влияния на поля самого измерительного механизма. Там, где такая опасность имеется, применяются воздушные успокоители. Воздушный успокоитель представляет собой закрепленное на оси подвижной части легкое алюминиевое крыло, помещенное в закрытую воздушную камеру. Здесь торможение получается за счет сопротивления воздуха, которое пропорционально скорости движения сектора. Иногда вместо крыла употребляют поршень, движущийся в изогнутой трубке, закрытой с одного конца.

При очень сильном успокоении движение подвижной части может перейти из колебательного режима в апериодический, т. е. такой, когда подвижная часть при движении не переходит через положение равновесия, т. е. не совершает колебаний. Однако в этом случае время успокоения может оказаться очень большим.

Практически успокоение делают таким, чтобы сохранялся колебательный режим, но колебания быстро затухали.

В неподключенном приборе стрелка должна всегда стоять против нулевой отметки (исключение составляют приборы, не имеющие пружинок для создания противодействующего момента), но под влиянием температурных воздействий и деформации пружинок или вследствие других причин подвижная часть может «сойти с нуля». Для установки стрелки на нуль в приборах предусматривается устройство, называемое корректором.

По целому ряду причин измерительные приборы никогда не Дают нам действительного значения измеряемой величины. Погрешность измерения зависит как от погрешности прибора, так и от метода измерения, т. е. способа производства измерения.

Погрешности прибора вызываются его несовершенством. Так, вследствие трения в подпятниках, подвижная часть может не доходить до положения, определяемого равенством моментов действующего и противодействующего.

В приборах с подвижной частью, установленной на кернах и подпятниках, при вертикальном положении оси подвижной части имеет место погрешность от опрокидывания. Погрешность от опрокидывания появляется вследствие того, что ось подвижной части в подпятниках имеет некоторый зазор. При изменении положения прибора меняет свое положение и ось подвижной части, отклоняясь от вертикального в ту или другую сторону, а вместе с ней и стрелка.

Если подвижная часть недостаточно уравновешена или, как говорят, плохо отбалансирована, то показание прибора будет изменяться при изменении угла его наклона. Погрешность от неуравновешенности сильнее проявляется при горизонтальном расположении оси подвижной части.

Причиной некоторой погрешности может служить также неточно вычерченная при изготовлении или ремонте прибора, шкала и т. д.

Указанные погрешности присущи приборам почти всех систем, при измерениях всегда не превышают допустимой для данного случая величины.

Ниже будут указаны погрешности, характерные лишь для рассматриваемых приборов.

Приборы магнитоэлектрической системы. Магнитоэлектрическая система измерительных приборов определяется как система, вращающий момент которой создается благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и одним или несколькими проводниками с током.

Приборы магнитоэлектрической системы могут быть или с подвижным магнитом или с подвижной катушкой. Последние получили наиболее широкое распространение.

Идея устройства магнитоэлектрического прибора с подвижной катушкой представлена на рис. 1. Между полюсами постоянного магнита находится подвижная катушка. Для получения равномерного радиального поля между полюсами магнита располагается сердечник из мягкого железа.

При протекании тока по катушке на ее активные стороны, находящиеся в магнитном поле, будут действовать силы, создающие вращающий момент.

Величина вращающего момента, действующего на подвижную часть, прямо пропорциональна силе тока в катушке.

На рис. 2 изображен измерительный механизм магнитоэлектрической системы, применяемый в щитовых приборах нескольких типов. Здесь постоянный магнит, имеющий форму короткого бруска, охватывается ярмом из мягкого железа. Ярмо является магнитопроводом и образует один из полюсных наконечников.

Подвижная катушка представляет собой алюминиевый каркас — рамку, на которую намотана тонкая изолированная проволока. Ток к рамке подводится с помощью двух спиральных пружинок.

При повороте рамки пружинки закручиваются и создают противодействующий момент, прямо пропорциональный углу поворота.

Таким образом, угол отклонения стрелки магнитоэлектрического прибора прямо пропорционален силе тока в подвижной катушке. Прибор имеет шкалу с равномерными делениями. При перемене направления тока изменится и направление движения, т. е. стрелка будет отклоняться в обратную сторону, поэтому прибор пригоден только для постоянного тока.

При одном и том же токе угол отклонения подвижной части тем больше, чем больше чувствительность прибора — величина угла (в градусах или делениях шкалы) отклонения, соответствующая единице силы тока.

Чем больше индукция в воздушном зазоре, число витков рамки и ее размеры и чем слабее пружинки, тем выше чувствительность прибора. Казалось бы, что уменьшая момент пружинок, можно получить очень чувствительный прибор. Теоретически это верно, однако употребление очень слабых пружинок приводит к тому, что момент трения становится соизмеримым с действующим моментом. Погрешность от трения при этом может достигнуть недопустимых значений.

Увеличение размеров рамки и числа витков ведет к увеличению веса подвижной части, что опять-таки увеличивает трение. Кроме того, увеличение веса подвижной части ведет к увеличению момента инерции, из-за чего увеличивается период собственных колебаний и время успокоения.

Правильный выбор основных величин позволяет делать магнитоэлектрические приборы с весьма высокими показателями. Конструкции их чрезвычайно разнообразны. Мы ограничимся рассмотрением магнитоэлектрических амперметров и вольтметров, лишь упомянув о том, что существуют омметры, чувствительные гальванометры, шлейфные осциллографы, вибрационные гальванометры и другие специальные приборы этой системы.

Простейшим магнитоэлектрическим прибором является миллиамперметр. На рис. 3, а представлена схема включения миллиамперметра в цепь, а на рис. 3, б — схема внутренних соединений. Здесь весь измеряемый ток проходит по обмотке рамки. При изменении внешней температуры (или от нагревания обмотки рамки током) сопротивление рамки изменится (медный проводник при нагревании на 10 °С увеличивает свое сопротивление на 4%), но это не вызовет дополнительной погрешности, так как прибор отметит некоторое уменьшение тока нагрузки.

При увеличении температуры некоторая погрешность может возникнуть из-за уменьшения упругости пружинок, но так как при этом имеет место ослабление поля постоянного магнита, то эти два фактора взаимно компенсируются.

Вольтметр представляет собой тот же миллиамперметр, последовательно с сопротивлением рамки которого включено добавочное сопротивление. Схема включения вольтметра изображена на рис. 4, а, схема внутренних соединений — на рис. 4, б. Через обмотку рамки прибора будет протекать ток:

Изменение внешней температуры вызовет появление дополнительной погрешности, так как при изменении величины сопротивлений ток в обмотке рамки изменится, а следовательно, изменится и показание прибора, в то время как напряжение остается неизменным.

Для уменьшения погрешности от температуры добавочное сопротивление изготовляется из манганина — сплава, не меняющего своего сопротивления при изменении температуры. Если это сопротивление велико по сравнению с сопротивлением обмотки рамки, то общее сопротивление будет меняться незначительно и погрешность не будет превышать заданной величины.

Добавочные сопротивления помещаются внутри корпуса прибора. Если это оказывается невозможным, то применяются отдельные добавочные сопротивления. На приборе с отдельным добавочным сопротивлением должна быть соответствующая надпись. Если вольтметр градуировался вместе с добавочным сопротивлением, то оно называется индивидуальным и может употребляться только с данным вольтметром. Калиброванное добавочное сопротивление может употребляться в комплекте с вольтметром, имеющим стандартную величину номинального тока, т. е. тока полного отклонения.

Номинальный ток калиброванных добавочных сопротивлений при номинальном напряжении (ГОСТ 1845-52) устанавливается: 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 7,5; 15; 30 и 60 ма.

При расчете вольтметров на низкие пределы измерения получение малой погрешности от изменения температуры представляет уже известные трудности, так как относительно большое добавочное сопротивление при малом номинальном значении напряжения (т. е. верхнем пределе измерения вольтметра) требует снижения тока полного отклонения, который должен быть тем меньше, чем ниже заданное напряжение. Иначе говоря, чем меньше номинальное значение напряжения вольтметра, тем чувствительнее должен быть измерительный механизм. Повышение чувствительности связано с ухудшением механических свойств измерительного механизма, а следовательно, и всего прибора, что нежелательно. В этих случаях применяются более сложные схемы уменьшения температурной погрешности.

Ввиду того, что обмотка рамки должна быть достаточно легкой, она наматывается тонкой проволокой; пружинки, являющиеся токоподводами к рамке, делают также очень малого сечения для того, чтобы получить нужные механические свойства. Очевидно, через рамку можно пропускать лишь небольшой ток.

Для измерения больших токов применяются амперметры. В этих приборах только часть измеряемого тока проходит через измеритель (рис. 5), основная же его часть — через шунт, который может помещаться в приборе, либо устанавливается отдельно.

Наружные шунты, так же как отдельные добавочные сопротивления, разделяются на индивидуальные и калиброванные.

Согласно ГОСТ 1845-52 падение напряжения между потенциальными зажимами 1 калиброванных шунтов при номинальном токе устанавливается равным: 45, 75, 100 и 150 мв.

Амперметр с шунтом по сути дела представляет собой милливольтметр, измеряющий падение напряжения на сопротивлении шунта.

Шунты изготовляются из манганина и практически не меняют своего сопротивления под влиянием температуры; чтобы уменьшить температурную погрешность из-за изменения сопротивления обмотки рамки последовательно с ней включается добавочное сопротивление из манганина.

Возможность применения магнитоэлектрических приборов с шунтами и добавочными сопротивлениями позволяет использовать их для измерения постоянного тока и напряжения в весьма широких пределах.

Измерительный механизм магнитоэлектрической системы может быть использован как омметр, так как при неизменном напряжении источника питания значение тока, протекающего через обмотку рамки, зависит от сопротивления цепи, в которую она включена, и шкала прибора может быть проградуирована в единицах сопротивления.

Омметры могут быть выполнены по последовательной (рис. 6, а) или параллельной (рис. 6,6) схеме.

Подобные омметры чаще всего снабжаются собственным источником питания, например сухой батарейкой. Уменьшение напряжения батарейки можно компенсировать увеличением чувствительности измерителя с помощью магнитного шунта, изменение положения которого относительно полюсов меняет индукцию в воздушном зазоре.

Омметры, показания которых не зависят от величины напряжения источника питания, строятся на основе приборов, называемых логометрами.

Подвижная часть измерительного механизма магнитоэлектрического лого-метра состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, имеющих изолированные обмотки. Рамки помещаются в поле постоянного магнита. Отличительной особенностью измерительного механизма логометра является неравномерное поле в воздушном зазоре, получаемое за счет неодинаковой ширины зазора или неодинаковой высоты сердечника. В логометрах отсутствует механический противодействующий момент, и токоподводы к обмоткам рамок выполняются в виде тонких безмоментных золотых или серебряных ленточек.

Приборы электромагнитной системы. Электромагнитная система измерительных приборов определяется как система, вращающий момент которой создается благодаря взаимодействию между одной или несколькими катушками с током и одной или несколькими частями из мягкого ферромагнитного материала.

Электромагнитные приборы бывают:
а) с круглой катушкой и б) с плоской.

В настоящее время большее распространение имеют приборы с плоской катушкой.

Измерительный механизм прибора с плоской катушкой представлен на рис. 8. В основном, он состоит из катушки, по обмотке которой пропускается измеряемый ток, и эксцентрично укрепленного на оси подвижной части сердечника — пластинки из мягкого ферромагнитного материала (трансформаторная сталь, пермаллой) .

Под действием поля катушки сердечник намагничивается. Взаимодействие между магнитным полем катушки с током и магнитным полем сердечника вызывает втягивание сердечника внутрь щели катушки, так как он стремится занять такое положение, при котором через него будет проходить, наибольшее число силовых линий. Втягивание сердечника вызывает поворот оси подвижной части с укрепленными на ней стрелкой и крылом воздушного успокоителя.

Приблизительно можно сказать, что магнитная индукция в щели катушки пропорциональна току, проходящему по обмотке. Точно так же при малом насыщении стали магнитная индукция в сердечнике пропорциональна силе тока в катушке. Поэтому сила, действующая на сердечник, будет пропорциональна квадрату силы тока, протекающего по обмотке катушки, и вращающий момент, действующий на подвижную часть, будет также зависеть от квадрата силы тока, а так как противодействующий момент создается спиральной пружинкой, то и угол поворота подвижной части электромагнитного прибора пропорционален квадрату силы тока в обмотке катушки. Это значит, что прибор будет иметь квадратичный характер шкалы, т. е. сжатые в начале и расширяющиеся к концу шкалы деления. Соответствующей конструкцией главным образом, целесообразным выбором формы стальной пластинки и укреплением на катушке второй пластинки, можно сделать шкалу более равномерной.

Электромагнитный прибор годен как для постоянного, так и для переменного токов. Проградуированный на постоянном токе электромагнитный прибор будет показывать при измерении переменного тока (или напряжения) его действующее значение.

Наибольшее распространение в практике получили щитовые электромагнитные амперметры и вольтметры класса 2,5; они надежны в эксплуатации, дешевы и просты по конструкции. Так как пружинка служит только для создания противодействующего момента и не является токоподводом, то электромагнитные приборы без вреда выдерживают значительную перегрузку.

Величина вращающего момента электромагнитного механизма при полном отклонении подвижной части имеет порядок 200 мГсм. Для создания такого момента необходимо, чтобы катушка имела около 200 ампервитков. Зная число ампервитков, по заданному току нетрудно подсчитать нужное число витков обмотки, Электромагнитные амперметры изготовляются для непосредственного включения в цепь на токи до 300 а и выше. На переменном токе электромагнитные приборы включаются через измерительные трансформаторы тока с номинальным вторичным током 5 а.

Шунтирование амперметров этой системы не применяется, так как они обладают по сравнению с амперметрами магнитоэлектрической системы большим потреблением энергии (падение напряжения в катушке амперметра на 5 а имеет порядок 0,5 в), и при больших токах рассеиваемая в шунте мощность может оказаться столь большой, что практическое изготовление шунта будет невозможным.

Расширение пределов измерения электромагнитных вольтметров производится с помощью добавочных сопротивлений, а также с помощью измерительных трансформаторов напряжения. Номинальное напряжение вольтметра, предназначенного для включения через измерительный трансформатор напряжения, равно 100 в.

Погрешность электромагнитных приборов на постоянном токе появляется за счет гистерезиса, т. е. неодинаковой степени намагничивания сердечника при возрастающей и убывающей силах измеряемого тока. При измерении на переменном токе погрешности возникают из-за потерь на вихревые токи в сердечнике и в железных частях самого прибора, а также из-за индуктивности обмотки катушки. Вследствие этих причин показания прибора на переменном токе оказываются меньше истинного значения измеряемой величины, т. е прибор имеет отрицательную погрешность. Однако изготовление сердечника из сплава пермаллой позволило выпускать лабораторные электромагнитные приборы по классу 0,5, одинаково пригодные как для постоянного, так и для переменного токов.

Влияние внешних магнитных полей на показания электромагнитных приборов велико, так как собственное магнитное поле катушки измерительного механизма незначительно. Для уменьшения этого влияния щитовые приборы экранируют железным кожухом, а лабораторные и приборы, предназначенные для работы при повышенной частоте, изготовляют астатическими.

Измерительный механизм астатического прибора состоит из двух одинаковых катушек, обмотки которых соединены последовательно, но так, что магнитные поля их направлены в противоположные стороны. Если такой прибор подвергается воздействию постороннего однородного поля, то оно’ в зависимости от своего направления усиливает поле одной из катушек настолько же, насколько ослабляет поле другой. Поэтому результирующий вращающий момент, под влиянием которого спаренная подвижная часть перемещается, не зависит от постороннего магнитного поля.

Отечественная промышленность выпускает щитовые амперметры типа ВЧА электромагнитной системы, предназначенные для измерения силы тока в цепях звуковой частоты 1000, 2500 и 8000 гц класса 2,5. Эти амперметры изготовляются астатическими и удовлетворяют требованиям, предъявляемым к приборам этого класса при измерениях в цепях с номинальной частотой тока, указанной на приборе. Амперметры рассчитаны для работы с измерительными трансформаторами тока соответствующей частоты с номинальным вторичным током 5 а. При номинальном токе падение напряжения на приборе для частоты 1000 гц равно 0,55 в, для частоты 2500 гц— 1,3 в и для частоты 8000 гц — 4 в. Это падение напряжения обязано, главным образом, индуктивности катушки, так как активное сопротивление ее не превышает 0,04 ом.

С увеличением частоты увеличивается полная мощность, потребляемая прибором, а вращающий момент уменьшается. Вращающий момент становится большим при увеличении числа витков катушки, но это ведет к возрастанию ее индуктивности и потребляемой прибором полной мощности. Эти обстоятельства и ограничивают применение электромагнитных амперметров лишь областью звуковых частот.

Применение электромагнитных вольтметров для измерения напряжения звуковой частоты, так же как и в случае амперметров, не встречает принципиальных возражений. Дело лишь в том, что полная мощность, потребляемая прибором, оказывается в этом случае еще больше, чем у амперметра, из-за увеличения потерь в добавочном сопротивлении, которое необходимо для уменьшения температурной погрешности.

Погрешность от изменения частоты у электромагнитных вольтметров особенно высока, так как изменение частоты влечет за собой изменение полного сопротивления прибора, что, в свою очередь, приводит к изменению тока и вращающего момента.

В НИИ ТВЧ им. проф. В. П. Вологдина в период до появления специальных приборов измерения тока и напряжения звуковой частоты производились щитовыми приборами завода «Электропульт», проградуированнымй на нужной частоте с помощью при-rt dob ‘показания которых не зависят от частоты. Амперметры, как навило, не требовали никаких предварительных переделок, а вольтметры требовали перемотки катушки и замены пружинки на менее сильную.

Приборы электродинамической системы. Электродинамическая система измерительных приборов определяется как система, в которой вращающий’ момент создается благодаря взаимодействию магнитных полей неподвижных и подвижных катушек с током.

Измерительный механизм электродинамического прибора (рис. 9) обычно состоит из двух катушек, одна из которых неподвижна, а другая может вращаться на оси внутри неподвижной катушки. На этой же оси укреплены стрелка и концы пружинок, служащих для подведения тока к подвижной катушке и для создания противодействующего момента.

Токи катушек создают магнитные поля, взаимодействие которых проявляется в механических силах, действующих на катушки. Под влиянием этих сил подвижная катушка стремится расположиться так, чтобы направление создаваемого ею поля совпало с направлением поля, создаваемого неподвижной катушкой.

Сила взаимодействия катушек, а следовательно, и вращающий момент, действующий на подвижную часть, будут пропорциональны произведению сил токов обеих катушек. Кроме того, величина момента, действующего на подвижную часть, зависит от угла р между направлениями магнитных полей катушек. Если угол равен нулю, т. е. поля катушек совпадают, то и момент вращения равен нулю. Если угол равен 90°, то момент вращения будет иметь максимальную величину.

Обычно измерительный механизм собирают так, чтобы в начальном положении (при отсутствии тока в катушках) р=135°, а при полном отклонении |3 = 45°. Таким образом, угол |3 меняется в пределах от 135° до 45°, и синус его — от 0,707 до 0,707, проходя через единицу при р = 90°, когда плоскости катушек взаимно перпендикулярны.

У вольтметров и у амперметров на ток до 0,5 а катушки соединяются последовательно, поэтому угол поворота подвижной части электродинамических амперметров и вольтметров зависит от квадрата силы тока.

Отсюда следует, что амперметры и вольтметры должны иметь неравномерную шкалу. Приборы пригодны как для постоянного, и для переменного токов. В случае переменного тока прибор реагирует на его действующее значение.

Электродинамические амперметры й вольтметры получили распространение в виде лабораторных приборов высокого класса (в настоящее время отечественной промышленностью выпускаются приборы этой системы класса 0,2 и даже 0,1), сохраняющих свою точность при переходе с постоянного тока на переменный ток промышленной частоты.

Электродинамические приборы являются наиболее пригодными для измерений в цепях звуковой частоты, но для этого они должны быть проградуированы не на постоянном токе, а на той частоте, на которой будут работать.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются щитовые электродинамические ваттметры типа ЭТВ и фазометры типа ЭТФ, предназначенные для измерения в цепях с номинальной частотой 1000, 2500 и 8000 гц. Приборы выпускаются однопредельными на номинальное напряжение в 100 в и номинальный ток 5 а и рассчитаны на включение через измерительные трансформаторы тока и напряжения. Если ток и напряжение не превышают указанных выше величин, то приборы могут включаться непосредственно. Шкалы приборов градуируются на измеряемые величины с учетом коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов.

Принципиальная схема ваттметра ЭТВ представлена на рис. 10.

Измерительный механизм ваттметра имеет астатическое выполнение для того, чтобы уменьшить погрешность от влияния внешних магнитных полей. Он представляет собой две системы катушек, расположенных одна над другой.

Неподвижные катушки, соединенные между собой последовательно, включаются в цепь тока. Подвижные катушки также соединяются последовательно между собой и с добавочным сопротивлением. Эта цепь называется параллельной цепью или цепью напряжения ваттметра. Она включается паралельно нагрузке, аналогично включению вольтметра.

Часть добавочного сопротивления шунтируется конденсатором, емкость которого подбирается таким образом, чтобы ток в параллельной цепи ваттметра при частоте, равной номинальной, совпадал по фазе с приложенным напряжением.

Так как сила тока в параллельной цепи зависит от приложенного напряжения U и сопротивления параллельной цепи, которое для данной частоты остается постоянным, то показания ваттметра пропорциональны активной мощности нагрузки.

Это положение остается справедливым и в том случае, когда ваттметр включен через измерительные трансформаторы, так как последние должны иметь во вторичных цепях те же фазы тока и напряжения, что и нагрузка, мощность которой измеряется.

Рассмотрим теперь работу фазометра. По принципу действия фазометр ЭТФ представляет собой электродинамический логометр, включенный таким образом, что положение подвижной части определяется коэффициентом мощности нагрузки.

Принципиальная схема фазометра представлена на рис. 11.

Неподвижные катушки прибора соединены последовательно и включаются в цепь тока. Катушки расположены одна над другой в вертикальной плоскости.

Подвижные катушки жестко укреплены на оси так, что плоскости их сдвинуты на некоторый угол. Они могут вращаться внутри неподвижных катушек.

Одна из подвижных катушек включена в цепь напряжения последовательно с добавочным сопротивлением; вторая — последовательно с конденсатором С\. Конденсатор С2 служит для компенсации индуктивности катушки Ви Величина его емкости подобрана таким образом, что ток в катушке В\ совпадает по фазе с приложенным напряжением.

В результате взаимодействия этих токов с полем неподвижных катушек подвижная часть прибора занимает такое положение, при котором противоположно направленные вращающие моменты подвижных катушек равны друг другу. При изменении коэффициента мощности Изменяются фазы токов в катушках; один из моментов увеличивается, второй — уменьшается, и под действием разности этих моментов подвижная часть перемещается в такое положение (поскольку величина момента зависит от относительного положения катушек), в котором снова наступает равенство моментов Стрелка прибора указывает на шкале значение коэффициента мощности. По принципу действия прибор не должен иметь механического противодействующего момента, поэтому подвижные катушки присоединяются к схеме с помощью безмоментных токоподводов. В выключенном приборе подвижная часть находится в безразличном равновесии, и стрелка может указывать на любую отметку.

Приборы ферродинамической системы. Приборы ферродинами-ческой системы (рис. 12) отличаются от приборов электродинамической системы лишь тем, что большая часть пути магнитного потока неподвижной катушки А проходит по магнитопроводу из трансформаторной стали.

Применение трансформаторной стали увеличивает магнитную индукцию в приборе и, следовательно, с одной стороны, увеличивает вращающий момент, с другой, уменьшает влияние внешних магнитных полей на показания прибора.

Применение стали, вместе с тем, ведет к снижению точности прибора из-за гистерезиса и вихревых токов, а также к увеличению индуктивности приборов, что делает их малопригодными для измерений в цепях повышенной частоты.

Ферродинамическая система получила наибольшее распространение в самопишущих приборах промышленной частоты, где требуется увеличенный вращающий момент.

К достоинствам приборов ферродинамической системы следует отнести также меньшее потребление энергии по сравнению с электродинамическими приборами.

Приборы тепловой системы. В приборах тепловой системы (рис. 13) используется удлинение металлической нити вследствие нагревания ее измеряемым током. Измеряемый ток или его определенная часть проходит по основной нити, концы которой закреплены.

К середине основной нити одним концом прикреплена вспомогательная нить, второй конец которой” закреплен. От средней трчки вспомогательной нити отходит шелковая нить, обходящая вокруг ролика. Конец шелковой нити прикреплен к свободному концу плоской стальной пружины.

При удлинении основной нити она ослабнет, и усилие пружины, передаваемое через шелковую нить и через вспомогательную нить, повернет ролик и сидящую на одной оси с ним стрелку.

Угол поворота подвижной части зависит от удлинения нагреваемой нити, последнее же можно считать пропорциональным квадрату силы тока, протекающего по нити, поэтому тепловые приборы имеют квадратичную шкалу, сильно сжатую вначале.

Тепловой амперметр, проградуированный на постоянном токе, будет показывать действующее значение переменного тока независимо от формы его кривой. Приборы этой системы пригодны для измерений в цепях тока высокой частоты в широком диапазоне ее изменения. К достоинствам этих приборов следует также отнести независимость их показаний от посторонних магнитных полей.

К недостаткам тепловых приборов относится большое собственное потребление энергии, медленное установление стрелки вследствие тепловой инерции нити и, главное, большая чувствительность к перегрузкам. Расширение пределов измерения производится у вольтметров с помощью добавочных сопротивлений. В этом случае прибор будет иметь сильную зависимость показаний от частоты, так как изготовление безиндукционных и безъемкостных сопротивлений представляет большие трудности. Расширение пределов измерения амперметров при помощи шунтов с целью использования их для измерения больших токов высокой частоты встречает препятствие в виде невозможности сохранить соотношение сопротивлений нити и шунта вследстие явления поверхностного эффекта. В амперметрах, изготовлявшихся фирмой Гартман и Браун, применяется особая система шунтирования, состоящая в том, что измеряемый ток подводится и разветвляется по системе совершенно одинаковых тонких металлических ленточек, соединенных параллельно и размещенных наподобие беличьего колеса (барабанный шунт). Одна из этих ленточек играет роль нити, остальные служат лишь для увеличения общего тока, который можно пропустить через прибор. Так как ленточки делаются весьма тонкими, поверхностный эффект сказывается мало, и такие приборы пригодны для измерения токов высокой частоты до 2,5 мггц.

Расширение пределов измерения тепловых приборов можно осуществить применением измерительных трансформаторов, но в этом случае прибор будет пригоден лишь для узкого диапазона частот, так как измерительные трансформаторы изготовляются для -работы на фиксированной частоте.

В настоящее время тепловые приборы в СССР не производятся и заменены более совершенными термоэлектрическими приборами.

Приборы термоэлектрической системы. Приборы термоэлектрической системы представляют собой соединение измерительного механизма магнитоэлектрической системы с одним или несколькими термопреобразователями.

Термопреобразователем называется устройство, состоящее из одной или нескольких термопар и нагревателя — проводника, по которому проходит измеряемый ток.

Термопреобразователи по выполнению бывают либо вакуумные (рис. 14), Яибо воздушные (рис. 15). Как те, так и другие могут разделяться на контактные, у которых нагреватель имеет металлическое соединение с термопарой, и бесконтактные, у которых обеспечен лишь тепловой контакт нагревателя с термопарой посредством материала, не проводящего электрический ток (слюда, стекло).

Контактные термопреобразователи проще по своему устройству и более чувствительны, но электрический контакт термопары с нагревателем является нежелательным.

В качестве материала для нагревателя обычно используется проволока из константана или платиноиридия.

Термопреобразователь помещается внутри корпуса прибора или же устанавливается отдельно и соединяется с измерителем с помощью калиброванных проводников.

Электродвижущая сила термопары приблизительно пропорциональна температуре нагревателя, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату силы тока, протекающего по нагревателю. Так как угол отклонения подвижной части магнитоэлектрического прибора пропорционален силе тока, то термоэлектрические амперметры имеют квадратичную шкалу; будучи проградуированы на постоянном токе, они пригодны и для переменного тока, причем будут измерять его действующее значение.

Термоэлектрические приборы пригодны для широкого диапазона частот от постоянного тока до радиочастоты порядка десятков мегагерц.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести большую чувствительность к перегрузкам (перегорают при перегрузке на 50%), необходимость переградуировки при смене термопреобразователя, малый срок службы термопреобразователей (несколько сот часов при работе без перегрузок).

На рис. 16, а изображена простейшая схема термоэлектрического прибора. Измеряемый ток I, проходя по нагревателю, нагревает рабочий спай термопары, составленный’ из разнородных проволок — термоэлектродов. К свободным концам термопары присоединен прибор, измеряющий термоэлектродвижущую силу (т. э. д. е.), развивающуюся в месте рабочёго спая. Прибор может быть проградуирован в единицах измеряемого тока. Эта схема имеет недостаток — показания прибора будут зависеть не только от силы измеряемого тока, но и от его направления, так как вследствие того, что точка соединения термопары с нагревателем не есть геометрическая точка и имеет конечные размеры, часть тока I будет ответвляться в цепь измерителя и либо складываться с термотоком, либо вычитаться из него. По этой причине градуировка рассмотренной схемы должна производиться на переменном токе.

Другая схема (рис. 16,6), которую называют термокрест, представляет собой два разнородных проводника, соединенных в одной точке. Место соединения образует рабочий спай термопары. Здесь нагреватель оказывается составленным из двух разнородных проводников, поэтому при прохождении измеряемого тока I из одного металла в другой будет происходить дополнительное нагревание или охлаждение места спая в зависимости от направления тока (эффект Пельтье). Кроме того, здесь, как и в предыдущем случае, будет происходить ответвление тока / в цепь измерителя, и, следовательно, прибор должен градуироваться на переменном токе.

На рис. 16, в приведена схема, в которой используется несколько термопар, соединенных последовательно. Это приводит к увеличению термоэлектродвижущей силы, что позволяет использовать менее чувствительный, а следовательно, более надежный в эксплуатации измеритель. К недостаткам такой схемы следует отнести то, что соединение нескольких термопар в термобатарею возможно лишь при изолированном нагревателе (иначе все термопары оказались бы замкнутыми накоротко нагревателем), а это уменьшает чувствительность термопреобразователя и увеличивает его тепловую инерцию.

Чаще всего применяется мостовая схема термопреобразователя (рис. 16, г), позволяющая выполнить термобатарею, состоящую из двух термопар, соединенных последовательно, с непосредственным нагревом током места спая. Если сборка термопреобразователя произведена правильно, то измеряемый ток не ответвляется в измерительный механизм и из одного металла в другой не переходит, вследствие чего такие термоэлектрические приборы можно градуировать на постоянном токе. По этой схеме выполняются термопреобразователи типа Т-1, которые изготовляются на шесть пределов измерения от 0,5 до 10 а и входят в комплекты термоэлектрических прибороз Т-51 и Т-53, предназначенных для измерений в цепях переменного тока высокой частоты от 0,3 до 7,5 мггц. Основная погрешность показаний приборов в этом диапазоне не превышает +5%.

Отечественные лабораторные термоэлектрические приборы типов Т-12 и Т-13 с отдельными термопреобразователями типов Т-101, Т-102 и Т-103 позволяют измерять токи в широком диапазоне частот в пределах от 1 ла до 20 а с погрешностью, не превышающей +1,5%.

Для увеличения чувствительности и получения достаточно высокой температуры горячего спая термопары приборы на пределы измерения до 500 ма включительно изготовляются с вакуумными термопреобразователями типа Т-102 (рис. 14). Термоприборы на 1 и 3 а изготовляются с воздушными термопреобразователями типа Т-103 (рис. 15), а на 5, 10 и 20 а —с воздушными термопреобразователями типа Т-101.

Для уменьшения погрешности приборов от емкостных токов утечки при измерениях на высоких частотах все термопреобразователи сделаны бесконтактными.

Для уменьшения погрешности прибора от поверхностного эффекта, проявляющегося в термопреобразователях на большие токи, нагреватели на предел измерения 3, 5, 10 и 20 а сделаны из тонкостенной золотопалладиевой трубки. Для уменьшения погрешности от нагревания наконечников при длительном включении применяется компенсационная термопара, горячий спай которой с помощью эмали приклеивается к одному из наконечников. Рабочая термопара соединена с компенсационной таким образом, чтобы т. э. д. с. термопар были направлены встречно.

Приборы детекторной системы. Приборы детекторной системы представляют собой соединение магнитоэлектрического из1мери-тельного механизма с твердыми выпрямителями — детекторами.

В качестве выпрямителей применяются чаще всего меднозакис-ные детекторы, отличающиеся от выпрямителей, применяемых для энергетических целей, малыми размерами и пригодные для выпрямления токов, не превышающих нескольких миллиампер.

Меднозакисный выпрямитель представляет собой пластинку из химически чистой меди, на одной стороне которой посредством специальной термической обработки получается слой закиси меди. Между медью и закисью меди образуется очень тонкий слой, получивший название запирающего слоя, обусловливающий особенность выпрямителя оказывать небольшое сопротивление току, протекающему от закиси меди к меди. Сопротивление току обратного направлений, т. е. от меди к закиси меди, оказывается в сотни и даже тысячи раз большим.

Отношение прямого тока к обратному при одном и том же напряжении на выпрямителе называется коэффициентом выпрямления. Очевидно, это отношение равно отношению обратного сопротивления к прямому.

Прямое и обратное сопротивления выпрямителя не остаются строго постоянными, а изменяются в некоторых пределах в зависимости от приложенного напряжения, температуры и частоты. В детекторах, применяемых в измерительных приборах, стараются получить эти зависимости возможно малыми. Выпускаемые нашей промышленностью щитовые вольтметры типа Ц211 предназначены Для измерения напряжения звуковой частоты от 50 гц до 8000 гц с погрешностью, не превышающей +2,5%.

Принципиальная схема внутренних соединений вольтметра Ц211 показана на рис. 17, а. Выпрямитель состоит из четырех элементов, собранных по мостовой схеме. Нужный предел измерения подбирается величиной добавочного сопротивления Rg. Добавочное сопротивление включается в цепь переменного тока.

Приборы Ц211 выпускаются с верхними пределами измерения 30, 50, 150 и 250 в — для непосредственного включения и на 500, 1000, 2000 в — для включения с измерительными трансформаторами напряжения.

В отношении надежности в эксплуатации детекторные приборы уступают приборам других систем и нуждаются в более частой поверке (не реже 1 раза в 6 месяцев), так как с течением времени выпрямители могут менять свои свойства.

Кроме двухполуцериодных схем выпрямления, применяются и однополупериодные (рис. 17,6). В этой схеме выпрямитель Ву соединяется последовательно с измерительным механизмом и пропускает одну полуволну переменного тока. Обратная полуволна пропускается выпрямителем В2 и через измеритель не проходит. Выпрямитель В2 необходим для защиты выпрямителя В\ от пробоя при обратной полуволне. Сопротивление R в этой схеме выбирается равным сопротивлению измерителя.

В случае однополупериодной схемы выпрямления ток, текущий через измеритель, будет в два раза меньше, и, следовательно, чувствительность прибора будет ниже. В некоторых случаях эта схема оказывается более выгодной, так как в схемах с двухполупериод-ным выпрямителем на каждый выпрямитель приходится только половина измеряемого напряжения, и если последнее мало, то вследствие нелинейности характеристики выпрямителей они будут работать с низким коэффициентом выпрямления. В зависимости от приложенного к схеме напряжения иногда несколько выпрямителей соединяются последовательно.

Через катушку измерителя в детекторном приборе проходит пульсирующий ток, в соответствии с этим и вращающий момент пульсирует. Однако благодаря инерционности подвижная часть не может менять своего положения с большой скоростью и отклонится на угол, равный среднему значению тока.

В цепях переменного тока обычно бывает необходимо измерять действующие значения тока или напряжения, поэтому детекторные приборы градуируются на действующие значения синусоидального тока или напряжения и дают правильные показания только при синусоидальной форме кривой.

Детекторные приборы применяются чаще всего для измерения напряжения звуковой частоты. Существуют также детекторные амперметры. Схемы их боле сложны из-за необходимости компенсации температурной зависимости, а также зависимости показаний приборов от частоты, обязанной емкости выпрямителей.

Особенно мала емкость германиевых детекторов. Использование этих детекторов позволит, очевидно, изготовлять детекторные приборы, пригодные для измерений на радиочастоте.

Кроме детекторных вольтметров и амперметров, существуют частотомеры, позволяющие осуществлять измерение частоты с высокой точностью. Возможно также осуществление детекторных ваттметров.

Приборы электростатической системы. Приборы электростатической системы основаны на взаимодействии проводников, заряженных до некоторый разности потенциалов.

В отличие от рассмотренных выше систем измерительных приборов в измерительном механизме электростатической системы изменение положения подвижной части происходит под действием сил электрического поля.

Идея устройства измерительного механизма электростатического вольтметра представлена на рис. 18. Весь измерительный механизм представляет собой подобие конденсатора переменной емкости. Один зажим соединяется с подвижными пластинами, расположенными на оси подвижной части, а другой — с неподвижными. При подключении прибора к измеряемому напряжению подвижные и неподвижные пластины оказываются заряженными разноименно и притягиваются друг к другу. Подвижная часть стремится занять такое положение, при котором емкость системы будет наибольшей. Момент вращения, действующий на подвижную часть, пропорционален скорости изменения емкости с углом поворота и квадрату напряжения, приложенного к пластинам. Противодействующий момент обычно создается спиральной пружиной.

Приборы пригодны как для постоянного, так и для переменного напряжения и измеряют действующее значение переменного напряжения.

Показания электростатических вольтметров не зависят ни от частоты, ни от формы кривой напряжения, ни от внешних магнитных полей, ни от температуры.

Положительным свойством электростатических вольтметров является их малое потребление тока. На постоянном напряжении электростатический вольтметр вовсе не потребляет энергии. При переменном напряжении величина тока потребления зависит от емкости измерительного механизма и частоты.

На рис. 19 представлен измерительный механизм электростатического вольтметра типа С95, выпускаемого по классу точности 1,5. Прибор предназначен для измерения постоянного напряжения и переменного напряжения в диапазоне частот 20 гц до 10— 30 мггц (в зависимости от пределов измерения). Приборы этого

типа являются однопредельными и имеют один из следующих пределов измерения: 30, 75, 150, 300 и 600 в; 1; 1,5 и 3 кв.

Максимальная входная емкость прибора не превышает 10 мкмкф, что достигается малыми размерами электродов (подвижной и неподвижных пластин). Малая емкость прибора обусловливает малый вращающий момент подвижной части, поэтому последняя устанавливается на растяжках. Для увеличения чувствительности приборы снабжены световым отсчетом с многократным отражением светового луча.

Шкала прибора достаточно равномерна благодаря специальной форме подвижного электрода, позволяющей получить изменение емкости в зависимости от угла поворота подвижной части по логарифмическому закону.

Кроме приборов С95, выпускаются трехпредельные киловольтметры типа С96 на 7,5; 15 и 30 кв и трехпредельные киловольтметры €100 на 25, 50 и 75 кв.

Щитовые электростатические вольтметры в настоящее время отечественной промышленностью не выпускаются.

Расширение пределов измерения электростатических вольтметров на переменном напряжении может быть осуществлено с помощью емкостных делителей напряжения.

Приборы электронной системы. Приборы электронной системы, или ламповые приборы, представляют собой соединение измерительной схемы, включающей одну или несколько электронных ламп, с измерительным механизмом магнитоэлектрической системы.

Существуют ламповые вольтметры, амперметры, омметры, ваттметры, частотомеры и многочисленные специальные приборы.

Наиболее широкое распространение получили ламповые вольтметры. Схемы ламповых вольтметров достаточно разнообразны. Рассмотрим здесь схему лампового вольтметра ВКС-7Б, поскольку он находит применение как в лабораторной, так и цеховой практике измерений напряжения высокой частоты.

Вольтметр состоит (рис. 20) из диодмо-конденсаторного выпрямителя и усилителя постоянного тока. Приложенное к зажимам прибора переменное напряжение выпрямляется диодом и подается на сетку триода, в цепь катода которого включен магнитоэлектрический измеритель. Изменение измеряемого переменного напряжения вызывает изменение анодного тока, отмечаемое чувствительным магнитоэлектрическим измерителем, проградуированным на действующее значение синусоидального напряжения.

Переменные сопротивления в схеме служат для изменения чувствительности и установки стрелки прибора на нуль при отсутствии напряжения.

Катодный вольтметр ВКС-7Б относится к ламповым вольтметрам амплитудного типа, шкала же градуируется на действующее значение переменного синусоидального напряжения. Следует иметь в виду, что при форме кривой напряжения, отличающейся от синусоидальной, показания прибора будут неверными.

Вольтметр имеет пять пределов измерения: 1,5; 5; 15; 50 и 150 в. Основная погрешность прибора +3% от номинального значения шкалы на всех пяти шкалах при синусоидальном напряжении, коэффициент искажения которого не превышает 1 . Дополнительная погрешность от изменения частоты должна быть не более + 1 на частотах от 30 гц до 25 мггц; +3% на частотах от 50 мггц и +10% на частотах до 100 мггц.

Для расширения пределов измерения вольтметра ВКС-7Б до 10 кв используется делитель напряжения типа ДНЕ-2.

Другим примером электронно-ламповых приборов может служить измеритель частоты ИЧ-5, предназначенный для измерения частоты электрических колебаний звукового и ультразвукового диапазонов с непосредственным отсчетом частоты по шкале измерителя. Измерение частоты прибором ИЧ-5 производится по принципу измерения среднего значения выпрямленного тока в цепи конден-

Сатора, перезаряжаемого с измеряемой частотой в определенных границах разности потенциалов. В качестве измерителя использован стрелочный магнитоэлектрический гальванометр. Угол отклонения стрелки гальванометра прямо пропорционален количеству разрядов и зарядов в секунду, т. е. частоте.

Диапазон измеряемых частот прибора ИЧ-5 от 10 до 100 000 гц при десяти поддиапазонах с верхними пределами измерений 100, 200, 500, 1000, 5000, 10 000, 20 000, 50 000 и 100 000 гц. Погрешность показаний в каждом поддиапазоне не превышает +2% от номинального значения шкалы. Входное напряжение, подаваемое на прибор, может иметь значение в пределах от 0,5 до 200 в.

Читать далее:

Измерительные трансформаторы

• Некоторые виды брака поверхностной закалки
• Контроль поверхностной закалки по макрошлифам
• Контроль поверхностной закалки по излому
• Контроль качества поверхностной закалки
• Техника измерений при высокочастотном нагреве