Амперметры и вольтметры

Измерительные механизмы магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются между собой. В зависимости от назначения прибора (для измерения тока или напряжения) меняется его измерительная цепь. В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно или при помощи шнута. В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается добавочное сопротивление, и прибор подключается к тем точкам схемы, между которыми необходимо измерить напряжение. Такого рода схемы показаны на рис. 10.

Амперметр без шунта применяется в том случае, если весь измеряемый ток можно пропустить через токоподводящие пружинки и обмотку рамки измерительного механизма. Обычно эта величина не превышает 20 - 30 ма, т.е. такая схема возможна только для микро- и миллиамперметров.

Характер измерительной цепи в значительной степени опреде­ляется также допустимой температурной погрешностью и пределом измерения прибора.

Изменение температуры прибора сказывается на его работе следующим образом.

1. При повышении температуры пружинки, создающие противодействующий момент, стремятся раскрутиться. Для компенсации этого явления ставятся две пружинки с разным направлением вит­ков. Одна из них при повороте подвижной части работает на закру­чивание, а вторая — на раскручивание.

2. Пружинки ослабевают примерно на 0,2—0,4% на каждые 10°С повышения температуры. Показания прибора при неизмен­ном значении измеряемой величины дол­жны были бы соответственно увеличиться.

3. Магнитный поток постоянного маг­нита падает приблизительно на 0,2% на каждые 10°С повышения температуры. Показания должны были бы уменьшиться.

Так как ослабление пружинок и умень­шение потока магнита вызывают темпера­турную погрешность, примерно одинако­вую по величине, но разных знаков, то эти два явления практически взаимно компен­сируют друг друга.

4. Изменяется электрическое сопро­тивление обмотки рамки и пружинок. Если обмотка рамки выполнена из медной проволоки, то при повышении температуры на 10°С сопротивление увеличится на 4%. Это является основным источником температурной погрешности магнитоэлектричес­ких приборов.

Рис.10 Схема амперметров и вольтметров: Рис.11 Схемы температурной компенсации

а – амперметр без шунта; б – амперметр с шунтом а – с добавочным сопротивлением; б – послед-

в – вольтметр ледовательно-параллельная; в – с термоком-

пенсатором

Рассмотрим схемы, приведенные на рис. 10, с точки зрения тем­пературной погрешности. Для амперметра без шунта (схема а) показания не зависят от температуры.

В большинстве случаев температурная погрешность является незначительной и для вольтметра (схема в). Это объясняется тем, что температурный коэффициент сопротивления цепи вольтметра определяется не только «медной» частью обмотки измерительного механизма, но и добавочным сопротивлением, выполняемым из материала с очень малым температурным коэффициентом сопротив­ления (манганина).

Чем больше отношение сопротивления манганина к сопротив­лению меди, т.е. чем выше предел измерения прибора, тем меньше температурная погрешность. Для вольтметров на пределы свыше 3 – 5в температурную погрешность можно уменьшить за счет добавочного сопротивления из манганина до величин, соответствующих классу 0,2.

Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является амперметр с шунтом (схема б). При повышении температуры и неизмененных значениях измеряемого тока и сопротивления шунта r (шунт, как указывалось выше, выполняется из манга­нина) ток I, протекающий через измерительный механизм, и показания прибора уменьшаются.

Для компенсации температурной погрешности часто применяются спе­циальные схемы. Наиболее широко и пользуемые схемы температурной компенсации представлены на рис. 11. Простейшим способом уменьшения температурной погрешности является включение последовательно с обмот­кой рамки добавочного сопротивле­ния г_д из манганина (схема а). Недо­статок этой схемы заключается в том, что на рамку попадает только часть напряжения, снимаемого с шунта. Для класса 0,2 эта часть составляет всего 5%. Следовательно, в этом слу­чае или не происходит существенного уменьшения температурной погреш­ности, или увеличивается потреб­ляемая прибором энергия. Обычно этот способ применяется только для приборов класса не выше 1,0.

Последовательно-параллельная схема (схема б) широко использует­ся в приборах высоких классов точности (0,5; 0,2; 0,1). В такой схеме последовательно с медным сопротивлением r рамки вклю­чается сопротивление из манганина r₃. Эта цепь шунтируется сопротивлением r из материала с большим температурным коэффициентом (меди или никеля) и через последовательно включенное манганиновое сопротивление г₂ подключается к шунту r . При повышении температуры возрастают сопротивления r и r . Однако поскольку последовательно с рамкой включено сопротивление r₃ , имеющее практически нулевой температурный коэффициент, то по сравнению с цепью (r + r₃) увеличение сопротивления в цепи r будет больше. Поэтому изменится распределение токов I и I₃ таким образом, что в обмотку рамки будет ответвляться несколько большая часть общего тока, чем раньше. Но так как сопротивление между точками а и б увеличится, то при постоянном напряжении общая сила тока I₂ несколько уменьшится. Поскольку же со­противление r₂ с увеличением температуры не изменяется, то паде­ние напряжения на нем уменьшится, а между точками в и г увели­чится. Выбором сопротивлений можно добиться того, чтобы при изменении температуры ток в обмотке рамки менялся в пределах, определяемых допустимой величиной температурной погрешности.

В последнее время все чаще применяются схемы с полупровод­никовыми термосопротивлениями (схема в). Термосопротивление ТС обладает значительным отрицательным температурным коэф­фициентом порядка — (25—35)% на 10° С. Конструктивно такие термосопротивления, например типа ММТ-8, выпускаются в виде шайб в герметическом корпусе. Благодаря высокому значению температурного коэффициента величина термосопротивления в схеме компенсации может быть взята во много раз меньше, чем проволочного сопротивления из манганина в схеме а. При этом к обмотке измерительного механизма можно подвести значительно большее напряжение, т. е. к. п. д. схемы возрастает. Для подбора необходимой величины температурного коэффициента сопротивле­ния и уменьшения влияния разброса характеристик термосопротив­лений последние шунтируются манганиновым сопротивлением r . Такое сочетание (ТС и r ) называется термокомпенсатором. В настоя­щее время термосопротивления применяются в приборах самых высоких классов точности (например, в амперметре типа М1150, класса 0,1).

При создании приборой для измерения очень малых напряжений (например, э.д.с. термопар) желательно, чтобы все напряжение подводилось непосредственно к цепи измерительного механизма. В этом случае температурная компенсация осуществляется не с по­мощью схем, а посредством термомагнитного шунта. Такой шунт выполняется из специальных магнитных материалов (сплавов меди с никелем или железа с никелем), у которых магнитная проницае­мость существенно уменьшается при возрастании температуры. Конструктивно термомагнитный шунт представляет собой пла­стинки, которыми замыкаются полюсные наконечники постоянного магнита. При повышении температуры магнитное сопротивление шунта возрастает, что приводит к увеличению индукции в воздуш­ном зазоре. Можно так рассчитать шунт, что это увеличение индукции будет компенсировать действие уменьшения тока в обмотке за счет повышения сопротивления последней, и показания прибора будут мало зависеть от температуры.