§3. Конструкция электроизмерительных приборов

Каждый электрический прибор состоит принципиально из двух частей: отсчетного механизма или отсчетного устройства и измери­тельного механизма.

1. Отсчетный механизм большинства приборов имеет шкалу и указатель. Указатель служит для определения точки шкалы, соответст­вующей отсчету измеренной величины. Указатель у большинства прибо­ров выполняется в виде стрелок (плоских или копьевидных) или светового "зайчика”, перемещающихся вдоль шкалы.

2. Корректор - устройство, служащее для установки указателя на нуль. Обозначается –

Арретир (Арр) служит для закрепления подвижной части измери­тельного механизма. Чаще встречается у гальванометров и высокочас­тотных приборов.

3. Успокоитель служит для гашения колебаний системы и остановки указателя в нужном положении. Успокоители бывают воздушные (ци­линдр с поршнем внутри, связанным с осью стрелки) и магнитные (в астатических приборах).

§4. Основные системы

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

1. Магнитоэлектрическая система.

Приборы магнитоэлектрической системы являются наиболее чувстви­тельными электроизмерительными приборами постоянного тока. Принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и рамки с током. В настоящее время приме­няются в основном магнитоэлектрические приборы с подвижной рамкой. Ранее встречались приборы с подвижным магнитом.

П одвижная часть измерительного механизма состоит из рамки (1), на которой помещена обмотка из тонкой медной изолированной проволо­ки (Рис.1). К постоянному неподвижному магниту (2) присоединены полюсные наконечники N, S из мягкого железа. Рамка надета на неподвижный стальной цилиндр (3) и может вращаться в узком кольцевом зазоре между цилиндром и полюсными наконечниками магнита. Малая ширина за­зора позволяет получить поле высокой напряженности, одинаковое по всей длине зазора и радиально направленное. Рамка закреплена на оси (4), которая крепится в специальных подпятниках из драгоценных кам­ней. Ток в рамку подводится через гибкие спиральные пружины (5), препятствующие ее повороту. В высокочувствительных приборах вместо спиралей применяются тонкие упругие ленты-растяжки или подвесы. К оси рамки присоединяют указывающую стрелку (6) или зеркальце для светоотсчетных приборов. При прохождении тока рамка под действием магнитного поля испытывает вращающий момент. Величина этого враща­ющего момента зависит от площади рамки s , числа витков n , вели чины магнитной индукции В и тока I:

M_вр = BSIn

Считая индукцию магнитного поля в зазоре постоянной, получим, что вращающий момент прямо пропорционален току:

M_вр = k_врI

Поэтому шкала у прибора равномерная.

Вращение рамки вызывает закручивание пружин, в которых возни­кает противодействующий момент упругих сил, пропорциональный углу закручивания:

M_вр = k_пр

Именно при равенстве этих двух моментов стрелка прибора оста­навливается и производится снятие показаний прибора.

Вращение рамки в магнитном поле вызывает возникновение в ней индукционных токов, магнитное поле которых по закону Ленца направ­лено так, что, взаимодействуя с магнитным полем постоянного маг­нита, тормозит вращение рамки, гасит ее колебания, и стрелка быст­ро устанавливается на определенном делении шкалы. Следовательно, индукционный ток в рамке является гасителем колебаний подвижной части прибора.

Устройство электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы определяет следующие их качества:

1. в зазоре, где вращается рамка с током, имеется сильное магнитное поле, поэтому на приборы этой системы слабо действуют внешние магнитные поля, и у большинства их нет магнитных экранов;

2. даже при малом токе начинается вращение рамки из-за боль­шой индукции магнитного поля прибора, а это значит, что магнито­электрические приборы обладают большой чувствительностью;

3. радиальность магнитного поля и его однородность по длине зазора обеспечивает независимость вращающего момента от угла по­ворота рамки, следовательно, пропорциональную зависимость его от силы тока. Для малых углов поворота, согласно закону Гука, су­ществует прямо пропорциональная зависимость механического момен­та от угла поворота. Таким образом, в приборах магнитоэлектри­ческой системы достигается равномерность шкалы отсчета;

4. приборы мало поглощают энергии.

Область применения магнитоэлектрических приборов весьма об­ширна: Амперметры и вольтметры постоянного тока при технических и лабораторных контрольных измерениях. Лучшие конструкции магни­тоэлектрических приборов имеют класс точности 0,2. Миллиампермет­ры и амперметры магнитоэлектрической системы измеряют токи от IA до I00A, с добавочными шунтами до нескольких тысяч ампер. Вольт­метры этой системы измеряют напряжения от 0,1В до 600В, с доба­вочными сопротивлениями до 10000В и более.

Эти приборы нельзя использовать в цепи переменного тока, так как частота переменного тока много больше частоты собственных колебаний подвижной части прибора, и магнитное поле переменного тока не может преодолеть инерции подвижной части прибора. В слу­чае переменного тока необходимо применять выпрямитель, лучше все­го полупроводниковый. К недостаткам приборов этой системы отко­сятся также большая чувствительность, к перегрузкам, высокая стои­мость приборов.

2. Э лектромагнитная система.

В приборах электромагнитной системы используется магнитное действие тока. В приборе имеется неподвижная катушка (1) с узкой щелью. Магнитное поле создается током, проходящим по обмотке ка­тушки, в щель которой втягивается пластинка (2) из ферромагнети­ка, укрепленная эксцентрично на оси (3), связанной со стрелкой (4) прибора (Рис.2).

К оси одним концом припаяна пружина (5). При втягивании пластины внутрь катушки ось поворачивается, пружина закручивается и создает противодействующий упругий момент. При равенстве момента, создаваемого магнитным полем, и противодействующего момента упру­гих сил стрелка останавливается.

Колебания стрелки гасятся воздушным успокоителем (демпфером) (6). Демпфер обычно изготавливают в виде легкой лопаточки (плас­тинки). Для большей эффективности ее помещают в закрытый кожух (цилиндр) (7). Пластинка, перемещаясь внутри изогнутого и замкну­того цилиндра, сжимает воздух в цилиндре и этим обеспечивает плавный поворот стрелки прибора.

Увеличение тока приводит к увеличению магнитного поля катушки к увеличению намагничивания железа сердечника, поэтому показания прибора  и сила тока I связаны квадратичным соотношением  ~ I². Поэтому шкала прибора неравномерная. При малых отклонениях стрел­ки точность измерений мала, поэтому в начале шкалы делений нет.

Благодаря большому поперечному сечению внутри катушки создает­ся слабое магнитное поле, поэтому прибор чувствителен к действию внешнего магнитного поля.

Направление поля и намагниченность меняется одновременно, и, значит, направление втягивания не зависит от направления протекания тока. Поэтому приборы этой системы используются для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются:

1. Простота конструкции.

2. Возможность измерения, как на постоянном, так и на пере­менном токе.

3. Хорошая переносимость перегрузки (нет подвижных токо­проводящих частей).

4. Недороги.

5. Механическая прочность.

К недостаткам приборов этой системы относятся:

1. Непригодность для измерений небольших токов и напряжений.

2. Неравномерность шкалы.

3. Чувствительность к внешним магнитным полям.

4. Нуждаются в успокоителях.

5. Точность измерений невысока и зависит от внешнего маг­нитного поля и частоты измеряемого тока.

3. Электродинамическая система.

Э лектроизмерительные приборы этой системы предназначены для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и пере­менного токов. Действие приборов электродинамической системы ос­новано на взаимодействии катушек, по которым протекает измеряемый ток.

Прибор имеет две катушки (Рис.З): неподвижную (1) и подвиж­ную (2), которая может вращаться внутри неподвижной катушки. Не­подвижная катушка состоит из двух разделенных небольшим зазором одинаковых частей, обмотки которых соединены между собой после­довательно.

В зазоре расположена ось (3), на которой закреплена подвиж­ная катушка, стрелка (4), демпфер (5) и две пружины (6), которые служат для создания вращательного момента, противодействующего повороту, и для подведения тока.

П ри пропускании тока по обеим катушкам на подвижную катушку действует вращательный момент M₁, под влиянием которого подвиж­ная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельной плоскости витков неподвижной катушки, а их магнитные поля совпадали бы по направлению. Вращающий мо­мент М₁ пропорционален произведению тока в катушках:

M₁ =k₁I₁I₂,

где k₁ - коэффициент, зависящий от конструкции прибора.

Подвижная катушка поворачивается вместе с осью, закручивая пружины до тех пор, пока вращательный момент пружин М₂ = k₂ не уравновесит момент M₁. При равенстве моментов M₁ и М₂ по­движная катушка остановится. Тогда M₁ = М₂ или k₁I₁I₂= k₂, где

 - угол отклонения стрелки.

Отсюда

Если катушки соединены последовательно, то  =k I².

В амперметрах обе катушки соединены параллельно, в вольт­метрах - последовательно. В этих случаях шкала неравномерная. Однако подбором конструкции катушек можно улучшить шкалу, т.е. приблизить к равномерной.

Прибор можно использовать для измерений в цепях постоянного и переменного тока, поскольку изменение направления тока одно­временно в обеих катушках не изменяет направления силы Ампера (а, следовательно, и направление поворота стрелки). Торможе­ние в этих приборах так же, как и в электромагнитных достига­ется с помощью воздушного успокоителя. Приборы электродинамической системы могут иметь такую же высокую точность, как и при­боры магнитоэлектрической системы. Электродинамические приборы часто используются в качестве ваттметров и счетчиков для изме­рения мощности и расхода электрической энергии в цепи.

При использовании прибора этой системы в качестве ваттметра неподвижную катушку включают как амперметр, т.е. последовательно участку цепи, на котором измеряется мощность, а подвижную - как вольтметр - параллельно. Поэтому отклонение стрелки будет про­порционально произведению силы тока на напряжение изучаемого участка цепи, т.е_. мощности тока. Отсюда следует, что ваттметр этой системы имеет равномерную шкалу.

Достоинства приборов электродинамической системы:

1. Возможность измерений постоянных и переменных токов.

2. Достаточная точность.

Основные недостатки - малая чувствительность, неустойчивость к перегрузкам, неравномерность шкалы у амперметров и вольтмет­ров, чувствительность к внешним магнитным полям.

4. Тепловая система.

П ринцип действия приборов тепловой системы основан на изме­нении длины проводника, по которому протекает ток, вследствие его нагревания.

И змеряемый ток проходит по тонкой проволоке (1-2), концы которой закреплены (Рис.4). К проволоке примерно посередине при­паяна металлическая нить (3), которая оттягивается тонкой шелко­вой нитью (4), перекинутой через блок (5). Конец этой нити при­креплен к стальной пружине (6), которая и производит натяжение нити. К блоку (5) прикреплена стрелка (7), перемещающаяся над шкалой (8). При прохождении тока по проволоке (1-2) происходит ее нагревание и удлинение, в результате чего натяжение нитей (3) и (4) несколько ослабевает и пружина отходит влево, что вызыва­ет отклонение стрелки. Так как количество теплоты, выделяемое током Q = I²Rt не зависит от направления тока, то приборы те­пловой системы пригодны для измерения как на постоянном, так и на переменном токе; шкала прибора неравномерная.

Достоинствами приборов тепловой системы являются:

1. Возможность измерения на постоянном и переменном токе.

2. Независимость показаний от частоты и формы кривой переменного тока, что позволяет применять их для измерения высо­кочастотных токов.

3. Нечувствительность к внешним магнитным полям.

К недостаткам приборов данной системы относятся:

1. Неравномерность шкалы.

2. Наличие тепловой инерции, в связи с которой необходимо выжидать некоторое время пока указатель прибора окончательно ус­тановится.

3. Зависимость показаний от температуры среды.

5. Электростатическая система.

У стройство приборов этой системы основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под дей­ствием сил электрического поля подвижные проводники перемещаются относительно неподвижных проводников. Электростатические приборы служат преимущественно вольтметрами для непосредственного изме­рения высоких напряжений.

6. Вибрационная система.

П ринцип действия приборов вибрационной системы основан на ре­зонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы в основном применяются в качестве герцметров, служащих для изме­рения частоты тока, а также для измерения высокочастотных токов.

7. Индукционная система.

У стройство приборов индукционной системы основано на взаимо­действии токов, индуцируемых в подвижней части прибора, с магнит­ными потоками неподвижных электромагнитов. К индукционной системе принадлежат, например, электрические счетчики переменного тока. Применяются также и ваттметры этой системы,