книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

ИНАПРЯЖЕНИЯ

§5.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерения электрического тока и напряжения являют­ ся наиболее распространенными видами электрических из­ мерений. В зависимости от вида тока, его величины, формы кривой, частоты применяются различные методы и прибо­ ры для измерения. Наиболее часто пользуются методами непосредственной оценки и сравнения.

При непосредственной оценке используют амперметры и вольтметры. Это электромеханические или электронные приборы со стрелочным или цифровым способом отсчета. Амперметры и вольтметры соответствующих систем позво­ ляют измерять токи и напряжения от микроампер до кило­ ампер и от микровольт до нескольких киловольт.

Токи и напряжения измеряются в цепях постоянного и переменного токов в диапазоне частот до нескольких сотен мегагерц. Измерения на высоких и сверхвысоких частотах имеют особенности, из-за которых в этом диапазоне пре­ имущественно измеряются напряжения, а не токи. Наибо­ лее высокую точность измерений получают в цепях посто­ янного тока. На переменном токе точность зависит от час­ тоты, с повышением которой она снижается.

Все электромеханические измерительные механизмы, у которых угол поворота подвижной части зависит от прохо­ дящего через них тока, применяются непосредственно или с измерительными преобразователями для измерения силы тока и напряжения.

Для измерения силы тока цепь, в которой производят измерение, разрывают и между точками 1 и 2 (рис. 5.1, о,

130

б, в) включают элементы измеряющих устройств: измери­ тельный механизм, шунт, образцовый резистор. Сопротив­ ление этих устройств должно быть незначительным по срав­ нению с полным сопротивлением измеряемой цепи: их включение не должно искажать режим работы цепи. На­ пример, при измерении постоянного тока по схеме рис. 5.1, а значение тока / зависит от приложенного к цепи напряже-

I

не изменится при включении в цепь амперметра.

Между точками 1 и 2 (на амперметре) образуется па­ дение напряжения Ua — IR a ■ При максимальном значении измеряемого тока Іт падение напряжения также макси­

пример, при величине отношения 0,01 уменьшение тока в цепи будет не больше 1%, при 0,1 — достигнет 10% и т. д.

Вольтметры присоединяются к точкам цепи, разность электрических потенциалов между которыми надо опреде­ лить (рис. 5.1,а). Чтобы не искажался режим работы цепи,

входное сопротивление вольтметра должно быть большим, а потребляемая им мощность — малой. Если активное со­ противление вольтметра Rv, то потребляемая вольтметром

цип измерения напряжения позволяет косвенно измерять ток с высокой точностью; применяется он главным образом для градуировки точных амперметров и вольтметров.

К вольтметрам и амперметрам предъявляются следую­ щие основные требования: стабильность градуировки шка­ лы; высокая точность измерений; известная зависимость показаний от формы измеряемых токов и напряжений; большое входное сопротивление у вольтметров и малое у амперметров; высокая селективность для избирательных вольтметров, малая зависимость показаний от частоты у широкополосных приборов.

§ 5.2. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Измерительные механизмы. Магнитоэлектрический из­ мерительный'механизм содержит магнитопровод с посто­ янным магнитом и контур с током, выполненный в виде катушки. Для перемещения подвижной части механизма используется энергия взаимодействия магнитных полей магнита и катушки. Конструктивно магнитоэлектрические измерительные механизмы выполняются с неподвижным постоянным магнитом и подвижной катушкой, изготовлен­ ной в виде рамки, или с неподвижной катушкой и подвиж­ ным постоянным магнитом. Наиболее часто применяются механизмы с подвижной рамкой (рис. 5.2). Магнитная си­ стема такого механизма состоит из сильного постоянного магнита 1 из высококоэрцитивной стали, магнитопровода 2, полюсных наконечников 3 и неподвижного сердечника 4. Магнитопровод, полюсные наконечники, сердечник изго­ товляются из магнитомягких материалов. Полюсные на­ конечники имеют цилиндрическую выточку, в которую кон­ центрически помещается сердечник 4. Между полюсными наконечниками и сердечником имеется воздушный зазор, в любой точке которого существует радиальное магнитное поле с постоянным значением магнитной индукции В. Меж­

1 3 2

ду полюсными наконечниками и сердечником располага­ ются подвижная рамка (катушка) 5, представляющая со­ бой легкий алюминиевый каркас обычно прямоугольной формы, на который намотана тонкая медная или алюмини­

применяются: магнитоиндукционное успокоение происходит при перемещении алюминиевого каркаса катушки в поле постоянного магнита, а электромагнитное — от наведения э. д. с. в обмотке перемещающейся в магнитном поле рам­ ки (особенно когда обмотка рамки замкнута на некоторое внешнее сопротивление). Для увеличения момента успокое­ ния на рамку иногда наматывают несколько короткозамк­ нутых витков.

Теория работы магнитоэлектрического механизма с подвижной рамкой и равномерным радиальным магнит­

133

ным полем состоит в следующем. Когда по рамке протека­ ет измеряемый постоянный ток на активные части вит­ ков ее обмотки действует пара сил F, создающая вращаю­ щий момент (рис. 5.3). Для его определения из общего уравнения динамики системы (1.7) узнают запас электрокинетической энергии измерительного механизма. Он состо­ ит из энергии постоянного магнита Wa.м, магнитной энер­ гии контура с током L/IB/2 и энергии взаимодействия по­ стоянного поля магнита и контура с током

где L — индуктивность контура с током (рамки);

—магнитный поток, сцепляющийся с рамкой, рав­ ный произведению числа магнитных силовых ли­ ний, пересеченных обеими активными сторонами рамки, на число витков п ее обмотки.

При повороте рамки на угол а каждая ее сторона опи-

Ыі

шет дугу — (рис. 5.3) и пересечет силовые линии магнит­

ного поля. Число линий, пересеченных одной стороной рам­ ки, определяется произведением ВЫа/2, где В ~ магнитная индукция в воздушном зазоре, I — длина активной стороны рамки. Поэтому полное потокосцепление определяется вы­ ражением

где s — bl — площадь рамки.

1 3 4

Подставив (5.3) в (5.2), получаем выражение вращаю­ щего момента для магнитоэлектрического измерительного механизма с радиальным магнитным полем

Под влиянием вращающего момента подвижная часть измерителя поворачивается, закручивает или раскручивает противодействующие пружинки, и создается противодейст­ вующий, момент. При равенстве вращающего и противо­ действующего моментов подвижная часть останавливается. Для режима установившегося отклонения, учитывая (1.11), можно написать

/из, проходящего через прибор, меняется и направление отклонения рамки. Поэтому прй включении прибора в электрическую цепь надо учитывать полярность постоянно­

Величина угла поворота а подвижной части прибора в этом случае будет зависеть от конструктивного ее исполне­ ния, а также от формы и частоты тока. Обычные измери­ тельные приборы магнитоэлектрической системы из-за инерционности подвижной части в цепях переменного тока (например, промышленной частоты) определяют среднее значение тока за период: угол а пропорционален постоян­ ной составляющей. Малоинерционные измерительные при­ боры магнитоэлектрической системы применяются для осциллографирования в вибрационных гальванометрах.

Отсчет угла а по шкале прибора можно производить после окончания переходного процесса, в течение которого подвижная часть находится в движении. Процесс перехода подвижной части в положение равновесия происходит от

1 3 5

воздействия на нее момента успокоения, который возника­ ет от трения в опорах, трения подвижной части о воздух; воздействия токов, индуктированных в металлическом кар­ касе рамки, при ее* движении в поле постоянного магнита; взаимодействия токов, индуктированных в витках обмотки рамки с магнитным полем, если она замкнута на какое-ли­ бо сопротивление. Приборы на растяжках (подвесе) не имеют трения в опорах. У них момент воздушного успокое­ ния обычно весьма мал по сравнению с остальными, не поддается регулировке или изменению у готового прибора и, как показывают исследования, пропорционален угловой скорости движения подвижной части

где Рв.у— коэффициент воздушного успокоения.

Знак «минус» указывает на то, что Мв.у имеет противо­ положное вращающему моменту направление.

Момент электромагнитного успокоения Мэ.у можно опре­

делить, если в (5.6) вместо i{t) подставить ток і = — і------

R»3 Н~ Ян индуктированный в обмотке при перемещении в поле воз­

душного зазора

R „— сопротивление внешней цепи (наружное); е — э.д. с., индуктированная в обмотке,

dt

(гР — полный поток, сцепляющийся с рамкой). С помощью (5.3) найдем производную

Учитывая знак э.д. с. и подставив (5.9) в (5.8), получим

Коэффициент электромагнитного успокоения

р _ (Bns)2

(5.10)

Э-У Rm + Ra

136

зависит от сопротивления цепи рамки и может быть изме­ нен по желанию оператора — включением различных RB.

Электромагнитное успокоение создается и при наличии алюминиевого корпуса. Коэффициент электромагнитного успокоения Рэ.у.„, в этом случае определяется аналогично Рэу, так как алюминиевый каркас является короткозамк­ нутым витком (п = \ ) с сопротивлением цепи Rh- Учитывая (5.10), получаем коэффициент электромагнитного успокое­ ния каркаса

Полное выражение для момента успокоения

Достоинства магнитоэлектрических измерительных ме­ ханизмов:

возможность создания приборов высокой чувствитель­ ности (известны микроамперы с током полного отклонения

0,01 мка) ;

возможность изготовления высокоточных приборов

(классов 0,05; 0,1; 0,2);

малое собственное потребление электрической энергии; в рамках измерителей потребляемая мощность имеет порядок 10- 5 4-10~ 6 Вт, а в совокупности с измерительной

схемой — несколько десятых долей ватта.

Недостатки магнитоэлектрических измерителей: сравни­ тельно сложное их устройство, боязнь перегрузок, возмож­ ность измерения только постоянных токов.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы широ­ ко применяются при различных измерениях. Их использу­ ют в качестве амперметров и вольтметров для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока, а в сочета­ нии с различного рода преобразователями и в цепях пере­ менного тока. Эти приборы служат омметрами и использу­ ются для комплектации многих приборов, измеряющих электрическими методами неэлектрические величины. Ма­ логабаритные магнитоэлектрические приборы широко при­ меняются в измерительной технике. Многие радиоизмерительные приборы содержат в качестве отсчетных устройств или индикаторов магнитоэлектрические измерители. Галь­

137

ванометры и вибраторы этой системы используют для из­ мерения очень малых напряжений и токов и регистрации изменяющихся во времени различных физических процес­ сов, а также при измерении магнитного потока — в веберметрах и баллистических гальванометрах.

Амперметры. Непосредственное включение в цепь меж­ ду точками 1 и 2 (см. рис. 5.1, а) магнитоэлектрического измерительного механизма позволяет измерять малые то­ ки. Тонкий провод обмотки рамки измерителя и спиральные пружинки нельзя нагружать токами, большими чем (20-f- 4-50) ма, поэтому измерительный механизм выполняет функции микро- и миллиамперметра. Высокочувствитель­ ным микроамперметром является зеркальный гальвано­ метр.

При измерении больших токов пользуются шунтами, ко­ торые включают параллельно измерительному механизму (см. рис. 5.1,6). Сопротивление шунта Яш выбирают та­ ким, чтобы большая часть измеряемого тока / протекала по шунту, а остальная /из не превышала допустимого для обмотки измерителя значения. Отношение токов І/Іт= п называют к о э ф ф и ц и е н т о м ш у н т и р о в а н и я . Значе­

где Rnз — сопротивление измерительного механизма. Конструкция шунтов и условия их использования опре­

деляются пределами измерения амперметров и их назначе­ нием. Шунты для измерения сравнительно небольших то­ ков (до 30а) монтируются в корпусе прибора и называются

нопредельных шунтов можно получить несколько пределов измерения путем установки переключателя П в положения

/, 2, 3 (рис. 5.4,6).

138

Шунты делятся на индивидуальные, пригодные только для того измерительного механизма, который с ним градуи­ рован, и калиброванные, расчитанные на определенные номинальные токи и падение напряжения. Последние при­ годны для работы с любым измерительным механизмом,

ется прежним, в результате ток /из, проходящий через из­ мерительный механизм, изменится и в показаниях появит­ ся погрешность. Для ее уменьшения пользуются разными способами температурной компенсации: например, в цепь рамки включают терморезисторы с отрицательным темпе­ ратурным коэффициентом сопротивления.

Вольтметры. Непосредственное включение магнито­ электрического механизма между точками с разными элект­ рическими потенциалами применяется только при незначи­

130