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

тельной разности потенциалов, исчисляемой милливоль­ тами. В этом случае измерения проводят с помощью стрелочных милливольметров или гальванометров.

При измерении больших напряжений ток следует огра­ ничивать добавочным сопротивлением (рис. 5.5, а). Если предел измерения напряжения измерительного механизма необходимо расширить в т раз: U— mUm, то величину до-

U

U n j ш '

Rsi

____ %

6)

Рис. 5.5. Схемы соединения измеритель­ ного механизма с добавочным сопротив­ лением

где Rv — полное сопротивление вольтметра.

Отсюда

= -Rhs ("*---

Подставив значение Іѵ в (5.5), получим

« = m t u = s * u ’

где Sy — чувствительность прибора к напряжению.

140

Отсюда следует, что шкалу можно проградуировать в единицах напряжения, она равномерна и вольтметр обла­ дает полярностью.

Вольтметр с добавочным сопротивлением малочувстви­ телен к изменению окружающей температуры, так как обычно /?ІІЗ< Я д и незначительные изменения RlI3 от темпе­ ратуры при постоянстве Rn не приводят к заметным изме­ нениям тока /у- Таким образом, добавочные сопротивления не только расширяют предел измерения напряжения, но и уменьшают дополнительную погрешность вольтметра. Для удобства измерений вольтметры изготавливают на несколь­ ко пределов измерения (рис. 5.5,6).

Добавочные сопротивления изготавливаются из манга­ ниновой изолированной проволоки, которая наматывается на каркасы в виде катушек или пластин. Применяются внутренние, встроенные в корпус вольтметра, и наружные добавочные сопротивления. Последние могут быть индиви* дуальными, используемыми только с тем прибором, с кото­ рым производилась градуировка, и калиброванными, при­ меняемыми с любыми приборами, номинальный ток кото­ рых равен номинальному току добавочного сопротивления. Калиброванные добавочные сопротивления делятся на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1 и изготовляются на номи­ нальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15; 30 ма.

Магнитоэлектрические вольтметры отличаются от вольт­ метров других систем высокой точностью и большой чувст­ вительностью.

Влияние внешних постоянных магнитных полей на пока­ зания приборов проявляется в том, что под действием этих полей изменяется магнитная индукция В в зазоре магнит­ ной системы. Это влияние сравнительно небольшое, так как собственное поле магнита' довольно велико (в земном маг­ нитном поле 40 а/м оно составляет 0,10—0,15%).

Для исключения влияния внешнего магнитного поля на показания прибора обычно производят два измерения од­ ного и того же значения: первый раз при произвольном положении прибора, а второй после поворота его на 180° вокруг вертикальной оси. Среднее из результатов отсчетов этих двух измерений будет свободно от влияния магнитного поля. Приборы магнитоэлектрической системы создают вблизи себя значительное магнитное поле, которое может влиять на показания других приборов, поэтому при изме­ рении их приборы размещают так, чтобы расстояние между ними было не меньше 20 см.

141

§ 5.3. ГАЛЬВАНОМЕТРЫ

Г а л ь в а н о м е т р а м и называют высокочувствитель­ ные приборы, которые обычно имеют пеградуированную шкалу. Цену деления шкалы (постоянную гальванометра) определяют экспериментально или по паспортным данным прибора. Гальванометры широко применяют для измерения

внешними (относительно измерительного механизма) шка­ лой и осветителем. Чувствительность гальванометров зави­ сит от способа установки подвижной части: она будет срав­ нительно невысокой, если подвижная часть установлена на кернах, средней — при установке ее на растяжках и высо­ кой — при установке на подвесе. Диапазон измеряемых то­ ков довольно широк — от ІО-5 до К Н 1 а.

Гальванометры могут быть различных систем. Наибо­ лее распространены гальванометры магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой (рис. 5.6). Бескаркасная рам­ ка 7 подвешена на упругой нити 2. Ток 7 к рамке подается

с помощью' зеркальца 3 объективным или субъективным способами. При объективном способе (рис. 5.7, а) на зер­ кальце 3 направляют от лампы 1 узкий световой луч, кото­ рый после отражения падает на шкалу 2 с миллиметровы-

142

ми делениями в виде светового пятна. Шкала 2 перед на­ чалом измерений устанавливается на расстоянии / = ( 1-Ь ■~-2) м, параллельно зеркальцу. При повороте рамки и зер­ кальца 3 пятно перемещается вдоль шкалы.

При субъективном способе отсчета (рис. 5.7,6) перед зеркальцем 3 на расстоянии I помещают ярко освещенную шкалу 2. Наблюдатель через зрительную трубу 1 видит от­ раженную в зеркальце 3 часть шкалы (рис. 5.7,в). На объ-

6)

Рис. 5.7. Схема зеркальных способов отсчета

ективе трубы имеется черта, которая проектируется на шкалу. Субъективный способ точнее объективного, но уто­ мительнее для наблюдателя. Угол поворота рамки гальва­ нометра в радианах определяется из выражения tg 2 a = n //. На практике отсчет производится в делениях шкалы. Зер­ кальные гальванометры на подвесах требуют особых усло­ вий установки во избежание ошибок от механических со­ трясений.

Переносные гальванометры обладают меньшей чув­ ствительностью. Их подвижная часть укрепляется обычно

143

на растяжках, а отсчет угла попорота рамки производится при помоши светового указателя — теневой стрелки или жестко скрепленной с рамкой легкой стрелки — указателя. 'Чувствительность гальванометра, характер движения его подвижной части и время ее успокоения определяются со­ отношением между конструктивными постоянными гальва­ нометра и сопротивлением внешней цепи, на которую замк­ нута его рамка. Эти соотношения можно получить при ис­ следовании переходных процессов в гальванометре.

Т е о р и я д в и ж е н и я р а м к и г а л ь в а н о м е т р а .

П е р е х о д н ы е п р о ц е с с ы

Движение подвижной части электромеханических при­ боров, как и любого колеблющегося или вращающегося тела, в общем виде описывается уравнением

сумма всех моментов, действующих на подвижную часть:

называет, что Ма и Мр направлены навстречу М).

После подстановки моментов в правую часть выражения (5.12) и группирования моментов, зависящих от а , полу­ чаем

Рамка гальванометра обычно не имеет каркаса и по­ этому коэффициент электромагнитного успокоения опреде­ ляется выражением (5.10). Для установившегося состоя­ ния, когда рамка гальванометра отклонится на конечный

144

Интеграл дифференциального уравнения (5.13). как из­ вестно, состоит из суммы а с — частного решения н у — общего решения данного уравнения без правой части (при заданных начальных условиях:

</— + р — -f wy— 0 имеет вид функции dt2 dt

Y = С1е*,< + C2e Xlt,

где Ci и С2 — постоянные интегрирования; JCi и х2— корни характеристического уравнения

Jx 2 + Рх w — 0:

При Р2<4 д а / корни будут мнимые и разные, при Р2> > 4 wJ — вещественные и разные, при P2— 4wJ — вещест­ венные и равные.

Поэтому после подстановки в (5.15) корней характерис­ тического уравнения и определения постоянных интегриро­ ваний можно получить три характерных решения а = Р ( 0 * . которые представлены в виде графиков на рис. 5.8. При ма­ лых Р ( Р < 2\ f ха]) рамка гальванометра совершает зату­ хающие колебательные движения (кривая 1) около поло­

апериодическим (кривая 2). Граничным между колебатель­ ным и апериодическим, или критическим, движением рам­ ки (кривая 3) будет при некотором определенном значении

Р = 2 У w J = P K, которое называется критическим успокое­ нием. В этом случае рамка приходит в установившееся со­ стояние тоже без колебаний, но за минимальное время. Так как успокоение (5.10) зависит от сопротивления цепи гальванометра, то критическое успокоение будет только при

ной из важнейших характеристик гальванометра, которая всегда указывается в его маркировке. Отношение коэффи­ циента успокоения Р при условиях, отличных от критиче­ ского, к коэффициенту Р к называется с т е п е н ь ю у с п о ­ к о е н и я ß:

(5.16)

Рис. 5.8. График движения подвижной ча­ сти гальванометра при различных режимах

Режим работы гальванометра можно характеризовать коэффициентом ß: при ß < l — колебательное, при ß > l — апериодическое и при ß— 1—критическое движение под­ вижной части.

Таким образом, изменяя сопротивление цепи гальвано­ метра, можно получить различные режимы его работы. Опыт и расчеты показывают, что выгоднее периодический режим, близкий к критическому (ß = 0 ,9 ), при котором подвижная часть гальванометра быстрее всего устанавли­ вается в положение равновесия, т. е. имеет минимальное время успокоения.

Отметим еще, что когда цепь гальванометра разомк­ нута (Ra= сю), то ß = 0 . В этом случае колебания рамки будут незатухающими или свободными. Можно показать, что период собственных незатухающих колебаний рамки

146

гальванометра Т0, являющийся также важной характерис­ тикой гальванометра, равен

Основными характеристиками гальванометра являются их чувствительность к току S i и напряжению S v или ве­ личины, им обратные — постоянные гальванометра по току

Отсюда следует, что S i определяет собой отклонение под­ вижной части гальванометра при протекании единичного тока (1 мка) через рамку. Если учесть, что напряжение на рамке гальванометра Ur= I rRr, то чувствительность к на­ пряжению

На практике чувствительность гальванометра к напря­ жению часто характеризуют углом отклонения подвижной части, вызванного напряжением, равным единице (1 мкв) и приложенным к цепи, состоящей из Rг и сопротивления, равного внешнему критическому Ra.кр.

гальванометры, чувствительные к току, должны иметь боль­ шое критическое сопротивление Ruр, большой период Т0 и сравнительно малую чувствительность к напряжению [16— 18]

Гальванометры магнитоэлектрической системы с по­ движной катушкой могут применяться для измерений не только в цепях постоянного тока, но и для импульсов то­ ков — малых количеств электричества. В последнем случае считаем, что гальванометр работает в баллистическом ре­ жиме. Кратковременное протекание тока через рамку галь­

ванометра создает импульсный момент вращения, под влиянием которого рамка будет двигаться по инерции и после того, как прохождение тока прекратится. Указа­ тель гальванометра отклонится от нулевого положения на некоторый угол ctmax, а затем опять вернется в исходное по­ ложение. Можно показать, что если время импульса тока мало по сравнению с периодом Т0 гальванометра, то пер­ вый баллистический отброс ctmax будет пропорционален ко­ личеству электричества Q, т. е.

®max ~ Sб Q = ~ ,

Сб

где — баллистическая чувствительность.

Баллистический режим работы гальванометра использу­ ется для измерения электрических емкостей и при магнит­ ных измерениях.

§ 5.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия электромагнитных измерительных ме­ ханизмов основан на взаимодействии магнитного поля кон­ тура с током с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками. Контур с током обычно выполняют в виде плоской или круглой неподвижной катушки, намотанной медным проводом, а подвижный сердечник изготавливают из магнитомягких материалов (электротехническая сталь, пермаллой). В измерительных механизмах, изображенных на рис. 5.9, ток /из, протекающий по катушкам 1, создает

в виде стальной пластинки 2, жестко укрепленной на оси 3. При этом создается вращающий момент. Противодействую­ щий момент образуется пружинкой 4. В приборах с круг­ лой катушкой (рис. 5.9,6) вращающий момент создается в результате взаимодействия подвижной 2 и неподвижной 7 пластин, расположенных внутри катушки 1. При прохожде­ нии тока по обмотке катушки обе пластинки намагничи­ ваются и взаимодействуют друг с другом. Вследствие этого подвижная пластина 2 вместе с осью 3 и стрелкой 6 пово­ рачивается на некоторый угол а, закручивая противодей­ ствующую пружинку 4. Для быстрого успокоения движе­ ния подвижной части применяют воздушные успокоители 5.

В электромагнитных механизмах электромагнитная энергия контура с током преобразуется в механическую

148

энергию, под действием которой перемещается подвижная часть прибора. При протекании через катушку с индуктив­ ностью L постоянного тока /нз энергия магнитного поля равна

LI2

Wм— 2из »

Рис. 5.9. Электромагнитный измерительный механизм с катушками:

а — с плоской; б — с круглой

так как при перемещении ферромагнитного сердечника из­ меняется индуктивность катушки. Если катушку электро­ магнитного механизма питать переменным током іш, то

dL '2

мгновенное значение вращающего момента M (t) —-

2 da 1,3

Подвижная часть из-за своей инерционности не успевает следовать за изменением М (і) и реагирует на его среднее значение

149