12.4. Потребление энергии электроизмерительными приборами

Включение измерительного прибора в исследуемую электрическую цепь в некоторой степени изменяет ее режим работы. Это изменение вызывается тем, что работающий прибор потребляет определенную энергию. Поэтому при исследовании объектов малой мощности могут существенно исказиться результаты. Желательно, чтобы собственное потребление энергии измерительным прибором было возможно меньше.

Простейшим примером влияния собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты измерения служит косвенное измерение сопротивления резистора (при постоянном токе) при помощи вольтметра и амперметра с вычислением по закону Ома. Для такого измерения возможны две схемы включения приборов.

В схеме на рис. 12.2 амперметр изменяет ток I в резисторе с сопротивлением r, а вольтметр — напряжение U' = U + r_AI, где r_A — сопротивление амперметра; U — напряжение на резисторе. Следовательно, на основании закона Ома определяется сумма сопротивлений резистора и амперметра:

U'/I = r' = r + r_A.

Действительное значение сопротивления резистора

r = r'(1 – r_A/r').

Очевидно, что ошибка измерения будет тем меньше, чем меньше

сопротивление амперметра.

При измерении по схеме на рис. 12.3 вольтметр присоединен непосредственно к выводам резистора и показывает напряжение на резисторе, а амперметр измеряет сумму токов в резисторе и в цепи вольтметра: I' = I + I_V. Таким образом, в этом случае на основании показаний приборов определяется проводимость

g' = I'/U = g + g_V = 1/r + 1/r_V,

где r_V — сопротивление вольтметра.

Чтобы определить проводимость объекта измерения — резистора, нужно из найденной проводимости вычесть проводимость вольтметра:

g = g' – g_V = g'(1 – g_V/g'), т. е.

r = r'(1 – r'/r_V).

Чем больше сопротивление вольтметра r_V, тем меньше поправка к результатам измерения.

При переменном токе учет поправок осложняется тем, что сопротивления цепей переменного тока — комплексные величины.

Чем меньше мощности контролируемых цепей, тем существеннее влияние собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты измерений.

12.5. Механические узлы показывающих приборов

В показывающих измерительных приборах прямого отсчета подвижная часть под действием измеряемой величины перемещается по отношению к неподвижной. По конструкции отсчетного устройства различают показывающие приборы со стрелочным и световым указателями. Общей особенностью этих приборов является установка подвижной части на растяжках, на осях или на подвесе.

Установка на растяжках применяется в большинстве показывающих приборов. Растяжки — это упругие ленты из бериллиевой и оловянно-цинковой бронзы. Подвижная часть подвешивается на двух растяжках (рис. 12.4), а концы последних крепятся к двум плоским пружинам. Растяжки могут служить для подвода тока в подвижную часть прибора.

При установке подвижной части на оси последняя имеет обычно горизонтальное расположение (рис. 12.5) для уменьшения трения в опорах.

Установка на подвесе — металлической или кварцевой нити — применяется в приборах особо высокой чувствительности, например в зеркальных гальванометрах (рис. 12.6). Луч света 1 от специального источника 2 выполняет роль светового указателя.

Закручивание растяжек и нити подвеса в показывающих приборах обеспечивает противодействующий момент. В приборах с установкой подвижной части на осях для создания этого момента служат спиральные пружины (1 на рис. 12.5), изготовляемые из фосфорной бронзы.

Вследствие температурных влияний, остаточных деформаций, а чаще механических толчков при перегрузках стрелка неработающего прибора может находиться не на нулевом делении. Корректор необходим для возвращения стрелки на нуль шкалы. В случае применения пружины 1 (рис. 12.5) к корректору прикрепляется один ее конец. Второй конец пружины прикрепляется к оси 2 подвижной части. Стрелку 5 можно смешать посредством поводка 3, поворачивая винт 4, укрепленный на корпусе прибора. Для уравновешивания подвижной части прибора на ней укрепляют грузила — противовесы 6. Показания уравновешенного прибора почти не зависят от его положения.

Подвижная часть прибора вместе с пружиной образует обладающую массой и упругостью механическую систему, в которой, следовательно, возможны механические колебания. Поэтому при изменении измеряемой величины новое положение равновесия у подвижной части прибора получается не сразу, а в большинстве случаев после нескольких колебаний около нового положения равновесия. Для того чтобы подвижная часть возможно скорее устанавливалась в этом положении, у приборов есть успокоители. Последние нужны для поглощения кинетической энергии подвижной части. Для большинства стрелочных приборов время успокоения должно быть не более 4 с, причем временем успокоения считается время от момента включения прибора до момента, когда стрелка прибора отклоняется от положения равновесия не более чем на 1% шкалы.

Применяются магнитоиндукционные и воздушные успокоители.

Магнитоиндукционное успокоение основано на взаимодействии вихревых токов, индуктируемых в подвижной части при ее движении в магнитном поле постоянных магнитов, с этим полем. Алюминиевый сектор 1 (рис. 12.7, а), укрепленный на оси подвижной части, движется в поле нескольких постоянных магнитов 2, которые укреплены на опорной пластине 3. При движении сектора в нем возникают вихревые токи. Их взаимодействие с магнитным полем постоянных магнитов создает силу, которая (согласно принципу Ленца) тормозит подвижную часть.

В воздушных успокоителях для торможения используется разность давлений воздуха в закрытой камере по обе стороны легкого алюминиевого крыла, возникающая при его движении (рис. 12.7, б). Крыло укреплено на оси подвижной части прибора. Воздушные успокоители значительно слабее магнитоиндукционных; их приходится применять в тех случаях, когда наличие постоянного магнита внутри прибора может быть причиной дополнительных погрешностей в его показаниях.

В некоторых новых приборах установлены очень компактные жидкостные успокоители: в невысыхающей жидкости перемещается крыло, укрепленное на подвижной части прибора.