12.6. Системы показывающих приборов

Любой прибор непосредственного отсчета состоит из двух основных частей: измерительного механизма и измерительной цепи (измерительной схемы).

Назначение измерительного механизма — преобразование подводимой к нему электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя. Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину (напряжение, мощность, ток и т. д.) в пропорциональную ей величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Например, в вольтметре измерительная цепь состоит из катушки измерительного механизма и добавочного резистора. При постоянстве сопротивления измерительной цепи ток в измерительном механизме вольтметра пропорционален измеряемому напряжению.

Один и тот же измерительный механизм в соединении с различными измерительными цепями может служить для измерения различных

величин.

В зависимости от принципа действия измерительного механизма

различают несколько систем показывающих приборов, условные

изображения которых даны в табл. 12.2.

А. Магнитоэлектрическая система. В измерительных механизмах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается взаимодействием измеряемого постоянного тока в катушке механизма с полем постоянного магнита. Существуют два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом, причем первые применяются значительно чаще, чем вторые.

В магнитоэлектрическом механизме с подвижной катушкой (рис. 12.8) последняя установлена на опорах и может поворачиваться в воздушном зазоре магнитной цепи постоянного магнита 1.

Таблица 12.2. Условное обозначение принципа действия (системы) прибора

Условное обозначение

Наименование системы Обычный Логометрический и преобразователя измери- измерительный

тельный механизм механизм

Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой

Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом

Электромагнитный прибор Электромагнитный поляризованный прибор

Электродинамический прибор ферродинамический прибор

Индукционный прибор Электростатический прибор

Тепловой прибор (с нагреваемой проволокой)

==========================================

Магнитную цепь измерительного механизма образуют магнитопровод 2, полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 4, которые изготовляются из магнитно-мягкого материала.

Угол между направлениями вектора магнитной индукции В в воздушном зазоре и тока I в активной части проводников длиной l подвижной катушки равен 90°. Следовательно, на каждый из проводников действует электромагнитная сила

F = BIl, а на подвижную часть механизма — вращающий момент

M_вр = 2Fwd/2 = wlBId = wSBI = k_врI, (12.2) где d — диаметр каркаса катушки с числом витков w и площадью поперечного сечения S = Id; k — wSd — коэффициент пропорциональности.

Так как противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами, прямо пропорционален углу закручивания, т.е. M_пр = k_прa, то угол поворота катушки при равенстве моментов M_вр = M_вр прямо пропорционален измеряемому току:

I = k_прa/k_вр = C_прa,

где С_пр — постоянная прибора ("цена деления").

Постоянный магнит создает сильное магнитное поле в воздушном зазоре магнитной цепи прибора (0,2—0,3 Тл), и даже при малых значениях измеряемых токов можно получить достаточный вращающий момент. Поэтому магнитоэлектрические приборы весьма чувствительны, внешние магнитные поля мало влияют на их показания, и их собственное потребление энергии относительно мало. В частности, гальванометры в большинстве случаев изготовляются магнитоэлектрической системы. Высокая чувствительность прибора позволяет уменьшить плотность тока в токоведущих частях. Поэтому магнитоэлектрический прибор достаточно вынослив к перегрузкам. Этому способствует также линейная зависимость его вращающего момента от тока, а не квадратичная, характерная для большинства других систем приборов.

Для расширения пределов измерения приборы магнитоэлектрической системы; а также приборы других систем снабжают набором резисторов для делителей измеряемых величин. Резистор, включаемый последовательно с катушкой измерительного механизма, называется добавочным резистором; резистор, который включается параллельно с катушкой измерительного механизма или с ветвью, содержащей катушку и добавочный резистор, называется шунтом.

При изменении направления тока изменяется и направление вращающего момента. При переменном токе на подвижную часть прибора действуют быстро чередующиеся вращающие моменты противоположного направления. Их результирующее действие не изменит положения подвижной части прибора. Для измерения переменного тока магнитоэлектрический измерительный механизм должен быть соединен с тем или иным преобразователем. Преобразователем может быть, например, двухполупериодный выпрямитель (рис. 12.9).

Ток в магнитоэлектрическом измерительном механизме с такими преобразователями периодически пульсирует, и так как у подвижной части прибора значительная инерция, то ее отклонение пропорционально среднему за период значению вращающего момента:

Следовательно, прибор измеряет среднее значение тока в цепи. Для измерений в цепях переменного тока на идеале прибора указываются действующие значения. При синусоидальном токе действующее значение больше среднего в 1,11 раза [см. (2.16а) и (2.18а)].

Для измерения токов высокой частоты применяются термопреобразователи (рис. 12.10). Термопреобразователь обычно состоит из одной или нескольких термопар 1 и нагревателя 2, через который проходит измеряемый переменный ток. Можно считать ЭДС термопары пропорциональной разности температур между ее горячим и холодным концами, т.е. мощности нагревателя, которая пропорциональна квадрату действующего значения I переменного тока [см. (2.50)]. Поэтому и вращающий момент, действующий на подвижную часть измерительного механизма, пропорционален I², а следовательно, шкала прибора квадратичная.

Б. Электромагнитная система. В измерительных механизмах электромагнитной системы вращающий момент обусловлен действием магнитного поля измеряемого тока в неподвижной катушке прибора на подвижный ферромагнитный якорь. Механические силы в подобном устройстве стремятся переместить якорь так, чтобы энергия магнитного поля устройства стала возможно большей.

В механизме с плоской катушкой (рис. 12.11) якорь 1 втягивается в катушку 2 с измеряемым током. Для усиления магнитного поля и регулирования вращающего момента служит неподвижный сердечник 3. Противодействующий момент создается спиральной пружиной. Для защиты от внешних магнитных полей измерительный механизм со всех сторон закрыт ферромагнитным экраном 4 (на рис. 12.11 верхняя крышка экрана снята).

В общем случае вращающий момент, действующий на подвижную часть, равен производной энергии магнитного поля W_м = L (a)i²/2 по координате перемещения а [см. (7.16)]:

(12.3)

где L(а) и i — индуктивность и ток катушки.

Если ток катушки синусоидальный (i = I_msinwt), то равновесие подвижной части наступит при равенстве среднего за период вращающего момента и противодействующего момента пружины:

(12.4)

где I — действующее значение тока. Следовательно, действующее значение измеряемого тока

(12.5)

где C(a) — цена деления.

Аналогичную зависимость имеет электромагнитный механизм при измерении постоянного тока i = I.

Неравномерность шкалы — недостаток приборов электромагнитной системы.

Магнитное поле прибора возбуждается самим измеряемым током и относительно слабое, так как большая часть пути магнитного потока проходит в воздухе. По этой причине у измерительного механизма электромагнитной системы малая чувствительность. Из-за слабости собственного магнитною поля прибор приходится защищать от внешних магнитных влияний. Для этого применяются ферромагнитные эк раны (рис. 12.11) или же измерительные механизмы изготовляются астатическими.

Общий принцип астатического устройства измерительной системы заключается в следующем. Число катушек в механизме удваивается, причем обе катушки в равной мере участвуют в образовании вращающего момента, но их собственные магнитные поля имеют противоположные направления. Всякое внешнее однородное магнитное поле, усиливая магнитное поле одной катушки, на столько же ослабляет магнитное поле второй катушки. В результате внешнее магнитное поле не изменяет общий вращающий момент измерительного механизма.

Класс точности электромагнитных приборов обычно не выше 1,5, главным образом из-за влияния гистерезиса (остаточного намагничивания), что особенно сказывается при измерениях постоянного тока, и потерь энергии на перемагничивание при измерениях переменного тока (частотой не выше 1500 Гц).

Электромагнитный измерительный механизм обладает рядом ценных свойств. Неподвижную катушку с током легко выполнить с достаточным запасом сечения проводов на случай перегрузок. Приборы этой системы допускают большие перегрузки, дешевы и просты по устройству. Электромагнитными приборами измеряют преимущественно переменные напряжения и токи (невысоких частот). В промышленных установках переменного тока низкой частоты большинство амперметров и вольтметров — приборы электромагнитной системы.

В. Электродинамическая система. В электродинамических измерительных механизмах для создания вращающего момента используется взаимодействие двух катушек с токами.

Измерительный механизм этой системы состоит в основном из неподвижной 1 и.подвижной 2 катушек (рис. 12.12). Противодействующий момент создают специальные пружины 3, которые вместе с тем служат для подвода тока в подвижную катушку. Последняя под действием электромагнитных сил стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпадает с направлением поля неподвижной катушки (максимальная энергия суммарного магнитного поля).

Вращающий момент электродинамического измерительного механизма определяется так же, как электромагнитного механизма [см. (12.3)]:

(12.6)

где в выражении энергии магнитного поля по (2.80) от угла поворота а подвижной катушки зависит только составляющая M(a)i₁i₂, i₁ и i₂ — переменные (синусоидальные) токи подвижной и неподвижной катушек.

Так как в приборе две катушки, то можно существенно расширить область применения этого механизма. В зависимости от назначения прибора изменяется и характер его шкалы.

В вольтметре обе катушки с большими числами витков обычно соединяются последовательно между собой (рис. 12.13, а) и последовательно с добавочным резистором, сопротивление которого r_д.

Таким образом, в электродинамическом вольтметре

i₁ = i₂ = и/r_V,

где u — измеряемое напряжение; rV = r_к + r_д — общее сопротивление измерительной цепи вольтметра, равное сумме сопротивлений двух катушек r_к и добавочного резистора r_д.

Подставив выражения токов в (12.6) и выполнив преобразования, аналогичные (12.4) и (12.5), получим

где С_U(а) — цена деления; U — действующее значение напряжения. В электродинамических амперметрах на токи до 0,5 А подвижная и неподвижная катушки также соединяются последовательно. При большем значении измеряемого тока / подвижная и неподвижная катушки соединяются параллельно (рис. 12.13, б). В этом случае токи

i₁ = k₁i, i₂ = k₂i. Следовательно,

где С_I(а) — цена деления; I — действующее значение тока.

Электродинамические вольтметры и амперметры имеют неравномерную шкалу.

В ваттметре (рис. 12.13, в) ток в неподвижной катушке равен току в контролируемой установке (в сопротивлении нагрузки r_н), т.е. i₂ = i. К цепи подвижной катушки приложено напряжение этой установки, т. е. i₁ = u/r_V, где r_V — общее сопротивление цепи напряжения (параллельной цепи) ваттметра.

Подставив эти выражения в (12.6) и выполнив преобразования, подобные (12.4) и (12.5), получим

где C_P(a) — цена деления. Если цена деления изменяется мало от значения угла поворота подвижной катушки, то шкала электродинамического ваттметра близка к равномерной.

Электродинамические приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока, причем в обоих случаях шкала у приборов одна и та же.

В электродинамическом приборе измеряемые токи возбуждают относительно слабое магнитное поле в воздухе. Поэтому для получения достаточного вращающего момента нужны катушки измерительного механизма с большими числами витков и собственное потребление энергии прибором относительно велико. Из-за слабого магнитного поля прибор чувствителен к внешним магнитным влияниям; для защиты от этих влияний приборы имеют экраны. Так как условия охлаждения плохие (теплоотдача через слой воздуха), то электродинамические механизмы не допускают сколько-нибудь значительной перегрузки (в особенности амперметры). Наконец, приборы этой системы дорогие. Однако благодаря отсутствию в магнитном поле ферромагнитных сердечников — элементов с нелинейными свойствами — точность электродинамического прибора может быть высокой — класса 0,2 и даже 0,1.

Г. Индукционная система. Индукционная измерительная система основана на использовании вращающегося магнитного поля. Если синусоидальные токи в двух катушках, определенным образом ориентированных в пространстве, не совпадают по фазе, то в части пространства результирующее магнитное поле этих двух катушек будет вращающимся вокруг некоторой оси. Если на этой оси находится тело из материала с малым удельным сопротивлением, то в нем возникнут вихревые токи.

Взаимодействие вихревых токов с вращающимся магнитным "полем создает вращающий момент, под действием которого тело придет в движение.

В индукционном измерительном механизме вращающий момент создается воздействием результирующего магнитного поля двух электромагнитов переменного тока на подвижную часть — алюминиевый диск, в котором это поле индуктирует вихревые токи. Электромагниты возбуждаются измеряемыми неременными токами. Поэтому значение вращающего момента зависит от значений токов в обоих электромагнитах и угла сдвига фаз между ними. Это ценное свойство индукционного измерительного механизма положено в основу построения приборов для измерения мощности и энергии в цепях переменного тока.

Д. Другие системы. В измерительных механизмах приборов электростатической системы вращающий момент создается электростатическими силами взаимодействия заряженных электродов.

Среди приборов этой системы наиболее распространен вольтметр. Под действием измеряемого напряжения заряжаются системы подвижных 1 и неподвижных 2 пластин прибора (рис. 12.14). Возникающие при этом электростатические силы притяжения создают вращающий момент. Противодействующий момент создается пружиной.

Изменение полярности напряжения не влияет на направления действия вращающего момента; следовательно, электростатический вольтметр пригоден для измерения и постоянного, и переменного напряжений. В ряде случаев весьма существенным преимуществом прибора следует считать то, что он практически не потребляет энергии. Однако при небольших напряжениях вращающий момент весьма мал, приходится увеличивать число пластин и вместо установки на кернах подвешивать подвижную часть на нити.

Электростатические вольтметры применяются преимущественно в лабораториях для измерений в цепях малой мощности и при непосредственных измерениях высоких напряжений.

В приборах тепловой системы отклонение подвижной части получается вследствие удлинения металлической нити, нагреваемой измеряемым током. К достоинствам этих приборов относится независимость показаний от частоты и формы кривой переменного тока. Тепловые приборы неустойчивы к перегрузкам, неточны вследствие чувствительности к температурным влияниям, и их потребление энергии относительно велико. По всем этим причинам тепловые приборы применяются редко — лишь для измерения токов высокой частоты.

Прочие системы приборов применяются для измерения немногих величин (например, вибрационный принцип для измерения частоты).

12.7. ЛОГОМЕТРЫ

Отклонение подвижной части у большинства электроизмерительных механизмов зависит от значений токов в их катушках. По в тех случаях, когда механизм должен служить для измерения величины, не являющейся прямой функцией тока (сопротивления, индуктивности, емкости, сдвига фаз, частоты и т. д.), необходимо сделать результирующий вращающий момент зависящим от измеряемой величины и не зависящим от напряжения источника питания.

Для таких измерений применяют механизм, отклонение подвижной части которого определяется только отношением токов в двух его катушках и не зависит от их значений. Приборы, построенные по этому общему принципу, называются логометрами (по-гречески "логос" — отношение). Возможно построение логометрического механизма любой электроизмерительной системы с характерной особенностью — отсутствием механического противодействующего момента, создаваемого закручиванием пружин или растяжек.

В качестве примера рассмотрим работу магнитоэлектрического лого-метра с эллипсовидным сечением сердечника. Подвижная часть такого логометра состоит из двух катушек 1 и 2 (рис. 12.15, а), укрепленных на общей оси и жестко скрепленных между собой под некоторым углом. Токи в эти катушки подводятся через три мягкие серебряные спирали, не создающие при закручивании механического момента (одна из спиралей — общая для цепей токов обеих катушек). Если подвижная часть прибора достаточно хорошо уравновешена, то при отсутствии токов она находится в состоянии безразличного равновесия — стрелка указателя может быть на любом делении шкалы прибора.

Если в цепях обеих катушек есть постоянные токи I₁ и I₂, то на подвижную часть действуют в противоположных направлениях два вращающих момента, создаваемых взаимодействием поля постоянного магнита с индукциями B₁ и B₂ и токов в катушках [см. (12.2)]:

M_вр1 = w₁SB₁I₁; M_вр2 = w₂SB₂I₂, (12.7)

где w₁ и w₂ — числа витков катушек; S — их одинаковая площадь поперечного сечения.

Предположим, что M_вр1 > M_вр2. Под действием большего вращающего момента подвижная часть поворачивается. При этом первая катушка, на которую действует больший вращающий момент, перемещается в область слабого магнитного поля (с меньшим значением индукции B₁ из-за большего воздушного зазора). Одновременно вторая катушка, на которую действует меньший вращающий момент, перемещается в область более сильного магнитного ноля (воздушным зазор в магнитопроводе меньше). Таким образом, по мере поворота подвижной части больший вращающий момент убывает, а меньший возрастает. Следовательно, при некотором определенном положении подвижной части должно установиться равновесие моментов: M_вр1 = M_вр2.

На схеме (рис. 12.15, б) показано включение логометра для измерения сопротивлений. Здесь E — ЭДС источника; r₁ — постоянное сопротивление цепи первой катушки; r₂ — постоянная часть сопротивления цепи второй катушки; r — сопротивление измеряемого объекта, находящегося вне прибора. При токах в катушках

I₁ = E/r₁; I₂ = E/(r₁ + r_x)

и равенстве вращающих моментов из (12.7) имеем

w₁B₁/r₁ = w₂B₂/(r₁ + r_x), откуда

r_x = r₁(w₂/w₁)(B₂/B₁) – r₂.

Отношение B₂/B₁ зависит от конструкции магнитной цепи прибора и угла a — положения подвижной части. Следовательно, каждому значению измеряемого сопротивления r_x соответствует определенное положение подвижной части логометра, которое не зависит от ЭДС E.

В действительности на подвижную часть в состоянии равновесия действует некоторый механический момент из-за неполной уравновешенности подвижной части при закручивании токопроводящих спиралек. Вследствие наличия этого момента показания логометра зависят от ЭДС источника тем больше, чем меньше ЭДС.

Независимость положения подвижной части логометра от значения ЭДС используется в мегаомметрах. предназначенных для измерения больших сопротивлений (до 10¹⁴ Ом) при высоком напряжении (до 2500 В), например сопротивления изоляции. В качестве источника в мегаомметрах применяются небольшие магнитоэлектрические генераторы постоянного тока с ручным приводом.

В частотомерах катушки логометра заключаются в цепь синусоидального тока через выпрямители и элементы, сопротивления которых зависят от частоты.

В ряде случаев нежелательно безразличное положение подвижной части логометра, так как это может привести к ложному отсчету показания прибора при выключенном источнике питания. Чтобы предупредить подобный ложный отсчет, конструкцией логометра предусматривается отклонение стрелки за пределы шкалы, например действием небольшого механического момента, создаваемого неполной уравновешенностью подвижной части.