5. Магнитоэлектрические вольтметры

Для измерения в широком диапазоне напряжений по­стоянного тока магнитоэлектрический механизм применя­ют в сочетании с добавочным сопротивлением .

Если сопротивление механизма r₀, а ток полного откло­нения его подвижной части Iо, то величина добавочного сопротивления r_д, необходимого для измерения напряже­ния, будет определяться формулой :

I₀ = U / (r₀+r_д) = U / r_в

Добавочное сопротивление r_д^/ для другого напряжения U^/ = m U легко получить из условия

I₀= U/r_B= mU/(r_B+r_д^/)

Откуда

r_д^/=r_B(m – 1) (11)

Добавочные сопротивления большей частью изготовля­ют из манганинового провода, намотанного на круглые ка­тушки или плоские пластины из изоляционного материала (гетинакс, пластмасса, фарфор и др.). Конструкция доба­вочного сопротивления, его размеры и расположение долж­ны обеспечивать хороший отвод тепла, выделяющегося при протекании тока, с тем чтобы его сопротивление было по возможности постоянно, независимо от колебаний темпера­туры.

Аналогично шунтам добавочные сопротивления делают внутренние и наружные, однопредельные и многопредель­ные, индивидуальные и калиброванные. В магнитоэлектрических вольтметрах, собственное потребление которых невелико (ток полного отклонения 1—5 ма), добавочные сопротивления вплоть до 600 В делают внутренние—в щито­вых приборах обычно на один предел измерения, в перенос­ных—секционированные на разные пределы измерения. Пе­реключение пределов производится при помощи штепсель­ного или рычажного переключателя. На рис. 3 показана схема трехпредельного вольтметра.

Наружные добавочные сопротивления монтируют в спе­циальном корпусе с выведенными на панель зажимами от различных секций, соответствующих разным пределам из­мерения. Индивидуальные наружные сопротивления пред­назначаются для работы с определенным прибором и снаб­жаются надписью с указанием номера этого прибора.

Рис. 11. Схема трехпредельного вольтметра.

Калиброванные добавочные сопротивления могут при­меняться с любым прибором, ток полного отклонения ко­торого не превышает ток, на который рассчитано добавоч­ное сопротивление. Согласно ГОСТ 1845-59 калиброванные сопротивления делятся на те же шесть классов точности, что и шунты.

6. Общие свойства магнитоэлектрических приборов

Магнитоэлектрические приборы принадлежат к числу наиболее точных и чувствительных приборов. Это объясня­ется, с одной стороны, тем, что путем точной подгонки и тщательной сборки можно свести к минимуму погрешности самого механизма, а с другой — стабильностью элементов всей измерительной цепи прибора.

Промышленность выпускает переносные многопредель­ные амперметры и вольтметры классов 0,1; 0,2; 0,5 и 1, а щитовые — классов 1,5; 2,5 и 4.

Из внешних факторов основным источником погрешно­стей является влияние изменения температуры окружаю­щей среды, вследствие чего происходит изменение сопротивления измерительной цепи, упругих свойств спиральных пружин и магнитного потока постоянного магнита.

Изменение упругих свойств пружин и величины магнитного потока в большой мере компенсируют друг друга, изменение сопротивления рамки и цепи прибора имеет более серьезное значение и требу­ет более подробного рассмотрения.

Цепь вольтметра, как это было выше рассмотрено, со­стоит из последовательно соединенных сопротивлений рам­ки механизма r₀ из медного или алюминиевого провода с температурным коэффициентом +4% на 10° С и добавоч­ного сопротивления r_д из манганина, температурный ко­эффициент которого ничтожно мал. Поскольку величина добавочного сопротивления обычно во много раз превышает сопротивление рамки, общий температурный коэффициент цепи вольтметра будет значительно меньше температурно­го коэффициента меди или алюминия, и в целом темпера­турные влияния на вольтметр будут тем меньше, чем отно­сительно меньше сопротивление рамки по сравнению с до­бавочным. Следует отметить, что полностью избавиться от температурных влияний практически невозможно, так как изготовить обмотку рамки из материала с малым темпера­турным коэффициентом, например манганина, очень трудно вследствие большого удельного сопротивления (р =0,4— 0,5 0м*мм²/м) таких материалов. При прочих равных усло­виях для получения заданного вращающего момента недо­пустимо возрастают сечение провода обмотки рамки и ее габариты.

Нетрудно определить, в каком соотношении должны быть сопротивления добавочные и рамки, чтобы температурная погрешность не превышала заданного значения. Обозначим через β₀ температурный коэффициент материа­ла провода рамки, приведенный к 10° С — установленному ГОСТ перепаду температуры. Тогда при изменении темпе­ратуры на 10° С, пренебрегая температурным коэффициен­том манганина, получим, что ток в рамке будет равен:

I_t = U/(r₀(1+β₀)+r_д)

Относительная температурная погрешность равна:

γ_t= (I_t – I₀)/I₀= ((r₀+r_д)/ r₀(1+ β₀) + r_д ) – 1

или, пренебрегая в знаменателе приростом сопротивления, получим

γ_t= - β₀(r₀/(r₀ + r_д))

откуда

r_д/r₀ = (β₀/ γ_t) – 1 (12)

Например, для вольтметров класса 0,5 согласно ГОСТ допустимая температурная погрешность 1γ_t 1 =0,5%

Как прави­ло, в вольтметрах г_д делают во много раз больше, чем г₀, поэтому γ_t обычно бывает весьма малой величиной. Однако увеличение влечет за собой уменьшение тока в рамке г₀, поэтому предел такого увеличения определяется минимально допустимыми значениями Iо·

В амперметрах в простейшем случае (микроампермет­рах, миллиамперметрах) через рамку протекает весь изме­ряемый ток. Независимо от изменения сопротивления рамки прибор будет измерять именно тот ток, который проходит по его обмотке, и следовательно, при изменении температу­ры в этом случае погрешности не возникает. Сложнее дело обстоит в схемах амперметров с шунтами. Здесь измеряемый ток распределяется по двум ветвям: по об­мотке рамки, сопротивление которой зависит от темпера­туры, и по шунту, сопротивление которого от температуры не зависит. В результате с изменением температуры нач­нется перераспределение токов и появится температурная погрешность, для компенсации которой должны быть при­няты специальные меры.

Простейшим способом уменьшения температурной по­грешности милливольтметров с шунтами является включе­ние последовательно с рамкой некоторого компенсационно­го сопротивления r₁ из манганина, как показано на рис. 4,а.

В этом случае

1₀=1(r_ш/r₀+ r₁+r_ш)

При изменении температуры на 10° С изменяется сопро­тивление только рамки и, следовательно,

I_t = I (r_ш/ r₀ (1+β₀)+r₁+r_ш)

Нетрудно видеть, что в снижении температурной погрешно­сти основную роль играет r₁ поскольку r_ш очень мало.

Для приборов классов 1; 1,5; 2,5 отношение , находится примерно в пределах 3—0,5, что вполне допустимо, и в таких приборах компенсация по схеме рис. 4,а находит ши­рокое применение. В приборах класса 0,5 отношение должно быть не

менее 7, а в более точных прибо­рах значительно больше, что уже для. механизма является не­выгодным, так как в этом слу­чае примерно 85% падения на­пряжения на шунте падает на сопротивление r₁ и только 15% используется в механизме, что затрудняет получение достаточ­ного вращающего момента и ухудшает качество прибора. Поэтому в приборах высоких классов точности приходится прибегать к более сложной так называемой последовательно-параллельной схеме температурной компенсации (рис. 4,6).

Последовательную цель из рамки rо и сопротивления из манганина r₁ шунтируют медным или никелевым сопротив­лением r₂ и к разветвленной цепи добавляют сопротивле­ние из манганина r_3/ Вся цепь присоединяется к шунту r_ш..

При возрастании температуры полное сопротивление цепи прибора несколько возрастет (действуют положительные температурные коэффициенты сопротивлений r₀ и г₂), вследствие чего ток I₁ несколько уменьшается.

Однако со­противление ветви r₀+r₁ возрастает в меньшей степени, чем сопротивление r₂, так как температурный коэффициент ветви r₀+r₁ меньше температурного коэффициента ветви r₂. Ток I₁, хотя и несколько уменьшенный, распределяется теперь между двумя ветвями иначе, чем до повышения температуры, а именно в ветвь r₀+r₁ бу­дет поступать относительно большая часть, чем раньше. Подбором сопротивлений r_{1 ,} r₂ и r₃ можно добиться, что ток в рамке I₀ в довольно широком температурном диапа­зоне будет меняться очень незначительно, и таким пу­тем свести температурную погрешность до заданных зна­чений.

Рис.12 Схемы температурной компенсации

Описанная последовательно-параллельная схема темпе­ратурной компенсации позволяет значительно лучше ис­пользовать подводимую к прибору мощность и тем самым повысить его к. п. д. (примерно до 15--20%) по сравнению с простой последовательной схемой (η ~ 8-12%) при при­менении этой компенсации в милливольтметрах высоких классов точности (0,5; 0,2; 0,1), у которых допустимые зна­чения температурных погрешностей невелики. В приборах низких классов точности применение последовательно-па­раллельной схемы нецелесообразно, так как в этом случае почти никаких преимуществ она не дает.

В последние годы в простых последовательных схемах (рис. 4,a) в качестве сопротивления r₁ начинают нахо­дить применение полупроводниковые (например, силитовые или из смеси окиси меди и окиси марганца и др.) термосо­противления с большим отрицательным температурным ко­эффициентом. Применяемые, например, в электроизмери­тельных приборах термосопротивления типов ММТ-8 и ММТ-9 в виде силитовых шайб в герметическом корпусе имеют температурный коэффициент в пределах а= - 2,5 - -3,5% на 1°С. Использование таких термосопротивле­ний для снижения температурной погрешности выгодно в том отношении, что благодаря большому отрицательному температурному коэффициенту нужное уменьшение погрешности можно получить при значительно меньшем значении добавочного сопротивления, чем при проволочном сопро­тивлении из манганина. Отсюда следует, что при примене­нии термосопротивлений (в приборах низких классов точ­ности) увеличивается подводимая к механизму мощность и повышается его к. п. д.

Кроме описанных способов температурной компенсации, существует еще один способ, непосредственно воздействую­щий на механизм прибора,—так называемый способ тер­момагнитной компенсации. Этот способ заключается в том, что между полюсными наконечниками постоянного магнита устанавливают магнитный шунт, магнитная проницаемость которого уменьшается с повышением температуры. При этом в магнитный шунт будет ответвляться меньшая часть общего потока, чем до повышения температуры, и индук­ция в воздушном зазоре несколько возрастает. Путем под­бора определенного соотношения между магнитными по­токами в зазоре и в шунте можно добиться того, что умень­шение тока в рамке из-за повышения температуры будет компенсироваться увеличением индукции в зазоре, и вра­щающий момент прибора останется неизменным. Мате­риалами для термомагнитных шунтов служат особые спла­вы меди с никелем или стали с никелем. Описанный способ термокомпенсации довольно широко применяется в при­борах, выпускаемых авиационной промышленностью.

Влияние внешних магнитных полей на магнитоэлектри­ческие приборы невелико . Для устранения возмож­ной, хотя и незначительной, погрешности из-за влияния земного магнитного поля на корпус приборов высокой чув­ствительности иногда наносят стрелку с буквами N и S. При пользовании прибором его надо ставить в такое поло­жение, чтобы направление стрелки совпало с меридианом в данном месте. Собственное, довольно значительное, маг­нитное поле прибора в отдельных случаях может оказы­вать влияние на показания других, рядом расположенных приборов, поэтому магнитоэлектрические приборы следует размещать на расстояниях не менее 20 см друг от друга.

Собственное потребление магнитоэлектрических вольт­метров обычно характеризуют сопротивлением на 1 В номи­нального напряжения. Собственное потребление будет тем меньше, чем больше полное сопротивление вольтметра, од­нако изготовление больших добавочных сопротивлений из манганина значительно удорожает стоимость всего прибоpa, поэтому у щитовых вольтметров низких классов точно­сти сопротивление на 1 в номинального напряжения берут сравнительно небольшим, порядка 100—300 ом. У перенос­ных многопредельных вольтметров—порядка 1 000 ом и вы­ше, что соответствует мощности потребления порядка 1—0,1 вт на 100 в номинального напряжения. У ампермет­ров собственное потребление зависит от падения напряже­ния на шунте — обычно в пределах 30—150 мв— и от но­минального тока шунта. В амперметрах до 5 А по­требление мощности со­ставляет 0,2-0,5 вт.

Подводя итоги об­щей оценки магнитоэлек­трических приборов, не­обходимо отметить их многочисленные положи­тельные качества: точ­ность, чувствительность, большой вращающий мо­мент, большой коэффици­ент добротности, малое собственное потребление энергии, незначительное влияние внешних магнитных полей и температуры, равномерность шкалы, возможность использования шунтов и добавочных со­противлений для измерений токов и напряжений в весь­ма широком диапазоне.

Рис.13 Щитовой магнитоэлектрический вольтметр М362

К недостаткам приборов следует отнести непригод­ность для переменного тока, чувствительность к пере­грузкам и сравнительно вы­сокую стоимость. Промыш­ленность выпускает много разных типов щитовых при­боров большого и малого габаритов с внешним магнитом и с внутрирамочным магнитом

На рис.13 показан внешний вид вольтметра типа Μ-362 завода ЗИП класса 1,5 с внутрирамочным магнитом. Приборы этого типа выпускаются в качестве вольтметров с пределами от 3 до 600 в, а с наружным добавочным со­противлением— до 3 кв, и в качестве амперметров на токи от 1 до 50 α и с наружными шунтами на токи до 6 ка. Га­бариты прибора 160Х160Х X 100 мм.

В качестве малогабаритно­го прибора (63X63X60 мм) на рис. 6 показан вольт­амперметр типа М5 класса 2,5 Витебского завода элек­троприборов. Эти приборы могут работать вольтметром или амперметром и рассчи­тываются на один предел измерения по напряжению и на один предел по току, например 50 В и 50 а. При­боры снабжаются индиви­дуальным добавочным со­противлением и шунтом. Не­которые из этих приборов рассчитаны также на работу с калиброванными шунтами 75 мв и добавочными сопро­тивлениями на ток 5 ма.

Рис. 14 Магнитоэлектрический вольт – амперметр М5

Примером современного переносного многопредель­ного прибора может служить вольт-амперметр типа М108класса 0,2со стрелочным отсчетом (завод «Вибратор»). При­бор имеет пределы измерения по току 0,75; 1,5; 3; 7,5; 15и 30 α и по напряжению ,045; 0,075; 3; 15; 75; 150 и 300 В.На рис.15 — его принципиальная схема. Для пределов изме­рения 45 и 75 мв предусмотрены отдельные зажимы, при­чем подключение к этим зажимам следует выполнять при помощи специальных калиброванных проводов, которые должны иметь строго определенное сопротивление. Поэтому на приборе указаны только внутренние падения напряже­ния (44,84 мв и 74,86 мв) без учета падения напряжения ^в проводах. Переключение других пределов измерения про­изводится при помощи рычажного переключателя.

Рис. 15 Схема вольт – амперметра М108

Ток пол­ного отклонения при включении вольтметром от 4,5 до 3 мА. падение напряжения на зажимах при включении ампер­метром от 84 до 230 мв. Для расширения пределов измере­ния сверх указанных выше могут быть использованы шун­ты на 45 или 75 мв и добавочные сопротивления на ток 3 мА.