2.2. Меры единиц электрических величин

Меры ЭДС. В качестве мер ЭДС, как образцовых, так и рабочих, применяются нормальные элементы раз­личных классов точности. Нормальные элементы пред­ставляют собой специальные гальванические элементы, ЭДС которых точно известна. Различают нормальные элементы с насыщенным и ненасыщенным раствором сер­нокислого кадмия. У элементов с насыщенным раство­ром ЭДС значительно стабильнее, чем у элементов с не­насыщенным раствором. Преимущество элементов с не­насыщенным раствором заключается в меньшем внут­реннем сопротивлении (около 300 Ом) и в очень малом температурном коэффициенте.

Насыщенный нормальный элемент состоит из запаян­ного стеклянного сосуда Н-образной формы, в нижние концы которого впаяны платиновые проводники (рис. 2.1). Положительным электродом 1 служит ртуть, за­полняющая нижнюю часть одной ветви сосуда, отрица­тельным электродом 5 — амальгама кадмия, располо­женная в нижней части другой ветви сосуда. Над ртутью расположен слой пасты 2 из смеси сернокислой ртути (Hg₂S0₄) и сернокислого кадмия (CdS04). Паста явля­

ется деполяризатором. Электролитом 4 служит насы­щенный раствор сернокислого кадмия. Насыщение рас­твора обеспечивается кристаллами сернокислого кадмия 3, помещенными поверх электродов.

Насыщенные нормальные элементы бывают трех классов точности: 0,001; 0,002 и 0,005. Значения ЭДС для этих элементов норми­руются ГОСТ 1954-75. На­пример, для элементов клас­са точности 0,005 при темпе­ратуре 20° С ЭДС должна находиться в пределах

185. 1,0187 В, а ее изме­нение за год не должно пре­восходить 50 мкВ. Пропус­кать через элемент ток бо­лее 1 мкА недопустимо. За­висимость ЭДС насыщенных элементов от температуры известна и при отклонении ее от 20° С должна учиты­ваться.

Ненасыщенные элементы имеют класс точности 0,02, а их ЭДС лежит в пределах

186. 1,0194 В при допустимом ее изменении за год не более чем на 200 мкВ.

Рис. 2.1. Нормальный элемент.

Нормальные элементы нельзя трясти и опрокиды­вать, они должны быть защищены от действия сильных источников света и теплоты. Хранить их необходимо при возможно более постоянной температуре.

33

Меры электрического сопротивления. Образцовые ^I и рабочие меры электрического сопротивления выполня­ются в виде катушек сопротивления. Номинальное со­противление образцовой катушки должно удовлетворять условию R = 10™ Ом, где п — целое число. Минимальное сопротивление катушки равно 10~^I Ом, максимальное — 10¹⁰ Ом.

Образцовые катушки сопротивления изготовляются из манганиновой проволоки или ленты. Манганин — это сплав Си (84%), № (4%) и Мп (12%). Он обладает малым температурным коэффициентом сопротивления (Ю^-5 1/°С), большим удельным сопротивлением (0,45 мОм-м) и малой термо-ЭДС при контакте с медью (2 мкВ на 1°С).

Образцовым катушкам сопротивления согласно ГОСТ 23737-79 присваивается один из следующих классов точ­ности: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 и 0,2. Число, определяющее класс точности катушки, обо­значает наибольшую допустимую относительную погреш­ность, выраженную в процентах.

На рис. 2.2 показано устройство образцовой катуш­ки. На металлический или фарфоровый каркас 1 нама-

Рис. 2.2. Образцовая катуш- Рис 2 4. Эквивалентная электри­ка сопротивления. ческая схема катушки сопротивле­ния.

тывается обмотка 2 из манганиновой проволоки, концы которой припаиваются к зажимам 3 и 4. Каркас катуш­ки крепится к корпусу с отверстиями для лучшего ох­лаждения обмотки. В некоторых конструкциях каркас заполняется трансформаторным маслом, что повышает

влагостойкость изоляции и улучшает условия теплоотда­чи обмотки.

Катушки снабжаются четырьмя зажимами, два из которых называются токовыми (зажимы 4) и предна­значены для включения образцовой катушки в цепь то­ка, два других называются потенциальными (зажимы 3). Потенциальные зажимы предназначены для измере­ния падения напряжения на сопротивлении катушки (рис. 2.3).

Образцовые катушки должны иметь возможно мень­шие собственные емкость и индуктивность. В первом приближении эквивалентную схему катушек сопротивле­ния можно представить в виде схемы на рис. 2.4.

Степень безреактивности катушки обычно характе­ризуется постоянной времени, под которой понимается величина

(2.1)

о>

т — LJR₀ — С₀ R_t

где L₀ — индуктивность; Со — распределенная емкость катушки.

Чем меньше постоянная времени т, тем лучше ка­тушка.

Из (2.1) следует, что у катушек с относительно ма­лым сопротивлением постоянная времени определяется преимущественно индуктивностью, а у катушек с боль­шим сопротивлением — емкостью.

3*

35

Для уменьшения постоянной времени катушек при­меняются специальные виды намотки. Индуктивность

Рис. 2.5. Схема бифилярной на­мотки.

очень мала, когда намотка бифилярная и когда провод­ник намотан на тонкую изоляционную пластину. При би- филярной намотке проводник складывается вдвое, обе стороны получившейся длинной петли плотно прикла­дываются друг к другу, и такой сдвоенный провод на­матывается на каркас (рис. 2.5). В результате токи, про­текающие по двум соседним проводникам, направлены встречно и их суммарное магнитное поле практически равно нулю. Однако бифилярная обмотка, состоящая из

значительного числа витков, обладает заметной собст­венной распределенной емкостью. Для уменьшения ем­кости бифилярной обмотки ее разделяют на ряд секций. Благодаря последовательному соединению емкостей от­дельных секций общая емкость обмотки снижается.

Снижение индуктивности обмотки, выполненной на тонких пластинах, происходит за счет малой площади се­чения витков.

Наборы различных катушек сопротивлений, смонти­рованных в одном корпусе, называются магазинами со­противлений. Катушки сопротивлений, используемые в магазинах, по конструкции проще образцовых катушек и поэтому уступают им по точности. Специальные пере­ключатели позволяют набирать из имеющихся в магази­не катушек различные значения сопротивлений.

В зависимости от конструкции переключающего уст­ройства различают магазины сопротивлений с втычными и рычажными контактами. В магазине с втычными кон-

Юм 2 0м 30м 40м

Рис 2 6 Схема устройства магазина сопротивлений с втычными кон­тактами.

тактами (рис. 2.6) каждую катушку можно закоротить, вставив соответствующий контакт. На рис. 2.6 стрелка­ми указан путь тока, когда подобрано сопротивление, равное 2+4=6 Ом (два втычных контакта вынуты). Ка­тушки в штепсельном магазине соединяются группами, значения сопротивлений катушек в группе находятся в отношении 1:2:3:4. Каждая следующая группа из че­тырех катушек имеет сопротивление в 10 раз больше предыдущей. При таком наборе требуется наименьшее количество катушек для получения заданного сопротив­ления. Например, магазин сопротивлений, состоящий из шести групп катушек, позволяет получить сопротивле­ния от 0,1 до 111 110 Ом через 0,1 Ом. При работе с ма­газином с втычными контактами следует учитывать, что действительное значение включенного сопротивления бу­дет больше номинального на сумму контактных сопро­тивлений всех вставленных контактов.

Рычажные магазины состоят из набора катушек, при­соединенных к контактам, по которым скользят шетки, жестко скрепленные с рычагами (рис. 2.7). Значение введенного суммарного сопротивления отсчитывается не­посредственно по положению рычагов. Рычажные мага­зины выполняются обычно как декадные. Каждая дека-

Рпс. 2.7. Схема устройства рычажного магазина сопротивлений.

да имеет девять одинаковых катушек. Катушки следую­щей декады имеют сопротивление, в 10 раз больше со­противления предыдущей декады. При положениях ры­чагов, изображенных на рис. 2.7, в магазине набрано сопротивление 274 Ом.

В паспортах магазинов сопротивлений обычно ука­зываются допустимые погрешности магазина, допусти­мый ток, нагрузка в ваттах на катушку и частотный ди­апазон.

Магазины сопротивлений могут служить не только мерами, но и реостатами для регулирования тока и на­пряжения.

Меры индуктивности и взаимной индуктивности.

Образцовые и рабочие меры индуктивности и взаимной индуктивности представляют собой катушки индуктивно­сти и взаимной индуктивности. Катушки должны сохра­нять постоянство индуктивности с течением времени и обладать малым активным сопротивлением, независимо­стью индуктивности от значения тока и возможно малой зависимостью цндуктивности от частоты и температуры.

Образцовые катушки индуктивности (рис. 2.8) пред­ставляют собой пластмассовый или фарфоровый каркас с наложенной на него обмоткой из медной изолирован­ной проволоки. Использование каркаса из немагнитного

материала исключает зависимость индуктивности от то­ка в катушке. Для уменьшения влияния внешних маг­нитных полей катушки экранируют. Образцовые катуш­ки индуктивности изготовляют с пятью номинальными значениями: 1; 0,1; 0,01; 0,001 и 0,0001 Г.

Образцовые катушки взаимной индуктивности отли­чаются от катушек индуктивности наличием двух обмо­ток, жестко укрепленных на общем каркасе.

Рис. 2.8. Образцовая катушка индуктивности.

Катушки индуктивности и взаимной индуктивности предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10 кГц.

В качестве образцовых и рабочих мер переменной индуктивности и взаимной индуктивности служат варио­метры. Вариометр состоит из двух катушек, одна из ко­торых подвижная. Она может перемещаться относитель­но неподвижной катушки. Путем изменения взаимного расположения катушек можно плавно изменять значение индуктивности или взаимной индуктивности. Точность вариометров ниже точности образцовых катушек индук­тивности.

Наборы различных катушек индуктивностей, смонти­рованных в одном корпусе, называются магазином ин­дуктивностей. Иногда в состав магазина индуктивностей входит также вариометр.

По принципу выполнения декад и внешнему оформ­лению магазины индуктивностей аналогичны магазинам сопротивлений. У большинства магазинов при изменении индуктивности общее активное сопротивление магазина остается неизменным. Для этого в магазине предусмот­рены катушки сопротивления, замещающие активное со­противление выключаемых катушек индуктивности.

Меры емкости. Образцовые и рабочие меры емкости представляют собой конденсаторы постоянной или пере­менной емкости. К ним предъявляются следующие ос­новные требования: минимальная зависимость емкости от времени, температуры л частоты; малые потери в ди­

электрике, характеризуемые тангенсом угла потерь; вы­сокое сопротивление и прочность изоляции.

В наибольшей степени этим требованиям отвечают воздушные конденсаторы. Они выпускаются как постоян­ной, так и переменной емкости. Однако из-за низкой диэлектрической проницаемости воздуха воздушные кон­денсаторы имеют большие габариты даже при малом значении емкости, поэтому образцовые конденсаторы по­стоянной емкости с воздушным диэлектриком имеют ем­кость не более 0,01 мкФ. Максимальная емкость воз­душных конденсаторов переменной емкости обычно не превышает 1100 пФ.

В образцовых конденсаторах с большим значением емкости в качестве диэлектрика используется слюда. Слюдяные конденсаторы имеют худшие электрические параметры, чем воздушные, в частности больший тан­генс угла диэлектрических потерь, но позволяют полу­чить значительные емкости (до 1 мкФ) при небольших габаритах. Они состоят из тонких металлических пла­стин со слюдяными прослойками.

Слюдяные конденсаторы выпускаются в виде как от­дельных мер с постоянным значением емкости, так и ма­газинов емкостей. Магазины емкостей состоят из отдель­ных конденсаторов постоянной емкости. В отличие от магазинов сопротивлений, где отдельные резисторы сое­диняются последовательно, в магазинах емкостей для получения суммарной емкости нескольких конденсаторов их соединяют между собой параллельно.

В настоящее время широко применяются магазины, состоящие из двух блоков, например магазин емкостей типа Р5025. Первый блок этого магазина имеет три де­кады со ступенчатым изменением емкости от 0,001 до 1,111 мкФ (переключатели рычажные) и одну декаду с плавным изменением емкости от 0,0001 до 0,001 мкФ. Второй блок имеет две декады со ступенчатым измене­нием емкости от 1,0 до 110 мкФ (втычные контакты). Наибольшее значение емкости магазина составляет 111,111 мкФ. Магазин типа Р5025 предназначен для ра­боты в диапазоне частот от 40 Гц до 30 кГц. Погреш­ность первого блока не превышает 0,1% второго — 0,5%.