3.2. Классификация приборов для измерения тока и напряжения

В соответствии с общей классификацией (см. § 2.1) приборы для измерения силы тока образуют подгруппу А — амперметры. Внутри этой подгруппы выделяют амперметры постоянного тока (А2), переменного тока (A3), универсальные (А7) и преобразователи тока (А9).

Амперметры, как правило, проектируются на базе электромеханических приборов, которые по принципу своей работы позволяют измерять постоянные и переменные токи низкой частоты. На них распространяются требования ГОСТ 8711—78, который, в частности, устанавливает следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4 и 5. Дополнение электромеханических приборов преобразователями переменного тока в постоянный позволяет значительно расширить их возможности и использовать для измерения тока на радиочастотах.

Гораздо более обширна классификация приборов для измерения напряжения — вольтметров, образующих очень распространенную подгруппу В. Среди приборов этой подгруппы выделяются вольтметры постоянного тока (В2), переменного тока (ВЗ), импульсного тока (В4), фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7), измерители отношения, разности и нестабильности напряжений (В8), а также преобразователи напряжений (В9).

Вольтметры постоянного и переменного тока низкой частоты также могут проектироваться на базе электромеханических приборов по ГОСТ 8711—78. Однако, как правило, вольтметры — это представители электронных измерительных приборов в аналоговом или цифровом вариантах. На электронные аналоговые вольтметры распространяются требования ГОСТ 9781—78. В частности, вольтметры видов ВЗ...В7 дополнительно классифицируются по измеряемому параметру напряжения на вольтметры амплитудного (пиковые), среднеквадратического и средневыпрямленного напряжения. Они могут иметь классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4; 5; 6; 10; 15 и 25.

3.3. Измерение тока и напряжения электромеханическими приборами

Электромеханические приборы, как отмечалось в § 3.2, применяются для измерения постоянных и переменных токов и напряжений низкой частоты. Кроме того, такие приборы (особенно магнитоэлектрические) используются в качестве ИУ электронных аналоговых приборов и очень часто встраиваются в различные радиотехнические устройства. Рассмотрим более подробно принцип работы и основные разновидности электромеханических приборов.

3.3.1. Общие сведения об электромеханических приборах

Электромеханические приборы являются типичным примером измерительных приборов прямого преобразования, в которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части относительно неподвижной. Чаще всего это перемещение является угловым, поэтому в дальнейшем будут рассматриваться не силы, действующие в приборе, а моменты сил. Структурная схема электромеханического прибора соответствует типовой схеме, представленной на рис. 2.1, и содержит в общем случае, как показано на рис. 3.1, измерительный преобразователь(ИП),измерительный механизм(ИМ) и отсчетное устройство (ОУ).

Рис.3.1. Структурная схема электромеханического прибора прямого преобразования

Измерительный преобразователь в соответствии со своим назначением (см. § 2.1) преобразует измеряемую величину X в некоторую промежуточную величину У, которая может непосредственно воздействовать на ИМ. Кроме того, ИП может дополнятьсяфункциональными элементами, позволяющими расширять пределы измерения, улучшать метрологические характеристики прибора (например, путем компенсации температурной погрешности) и т. п. В таких случаях ИП преобразуется в измерительную цепь. Поскольку на ИМ воздействуют ток или напряжение, то амперметры и вольтметры могут вообще не иметь ИП (но остальные элементы цепи будут присутствовать). Ограничиваясь рассмотрением электромеханических амперметров и вольтметров постоянного и переменного тока низкой частоты, будем полагать Y=X.

Измерительный механизм является основной частью прибора и состоит из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение. Именно здесь электромагнитная энергия превращается в механическую энергию углового перемещения подвижной части отсчетного устройства, представляющего собой сочетание указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы прибора. Указатель может быть стрелочным или световым. На шкалу наносится совокупность отметок, часть из которых снабжается числами отсчета или другими символами, соответствующими ряду последовательных значений X.

Подвижная часть ИМ поворачивается под действием вращающего момента МВ, определяемого в соответствии с общим уравнением динамики системы как скорость изменения энергии электромагнитного поля W, сосредоточенной в ИМ, по углу поворота а подвижной части

. (3.6)

Если бы на подвижную часть ИМ воздействовал только МВ, то она поворачивалась бы до упора при любом значении X. Поэтому в каждом ИМ создается противодействующий момент МП, пропорциональный α и противоположный по направлению МВ. По способу создания МП все электромеханические приборы подразделяются на две группы:

1) приборы с механическим Мп, который создается с помощью упругих элементов (спиральные пружины или нити в виде растяжек и подвесов), закручиваемых при повороте подвижной части, причем

, (3.7)

где kП — удельный противодействующиймомент, определяемый упругими свойствами пружин или нитей;

2) приборы с электрическим МП — логометры, в которых МПсоздается тем же путем, что и МВ (подробнее о логометрах см. §3.5.5).

При равенстве МВ=МП наступает равновесие подвижной части и производится отсчет по шкале прибора. Зная аналитические выражения для МВ и МП, можно найти в общем случае зависимость

Α=ƒ(X,A1,A2,…,An) , (3.8)

где А1, А2, ..., An — параметры прибора. Выражение (3.8) является основным уравнением, характеризующим свойства прибора, и называется градуированной характеристикой или уравнением шкалы прибора.

В процессе измерений подвижная часть ИМ требует некоторого времени для своего успокоения. За счет довольно значительного момента инерции она, как правило, совершает колебания около положения равновесия — переходный колебательный процесс. Для сведения этого эффекта к минимуму применяют специальные устройства-успокоители, а момент, создаваемый ими, называют моментом успокоения. Момент успокоения МУ всегда направлен навстречу движению и пропорционален угловой скорости отклонения:

, (3.9)

где kУ — коэффициент успокоения (демпфирования).

В электромеханических приборах чаще всего применяют воздушные и магнитоиндукционные успокоители (иногда используются и жидкостные успокоители с большим значением kУ). Воздушный успокоитель представляет собой камеру, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршень), жестко связанное с подвижной частью ИМ. За счет соответствующего перемещения воздуха из одной части камеры в другую создается эффект торможения. Магнитоиндукционный успокоитель состоит из постоянного (тормозного) магнита и алюминиевого диска, жестко связанного с подвижной частью ИМ и свободно перемещающегося в поле этого магнита. Успокоение создается в результате взаимодействия магнитных полей магнита и вихревых токов, индуцированных в диске при его перемещении. Вместо диска может использоваться короткозамкнутый виток.

Способ создания МВ или, другими словами, способ преобразования электромагнитной энергии в механическую является, как указывалось в § 2.1, основным классификационным признаком, по которому электромеханические приборы подразделяют на магнитоэлектрические, электродинамические, электромагнитные, электростатические и индукционные. Для измерения тока и напряже­ния применяют приборы первых четырех видов, которые мы дальше и рассмотрим. Каждый вид имеет по аналогии с электронными приборами буквенное обозначение (магнитоэлектрические — М, электродинамические — Д, электромагнитные — Э и электростатические— С), а также условное обозначение. Это обозначение наносится на каждый прибор, согласно ГОСТ 23217—78, совместно с информацией о роде тока, количестве ИМ, единицах измерения, классе точности, нормальном положении прибора, испытательном напряжении и т. п.