Волковой М.С. Метрология

81

Опоры состоят из кернов и подпятников. Керны представляют собой отрезки стальной проволоки, заточенные с одной стороны на конус. Подпятники имеют вид цилиндра с коническим углублением по оси. Они чаще всего изготовляются из агата или корунда. Керны, укрепленные на подвижной части по оси вращения, входят в углубления подпятников, расположенные на неподвижной части. Недостаток установки на опорах – трение, которое вызывает погрешность.

Рис. 2.3. Способы крепления подвижной части прибора: а – с помощью опор; б – на растяжках; в – на подвесе; 1 – корпус; 2 – винт; 3 – подпятник; 4 – керн; 5 – ось, 6 – растяжка; 7 – пружина; 8 – рамка; 9 – подвес; 10 – зеркало

Подвижная часть может быть подвешена на двух растяжках, представляющих собой упругие металлические ленты, прикрепляемые одним концом к подвижной части, а другим – к неподвижным деталям прибора. В случае необходимости растяжки могут быть использованы и для подвода тока в обмотку подвижной части.

Подвешивание подвижной части на подвесе применяется в приборах высокой чувствительности – гальванометрах. Подвес – тонкая, упругая лента. Приборы, в которых применен подвес, требуют установки по уровню, поскольку подвижная часть висит свободно и отклонение положения прибора от вертикального может вызвать ее касание с неподвижной частью.

Необходимая степень успокоения (требуемое время успокоения) достигается в приборах путем применения устройств, называемых успокоителями. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители (рис. 2.4).

Магнитоиндукционное успокоение создается при движении металлических деталей подвижной части в магнитном поле. Момент успокоения возникает в результате взаимодействия магнитных полей и наводимых токов, возникающих в движущихся металлических деталях. Магнитоиндукционный успокоитель (см. рис. 2.4,а) состоит из постоянного магнита

82

и перемещающейся в его рабочем зазоре металлической пластины (из алюминия), укрепленной на подвижной части. Роль успокоителя может играть также короткозамкнутый виток подвижной части, перемещающийся в поле магнита.

Рис. 2.4. Конструкции успокоителей: а – магнитоиндукционного; б – жидкостного; в – воздушного; 1 – постоянный магнит; 2 – алюминиевая пластина; 3 – корпус; 4 – подвижная часть механизма; 5 – вязкая жидкость; 6 – камера; 7 – пластина

Жидкостное успокоение достигается тем, что подвижная часть измерительного механизма или ее отдельные детали помещаются в вязкую жидкость (см. рис. 2.4,б). Поэтому при колебаниях подвижной части расходуется энергия колебаний подвижной части, т.е. создается необходимое успокоение.

Воздушный успокоитель (см. рис. 2.4,в) состоит из камеры и находящейся внутри нее пластины, скрепленной с подвижной частью. При колебаниях подвижной части в камере создается разность давлений по обе стороны пластины. Эта разность давлений препятствует свободному перемещению подвижной части и вызывает ее успокоение.

Для установки указателя на требуемую отметку в электромеханических приборах применяют устройство, называемое корректором. Корректор содержит винт, укрепленный на корпусе прибора, поворачивая который, можно закручивать пружинки, растяжки или подвес и тем самым поворачивать подвижную часть прибора и устанавливать указатель на требуемую отметку.

Наибольшее распространение получили электроизмерительные приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической и индукционной систем.

2.3.2. Магнитоэлектрические приборы

Принцип работы магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает электрический ток.

Конструкция измерительного прибора показана на рис. 2.5.

83

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка (рамка), намотанная тонким изолированным медным проводом на алюминиевом каркасе. Рамка имеет возможность вращаться, для чего она снабжена полуосями. Спиральные пружинки предназначены для создания противодействующего момента, одновременно они используются для подачи тока в рамку.

5

Рис. 2.5. Устройство прибора магнитоэлектрической системы: 1 – постоянный магнит; 2 – полюсные наконечники; 3 – неподвижный сердечник; 4 – рамка; 5 – полуоси; 6 – спиральные пружинки; 7 – стрелка;

8 – балансировочные грузики

В результате взаимодействия тока, протекающего через катушку, с магнитным полем на катушку действует вращающий момент

Мвр = ВпsI,

где В – индукция магнитного поля; п – число витков катушки; s – площадь катушки; I – величина тока.

Кроме вращающего момента на подвижную систему прибора действует противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами:

Мпр = W ,

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от упругости пружины; – угол поворота рамки.

Подвижная система прибора поворачивается до тех пор, пока не будет выполнено условие Мвр = Мпр. При этом угол отклонения стрелки определяется выражением

84

Bns I.

W

Из полученного выражения следует, что угол отклонения стрелки пропорционален току, т.е. шкала прибора равномерна. Направление отклонения стрелки зависит от полярности, т.е. прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь, по которой протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение стрелки будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов. В цепи с током синусоидальной формы вследствие инерционности подвижной системы показания будут равны нулю при частоте переменного тока выше 10 Гц. При частотах ниже 10 Гц стрелка будет совершать колебательные движения относительно нулевого положения.

Достоинства магнитоэлектрических приборов:

–равномерная шкала;

–высокая чувствительность (до 3 10–11 А);

–высокая точность (до класса 0,05);

–малое потребление мощности от измеряемой цепи (10–5–10–6 Вт);

–защищенность от влияния внешних электрических и магнитных

полей.

Недостатки магнитоэлектрических приборов:

–сравнительная сложность конструкции;

–недопустимость даже кратковременных перегрузок (теряют упругость, деформируются и перегорают токопроводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

Агальванометров для измерений в цепях посто-

прибора Rр и подбирается так, чтобы при измерении основная часть измеряемого тока проходила через шунт, а ток, протекающий через рамку при-

85

бора, не превышал тока полного отклонения. Сопротивление шунта Rш определяется из условия

IиRр IшRш I[RрRш /(Rр Rш )] const.

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления п = I / Iи, то его сопротивление Rш = Rи/(п – 1). Обычно Rш = 10–2 … 10–4 Ом.

Шунты обычно изготавливают из манганина, обладающего малым температурным коэффициентом сопротивления.

В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты помещают в корпус прибора, а для измерения больших токов (до 7 500 А)

ток полного отклонения равен I, то величина сопротивления Rд может быть найдена из выражений:

где Rр – сопротивление рамки; Rд – сопротивление добавочного резистора; п – коэффициент расширения предела измерения вольтметра, п = U / Uв.

Добавочные резисторы изготавливают из манганинового провода. Они могут быть внутренними (до 600 В) и наружными (до 1 500 В).

Гальванометры. Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используют в качестве нуль-индикато-

86

ров, фиксирующих отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится в середине шкалы.

Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому гальванометры не градуируются в единицах измеряемой величины и им не присваиваются классы точности.

2.3.3. Электромагнитные приборы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из конструкций электромагнитного механизма представлена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Устройство прибора электромагнитной системы: 1 – катушка; 2 – ферромагнитный сердечник; 3 – спиральная пружина

Ферромагнитный сердечник в форме флажка закреплен на одной оси со стрелкой. При протекании тока через катушку сердечник втягивается внутрь катушки, возникает вращающий момент

Mвр 1 I2 L ,

2

где I – действующее значение тока; L – индуктивность катушки; – угол поворота подвижной части.

Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

87

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получим

1 L I2 ,

2W

где W – удельный противодействующий момент, создаваемый пружиной. Угол отклонения стрелки пропорционален квадрату тока, поэтому

шкала прибора неравномерная: она сжата в начале и растянута в конце. На практике шкалу прибора приближают к равномерной на некотором участке (25–100 %) путем подбора формы сердечника.

Поскольку является функцией I2, знак угла поворота не зависит от направления тока в катушке и электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерения как в цепях постоянного, так и переменного тока.

Достоинства электромагнитных приборов:

–простота и надежность;

–высокая перегрузочная способность;

–одинаковая пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного токов.

Недостатки электромагнитных приборов:

–большое собственное потребление энергии;

–невысокая точность;

–низкая чувствительность;

–влияние внешних магнитных полей.

Электромагнитные приборы применяют как измерители тока и напряжения преимущественно в цепях переменного тока промышленной частоты в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5.

Электромагнитные амперметры. Катушку амперметра изготавли-

вают из достаточно толстого медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока. Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 100 мА до 500 А. Для расширения пределов измерения переменного тока применяют измерительные трансформаторы тока.

Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков и включается последовательно в разрыв цепи. Вторичная обмотка с большим числом витков соединяется с амперметром, рассчитанным на ток

5 A (рис. 2.9).

Измерительный ток определяют путем умножения показаний амперметра на коэффициент трансформации тока KI:

Ix I1 I2KI .

Электромагнитные вольтметры. Катушку вольтметра изготавли-

вают из тонкого медного провода, она имеет большое число витков.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В. С добавочными резисторами они используются для измерения напряжения до 750 В. Для измерения более высоких напряжений применяют измерительные трансформаторы напряжения (рис. 2.10). Измеряемое напряжение определяют посредством умножения показаний вольтметра на коэффициент трансформации KU:

Ux U1 U2KU .

2.3.4. Электродинамические приборы

Принцип действия прибора электродинамической системы заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи (рис. 2.11).

0

1

2

I1

Рис. 2.11. Устройство прибора электродинамической системы: 1 – подвижная катушка; 2 – неподвижная катушка, состоящая из двух частей; 3 – спиральная пружина

Бескаркасная подвижная катушка закреплена на оси, ток к ней подводится через спиральные пружинки, создающие противодействующий момент. Успокоение обеспечивается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

89

При протекании тока в катушках создается вращающий момент, поворачивающий подвижную часть. Величина вращающего момента определяется выражением

Mвр M1,2 I1I2 ,

где М1,2 – взаимная индуктивность между катушками; – угол поворота; I1 – ток в неподвижной катушке; I2 – ток в подвижной катушке.

Под действием вращающего момента подвижная катушка стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпало бы с направлением магнитного поля неподвижной катушки. При этом она будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий и противодействующий моменты не сравняются. Угол отклонения подвижной части механизма

1 M1,2 I1I2 .

W

При некоторых определенных соотношениях размеров подвижной и неподвижной катушек можно получить М1,2 / = const в пределах рабочей части шкалы. Тогда угол отклонения стрелки прибора будет пропорционален произведению токов в катушках.

Если через катушки пропустить переменные синусоидальные токи, то уравнение примет следующий вид:

где – угол сдвига фаз между токами. Достоинства электродинамических приборов:

–возможность перемножать измеряемые величины, что важно при измерении мощности;

–малая погрешность;

–возможность использовать в цепях постоянного и переменного токов;

–возможность использовать в качестве ваттметров.

Недостатки:

–низкая чувствительность:

–значительное потребление мощности;

–сложность конструкции;

–влияние внешнего магнитного поля.