4.1.5. Измерительные цепи приборов

Характер измерительных цепей магнитоэлектрических приборов определяется родом измеряемой величины, пределами измерений и необходимостью компенсации температурной погрешности.

Наиболее специфичной является третья причина, поэтому, рассматривая измерительные цепи магнитоэлектрических приборов, ограничимся только некоторыми схемами температурной компенсации.

При отклонении температуры от градуировочной (для определённости рассматриваем случай повышения температуры) уменьшаются магнитная индукция в рабочем зазоре и удельный противодействующий момент и увеличивается электрическое сопротивление обмотки рамки и упругих элементов (пружинок и растяжек).

Две первые причины взаимно компенсируют друг друга, так как одна из них вызывает уменьшение, а другая – увеличение показаний и количественно эти эффекты приблизительно равны. Таким образом, основное внимание следует уделять компенсации температурной погрешности, вызванной изменением электрического сопротивления. Эту погрешность можно уменьшить, включая последовательно с температурно-зависимым сопротивлением r_t добавочное сопротивление r_д из материала, электрическое сопротивление которого практически не зависит от температуры. Результирующий температурный коэффициент такой цепи

, (4.31)

где _t – температурный коэффициент сопротивления материала резистора.

Из выражения видно, что чем больше может быть соотношение r_д / r_t, тем меньше  и, следовательно, тем меньше температурная погрешность _t . Так, для вольтметров на пределы измерения больше 3 – 5в несложно уменьшить _t до значений, соответствующих классу точности 0,2 и даже 0,1. Однако для милливольтметров, к которым можно отнести и амперметры с шунтом, этот способ компенсации неэффективен, прежде всего, потому, что связан с увеличением собственного потребления, т.е. С уменьшением чувствительности прибора.

Для милливольтметров основными схемами температурной компенсации являются последовательно-параллельная схема и схема с термосопротивлением.

4.1.6. Последовательно-параллельная схема

температурной компенсации милливольтметров

Электрическая цепь измерительного механизма (рис.4.6) состоит из сопротивления обмотки и последовательно с ним включённого сопротивления упругих элементов (пружинок или растяжек).

Температурные коэффициенты рис.4.6 электрического сопротивления материалов обмотки и упругих элементов, как правило, различны.

Рис.4.6. Последовательно-параллельная схема температурной

компенсации милливольтметра

При расчете сопротивление упругих элементов разбивают на две части: “медную”, имеющую температурный коэффициент такой же, как и материал обмотки, выполняемой обычно из меди, и “манганиновую” – с нулевым температурным коэффициентом. Соотношение между этими сопротивлениями рассчитывают так, чтобы при их последовательном включении результирующий температурный коэффициент соответствовал реальному коэффициенту материала упругих элементов. На схеме обозначены.

r₀ – сумма сопротивлений обмотки и “медной” части упругих элементов ( = ₀);

r₁ – сумма “манганиновой” части сопротивления упругих элементов и добавочного сопротивления из манганина ( = 0);

r₃ – сопротивление шунта, выполняемого обычно из меди или никеля ( ).

Задача расчета схемы состоит в таком выборе сопротивлений r₀, r₁, r₂, r₃, при котором наилучшим образом обеспечивается температурная компенсация.

Температурную погрешность можно представить следующим образом

,(4.32)

Где I₀ – ток в цепи им при температуре градуировки t₀;

I_0t – ток в цепи им при температуре t = t₀ +  ;

. (4.33)

Из выражения видно, что состоит из двух составляющих: линейно зависящей от  и квадратично зависящей от . Расчеты показывают, что вторая составляющая намного меньше первой и в большинстве случаев ею можно пренебречь. Тогда _t = 0, если выполняется условие

. (4.34)

. (4.35)

Принимая это обозначение, вместо него можно написать

, (4.36)

Т.е. для компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы добавочное сопротивление было меньше суммы этого добавочного сопротивления и сопротивления шунта r₃ во столько раз, во сколько температурный коэффициент цепи рамки меньше температурного сопротивления шунта.

Условие, при котором выполняется требование _t = 0, не содержит температуру перегрева , т.е. Справедливо для любого диапазона изменения температур. Такой вывод имеет место в результате принятого допущения (исключением из рассмотрения зависимости _t от составляющей, содержащей  ²). Учёт этой зависимости показывает, что в действительности для заданного диапазона изменения температуры  требование _t = 0 можно выполнить только для двух температур внутри этого диапазона.

Из требования _t = 0 имеем одно условие, выражаемое уравнением для расчета схемы, но так как неизвестных четыре (r₀, r₁, r₂, r₃), то требуется выбрать еще три. Такими условиями могут быть, например: а) получение максимального падения напряжения на рамке, б) задание общего входного сопротивления прибора, в) получение максимальных ампер-витков в рамке, что соответствует наибольшему вращающему моменту.

Требованию u_0max соответствует уравнение

, (4.37)

Которое выполняется при

. (4.38)

Входное сопротивление

. (4.39)

Выполнение условия (i₀ n)_max производят в такой последовательности: находят ток через обмотку; определяют сопротивление обмотки r_обм, вычитая из сопротивления r₀ сопротивления “медной части” упругих элементов (~0,2 Ом); по формуле полученной из условия обеспечения максимального коэффициента добротности для милливольтметров, подсчитывают число витков обмотки n и определяют ампер-витки обмотки рамки как i₀n.

Аналитически уравнения, определяющие выбранные условия, совместно не решаются, поэтому для расчета схемы можно воспользоваться методом подбора или вспомогательными графиками, номограммами и т.п.

Рис. 4.7. Схема температурной компенсации с терморезистором

Рассмотренная схема обладает высокой стабильностью, технологичностью и позволяет обеспечить требуемую температурную компенсацию для приборов самых высоких классов точности. Однако она имеет и существенный недостаток – большое собственное потребление, возрастающее с повышением требований к температурной компенсации. Полезная используемая мощность для этой схемы составляет примерно 10% от мощности, подводимой к прибору. От этого недостатка свободна схема с полупроводниковым терморезистором (рис.4.7).

Однако ввиду недостаточно высокой воспроизводимости свойств и пониженной стабильности схемы с терморезисторами применяют в приборах классов точности 1,5; 2,5. (не выше чем класс 0,5). Применяют другие схемы и методы термокомпенсации – мостовые схемы, термомагнитные шунты и т.д.