7. Расчет электрических параметров амперметров и вольтметров

Однопредельные амперметры и миллиамперметры (Рис. 16,а) имеют наиболее простую ИЦ, состоящую из одной рабочей катушки механизма, включаемой непосредственно в сеть. Разные пределы измерения по току в таких амперметрах получают изменением числа витков и сечения провода катушки при одинаковых ампер-витках. С увеличением номинального тока число витков уменьшается, а сечение провода обмотки увеличивается. При очень больших токах (200 - 300 А) рабочая катушка превращается в виток из медной шины. Для расширения пределов измерения амперметров переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

В многопредельных амперметрах, применяемых в качестве переносных приборов, рабочую катушку выполняют секционированной и с помощью переключателя получают различные схемы соединения секций катушки. Двухпредельные амперметры имеют две секции, включаемые последовательно или одну параллельно (Рис.16,б), а трехпредельные -четыре, включаемые последовательно, смешанно или параллельно (Рис.16,в). При этом если все секции выполнены с равными числами витков, отношение токов на разных пределах измерения будет 1:2:4. Для получения одной шкалы на всех пределах измерения намотку всех секций катушки необходимо производить одновременно несколькими проводами В однопредельных вольтметрах последовательно с рабочей катушкой включают добавочный резистор из манганина (Рис.16, г). Соотношение сопротивлений рабочей катушки r_к и добавочного резистора r_д определяется в основном температурной погрешностью или классом точности вольтметра.

е)

Рис. 16. Схемы измерительных цепей амперметров и вольтметров:

а - однопредельного амперметра; б - двухпредельного амперметра; в - трехпредельного амперметра; г - однопредельного вольтметра; д — вольтметра с терморезистором; е - многопредельного вольтметра

Например, для вольтметров класса точности 1,5r_д > Зr_к, а класса точности 0,5r_д > 10r_к. С уменьшением предела измерения вольтметра необходимо увеличить ток потребления, чтобы температурная погрешность не превысила допустимого значения.

Применение терморезисторов (термисторов) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления дает возможность одновременно снизить температурную погрешность и собственное потребление вольтметра. В схеме вольтметра с терморезистором (Рис.16, д) для получения температурной компенсации в широком интервале температур терморезистор r_т, шунтируют проволочным резистором r_ш из манганина и этим выпрямляют его температурную характеристику. Можно применять терморезисторы и для многопредельных переносных вольтметров класса 0,5.

Схема ИЦ многопредельного вольтметра показана на рис. 16,е. Пределы измерения по напряжению отличаются друг от друга значением сопротивления добавочного резистора. При этом ток потребления остается неизменным.

Схемы ИЦ амперметров и вольтметров рассчитывают на основе заданных ампер-витков и выбранных размеров рабочей (намагничивающей) катушки. Для наиболее распространенной круглой катушки основными размерами обмотки являются: d₀, D₀ и l₀ - внутренний и наружный диаметры и длина обмотки. В этом случае расчетными параметрами катушки будут: S₀ — площадь окна катушки; l_CP - средняя

длина витка и S_ОХЛ - поверхность охлаждения катушки, определяемые по формулам:

(13)

Расчет амперметров (по схеме рис. 4, а) выполняют в следующем порядке.

а) определяют число витков обмотки n и число витков на единицу площади окна катушки n по таким формулам:

(14)

где I_п - заданные ампер-витки рабочей катушки;

I - предел измерения амперметра.

б) Из таблицы проводов марок ПЭВ-1 и ПЭВ-2 (ГОСТ 7262 - 78) по ближайшему большому значению n' выбирают диаметр и площадь сечения провода q_тaб.

в) Рассчитывают сопротивление обмотки рабочей катушки r_к, выделяемую в обмотке мощностью Р_K и температуру перегрева обмотки О_к по известным формулам:

(15)

где р - удельное сопротивление меди;

k - коэффициент теплоотдачи [при расчетах принимают равным

Следует заметить, что расчет o_k по приведенной формуле является приближенным. Более точные значения o_k, удовлетворительно совпадающие с экспериментом, получаются, когда за Soхл принимается полная поверхность охлаждения обмотки (наружная, внутренняя и торцовые) и когда учитывается влияние экрана на катушке путем уменьшения k до (1,1 - 1,2)*10^-3 Вт/(см²*С) [для катушек без экрана k=1.5*10^-3 Вт/(см²*С)

Расчет вольтметра (по схеме рис.16, г) производят в другом порядке.

а) Определяют сечение провода обмотки рабочей катушки по формуле:

(16)

где U - заданный предел измерения вольтметра;

β₀- температурный коэффициент сопротивления материала обмотки рабочей катушки (для меди β ₀ = 4%/10 С);

β_W — термоупругий коэффициент материала пружинок или растяжек (для сплава ПлСр20 β _w = - 0,25%/10 С);

Y_t - допустимая температурная погрешность вольтметра;

б) Из таблицы проводов марок ПЭВ-1 и ПЭВ-2 по ближайшему большому значению q выбирают диаметр провода и величины q_ТАБ и п'.

в) Рассчитывают число витков рабочей катушки п, ток потребления и, сопротивление обмотки рабочей катушки r_к, полное сопротивление вольтметра r_В, сопротивление добавочного резистора r_Д, мощность Р, потребляемую вольтметром, мощность р_к, выделяемую в обмотке рабочей катушки, и температуру перегрева обмотки О_к по известным формулам:

(17)

где r_K (а также Р_K и О_K) определяются по формулам (15).