Электрические измерения

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

12.1 ЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: ток, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т. д. Определение значений этих величин необходимо для оценки работы всех электротехнических устройств, чем и определяется исключительная важность измерений в электротехнике.
Электроизмерительные устройства широко применяются и для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и т. д.), которые для этой цели преобразуются в пропорциональные им. электрические величины. Такие методы измерений известны под общим названием электрических измерений неэлектрических величин. Применение электрических методов измерений дает возможность относительно просто передавать показания приборов на дальние расстояния (телеизмерение), управлять машинами и аппаратами (автоматическое регулирование), выполнять автоматически математические операции над измеряемыми величинами, просто записывать (например, на ленту) ход контролируемых процессов и т. д. Таким образом, электрические измерения необходимы при автоматизации самых различных производственных процессов.
В Советском Союзе развитие электроприборостроения идет параллельно с развитием электрификации страны и особенно быстро после Великой Отечественной войны. Высокое качество аппаратуры и необходимая точность измерительных приборов, находящихся в эксплуатации, гарантируются государственным надзором за всеми мерами и измерительными приборами.

12.2 МЕРЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерение любой физической величины заключается в ее сравнении посредством физического эксперимента с принятым за единицу значением соответствующей физической величины. В общем случае для такого сопоставления измеряемой величины с мерой вещественным воспроизведением единицы измерения нужен прибор сравнения. Например, образцовая катушка сопротивления применяется как мера сопротивления совместно с прибором сравнения измерительным мостом.
Измерение существенно упрощается, если есть прибор непосредственного отсчета (называемый также показывающим прибором), показывающий численное значение измеряемой величины непосредственно на шкале или циферблате. Примерами могут служить амперметр, вольтметр, ваттметр, счетчик электрической энергии. При измерении таким прибором мера (например, образцовая катушка сопротивления) не нужна, но мера была нужна при градуировании шкалы этого прибора. Как правило, у приборов сравнения выше точность и чувствительность, но измерение приборами непосредственного отсчета проще, быстрее и дешевле.
В зависимости от того, как получаются результаты измерения, различают измерения прямые, косвенные и совокупные.
Если результат измерения непосредственно дает искомое значение исследуемой величины, то такое измерение принадлежит к числу прямых, например измерение тока амперметром.
Если измеряемую величину приходится определять на основании прямых измерений других физических величин, с которыми измеряемая величина связана определенной зависимостью, то измерение относится к косвенным. Например, косвенным будет измерение, сопротивления элемента электрической цепи при измерении напряжения вольтметром и тока амперметром.
Следует иметь в виду, что при косвенном измерении возможно существенное снижение точности по сравнению с точностью при прямом измерении из-за сложения погрешностей прямых измерений величин, входящих в расчетные уравнения.
В ряде случаев конечный результат измерения выводился из результатов нескольких групп прямых или косвенных измерений отдельных величин, причем исследуемая величина зависит от измеренных величин. Такое измерение называют совокупным. Например, к совокупным измерениям относится определение температурного коэффициента электрического сопротивления материала на основании измерения сопротивления материала при различных температурах. Совокупные измерения характерны для лабораторных исследований.
В зависимости от способа применения приборов и мер принято различать следующие основные методы измерения: непосредственного измерения, нулевой и дифференциальный.
При пользовании методом непосредственного измерения (или непосредственного отсчета) измеряемая величина определяется путем
непосредственного отсчета показания измерительного прибора или непосредственного сравнения с мерой данной физической величины (измерение тока амперметром, измерение длины метром). В этом случае верхним пределом точности измерения является точность измерительного показывающего прибора, которая не может быть очень высокой.
При измерении нулевым методом образцовая (известная) величина (или эффект ее действия) регулируется и значение ее доводится до равенства со значением измеряемой величины (или эффектом ее действия). При помощи измерительного прибора в этом случае лишь добиваются равенства. Прибор должен быть высокой чувствительности, и он именуется нулевым прибором или нуль-индикатором. В качестве нулевых приборов при постоянном токе обычно применяются магнитоэлектрические гальванометры (см. § 12.7), а при переменном токе электронные нуль-индикаторы. Точность измерения нулевым методом очень высока и в основном определяется точностью образцовых мер и чувствительностью нулевых приборов. Среди нулевых методов электрических измерений важнейшими являются мостовые и компенсационные.
Еще большая точность может быть достигнута при дифференциальных методах измерения. В этих случаях измеряемая величина уравновешивается известной величиной, но до полного равновесия измерительная цепь не доводится, а путем прямого отсчета измеряется разность измеряемой и известной величин. Дифференциальные методы применяются для сравнения двух величин, значения которых мало отличаются один от другого.

12.3 ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ И КЛАССЫ ТОЧНОСТИ

Точность измерения характеризуется его возможными погрешностями. Эти погрешности при каждом конкретном измерении не должны превышать некоторого определенного значения. В зависимости от способа числового выражения различают погрешности абсолютные и относительные, а применительно к показывающим приборам еще и приведенные.
Абсолютная погрешность
·А это разность между измеренным Лиз и действительным А значениями измеряемой величины:

·А = Аиз-А.
Например, амперметр показывает Аиз = 9 А, а действительное значение тока А = 8,9 А, следовательно,
·А =0,1 А.
Чтобы определить действительное значение величины, нужно к измеренному значению прибавить поправку абсолютную погрешность, взятую с обратным знаком.
Точность измерения оценивается обычно не абсолютной, а относительной погрешностью выраженным в процентах отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой . величины:

·о = (
·А/А)·100%

а так как разница между А и Aиз обычно относительно мала, то практически в большинстве случаев можно считать, что у = = (
·A/Aиз)·100 %
Для приведенного примера измерения тока относительная погрешность у0= (0,1/9)·100 % = 1,11 %.
Однако оценивать по относительной погрешности точность самых распространенных показывающих приборов со стрелочным указателем неудобно. Дело в том, что абсолютная погрешность
·А у них имеет обычно один и тот же порядок вдоль всей шкалы. При постоянной абсолютной погрешности
·А с уменьшением измеряемой величины Аиз быстро растет относительная погрешность (рис. 12.1). Поэтому рекомендуется выбирать пределы измерения показывающего прибора так, чтобы отсчитывать показания в пределах второй половины шкалы, ближе к ее концу.
Для оценки точности самих показывающих измерительных приборов служит их приведенная погрешность. Так называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности показания
·А к А ном номинальному значению, соответствующему наибольшему показанию прибора:
упр = (А/Аном)·100о/0. (12.1)
Если в рассмотренном примере предел измерения амперметра A ном = 10 А, то приведенная погрешность упр = (0,1/10)-100 % = 1 %
Погрешности прибора обусловливаются недостатками самого прибора и внешними влияниями. Приведенная погрешность, зависящая лишь от самого прибора, называется основной погрешностью. Нормальные рабочие условия это температура окружающей среды 20 °С (или та, которая обозначена на шкале прибора), нормальное рабочее положение прибора (указанное условным знаком на его шкале), отсутствие вблизи прибора ферромагнитных масс и внешних магнитных полей (кроме земного) и прочие нормальные условия (номинальные: напряжение, частота тока, синусоидальная форма кривой тока и т. д.).
Допускаемая основная погрешность электроизмерительного прибора определяет его класс точности. Обозначением класса точности служит допускаемая основная погрешность приборов, принадлежащих к этому классу: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Принадлежность прибора к определенному классу указывает, что основная погрешность прибора на всех делениях шкалы не превышает значения, определяемого классом точности этого прибора (например, у прибора класса 1 допускаемая основная погрешность 1 %). Отклонение внешних условий от нормальных вызывает дополнительные погрешности.
В зависимости от чувствительности к внешним магнитным или электрическим полям электроизмерительные приборы делятся на две категории: I приборы менее чувствительные и II приборы
более чувствительные.
Для правильного применения электроизмерительного прибора важны его технические особенности. Эти особенности указываются на шкале прибора условными обозначениями, приведенными в табл. 12.1. 12.4. ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ
Включение измерительного прибора в исследуемую электрическую цепь неизбежно в некоторой степени изменяет ее режим работы. Это изменение вызывается по существу тем, что работающий прибор потребляет некоторую энергию. Поэтому при исследовании объектов малой мощности могут существенно исказиться результаты. Желательно, чтобы собственное потребление энергии измерительным прибором было возможно меньше.
Простейшим примером влияния собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты, измерения может служить измерение сопротивления резистора (при постоянном токе) при помощи вольтметра и амперметра с вычислением по закону Ома. Для такого измерения возможны две схемы включения приборов (рис. 12.2), причем в обоих случаях для точного измерения сопротивления резистора необходимо учесть влияние собственного потребления энергии приборами.


Таблица 12.1. Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов


Прибор трехфазного тока для неравномерной нагрузки фаз

Прибор трехфазного тока с двухэлементным измерительным механизмом

Защита от внешних магнитных полей, например 2 мТл

Защита от внешних электрических полей, например 10 кВ/м

Класс точности при нормировании погрешности в процентах от диапазона измерения, например 1,5
То же при нормировании погрешности в процентах от длины шкалы, например 1,5
Горизонтальное положение шкалы

Вертикальное положение шкалы
Наклонное положение шкалы под определенным углом к горизонту, например 60°

Направление ориентировки прибора в земном магнитном поле

Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением, например 2 кВ

Прибор испытанию прочности изоляции не подлежит

Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу не соответствует нормам (знак выполняется красного цвета)



В схеме рис. 12.2, а амперметр измеряет ток / в резисторе с сопротивлением г, а вольтметр измеряет напряжение U' = U + rАI, где rА сопротивление амперметра, т. е. напряжение, равное сумме напряжения U на резисторе и напряжения между выводами амперметра. Следовательно, на основании закона Ома определяется сумма сопротивлений резистора и амперметра:
U'/I = r' = r+rA
Действительное значение сопротивления резистора
r = r'(1-rA/r').
Очевидно, что ошибка измерения будет тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра.
При измерении по схеме рис. 12.2, б вольтметр присоединен непосредственно к выводам резистора и показывает напряжение U на резисторе, а амперметр измеряет сумму токов в резисторе и в цепи вольтметра: I' = I + Iv Таким образом, в этом случае на основании показаний приборов определяется проводимость
где rv сопротивление вольтметра.
Чтобы определить проводимость объекта измерения резистора, нужно из найденной проводимости вычесть проводимость вольтметра:

т. е.

Чем больше сопротивление вольтметра rv, тем меньше поправка к результатам измерения.
При измерении мощности ваттметром также неизбежно влияние
его собственного потребления энергии на результаты измерения. Две основные схемы такого измерения (рис. 12.3) соответствуют двум вышеприведенным схемам измерения сопротивления: в первом случае погрешность вызвана сопротивлением цепи тока ваттметра rА, во втором случае собственным потреблением энергии цепи напряжения ваттметра.
В схеме рис. 12.3, а ваттметр измеряет кроме мощности Р в сопротивлении нагрузки еще и мощность потерь в сопротивлении собственной цепи тока, т. е.
Риз = Р + rАI2
Если мощность измеряется по схеме рис. 12.3, б, то ваттметр измеряет кроме мощности в сопротивлении нагрузки еще и мощность потерь в своей цепи напряжения, т. е.
Pиз = P + gvU2
При переменном токе учет поправок осложняется тем, что сопротивления цепей переменного тока величины комплексные.
Чем меньше мощности контролируемых цепей, тем существеннее влияние собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты измерений. В частности, эти влияния обычно значительны в цепях управления автоматики и в цепях электронных устройств.

12.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ УЗЛЫ ПОКАЗЫВАЮЩИХ ПРИБОРОВ

В показывающих измерительных приборах прямого отсчета подвижная часть под действием измеряемой величины перемещается по отношению к неподвижной. По конструкции отсчетного устройства
различают показывающие приборы со стрелочным и со световым указателями. Общей особенностью этих приборов является установка подвижной части на растяжках, на осях или на подвесе.
Установка на растяжках применяется в большинстве изготовляемых в настоящее время показывающих приборов. Растяжки это упругие ленты из бериллиевой и оловянно-цинковой бронзы. Подвижная часть подвешивается на двух растяжках (рис. 12.4), а концы последних крепятся к двум плоским пружинам. Растяжки могут служить для подвода тока в подвижную часть прибора, а их закручивание создает противодействующий момент.
Установка на опорах в недалеком прошлом применялась почти во всех показывающих измерительных приборах прямого отсчета. Подвижная часть при такой установке укрепляется на оси (рис. 12.5), обычно легкой алюминиевой трубке. В концы последней запрессовываются опоры прибора два отрезка стальной проволоки, называемые кернами. Керны устанавливаются в конических кратерах подпятников. Кратеры выточены в полудрагоценных камнях (синтетический агат, корунд и др.), которые завальцовываются в опорные винты. Последние позволяют плавно регулировать положение камня по отношению к керну. При вертикальном положении оси трение значительно меньше, чем при горизонтальном. По этой причине у большинства приборов высших классов точности рабочее положение шкалы горизонтальное, которому соответствует вертикальная ось. Недостатком установки на опорах (по сравнению с установкой на растяжках) является трение в подпятниках; из-за него увеличивается в несколько раз собственное потребление энергии прибором и возникает дополнительная погрешность показаний, возрастающая по мере износа кернов.
Установка на подвесе металлической или кварцевой нити (рис. 12.6) применяется в приборах особо высокой чувствительности, например в гальванометрах. У приборов с такой установкой должен быть уровнемер, так как при подвесе положение подвижной части по отношению к неподвижной зависит от положения прибора. Световой указатель применяется в большинстве приборов высокой чувствительности стрелку заменяет луч света от специального источника. Внутри прибора помещается лампа 1 (рис. 12.7). Ее луч света проходит через фокусирующую линзу 2 и диафрагму 3, а затем направляется на зеркальце 4, укрепленное на подвижной части. Отразившись от этого зеркальца, а затем от неподвижных зеркал 5 и 6, луч света образует световую круглую метку на шкале, начало, и конец которой соответствуют положениям 7 и 8. Так увеличивается длина пути луча, и следовательно, повышается чувствительность прибора.
Применение многократного отражения луча внутри прибора дает возможность в ряде случаев заменить зеркальный гальванометр с подвижной частью на подвесе (см. рис. 12.6) и отдельными осветителем и шкалой (прибор, требующий тщательно выполненной постоянной установки) переносным прибором со световым указателем. Но применение светового указателя требует специального питания для лампы осветителя и существенно усложняет внутреннее устройство прибора. Закручивание растяжек и нити подвеса в показывающих приборах используется для получения противодействующего момента. В приборах с установкой подвижной части на осях для создания этого момента служат спиральные пружины (1 на рис. 12.8), изготовляемые из фосфорной бронзы.
Противодействующий момент должен иметь направление, противоположное направлению вращающего момента, чтобы отклонение подвижной части было однозначной функцией измеряемой величины. При отсутствии противодействующего момента стрелка указателя прибора при любом значении вращающего момента уходила бы за край шкалы.
Вследствие температурных влияний, остаточных деформаций, а чаще всего вследствие механических толчков при перегрузках стрелка неработающего прибора может находиться не на нулевом делении. Корректор служит для возвращения стрелки на нуль шкалы, воздействуя на положение точек крепления растяжек или нити подвеса. В случае применения пружины 1 (рис. 12.8) к корректору прикрепляется один ее конец. Второй конец пружины прикрепляется к оси 2 подвижной части. Стрелку 5 можно смещать посредством поводка 3, поворачивая винт 4, укрепленный на корпусе прибора. Для уравновешивания подвижной части прибора на ней укрепляют грузила противовесы 6. Показания уравновешенного прибора почти не зависят от его положения.

12.6. УСПОКОИТЕЛИ

Подвижная часть прибора вместе с пружиной образует обладающую массой и упругостью механическую систему, в которой, следовательно, возможны механические колебания. Поэтому при изменении измеряемой величины новое положение равновесия у подвижной части прибора получается не сразу, а в большинстве случаев после нескольких колебаний около нового положения равновесия. Для того чтобы подвижная часть возможно скорее устанавливалась в этом положении, у приборов есть успокоители. Последние нужны для поглощения кинетической энергии подвижной части. Для большинства стрелочных приборов время успокоения должно быть не более 4 с, причем временем успокоения считается время от момента включения прибора до момента, когда стрелка прибора отклоняется от положения равновесия не более чем на 1 % шкалы.
В настоящее время в широко распространенных приборах применяются магнитоиндукционные и воздушные успокоители.
Магнитоиндукционные успокоители основаны на взаимодействии вихревых токов, индуктируемых в подвижной части при ее движении в магнитном поле постоянных магнитов, с этим полем. Алюминиевый сектор 1 (рис. 12.9, а), укрепленный на оси подвижной части, движется в поле нескольких постоянных магнитов 2, которые укреплены на опорной пластине 3. При движении сектора в нем возникают вихревые токи. Их взаимодействие с магнитным полем постоянных магнитов создает силу, которая (согласно принципу Ленца) тормозит подвижную часть.
В воздушных успокоителях для торможения используется разность давлении воздуха в закрытой камере по обе стороны легкого алюминиевого крыла, возникающая при его движении (рис .12 9% Крыло укреплено на оси подвижной части прибора Воздушные успокоители значительно слабее магнитоиндукциых их приходится применять в тех случаях, когда наличие постоянного магнита внутри прибора может быть причиной дополнительных погрешностей в его показаниях.
В некоторых новых приборах установлены очень компактные жидкостные успокоители: в невысыхающей жидкости перемещается крыло, укрепленное на подвижной части прибора.





12.7. СИСТЕМЫ ПОКАЗЫВАЮЩИХ ПРИБОРОВ

Любой прибор непосредственного отсчета состоит из двух основных частей: измерительного механизма и измерительной цепи (измерительной схемы).
Назначение измерительного механизма преобразование подводимой к нему электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя. Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину (напряжение, мощность, ток и т. д.) в пропорциональную ей величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Например, в вольтметре измерительная цепь состоит из катушки измерительного механизма и добавочного резистора. При постоянстве сопротивления измерительной цепи ток в измерительном механизме вольтметра пропорционален измеряемому напряжению. Один и тот же измерительный механизм в соединении с различными измерительными цепями может служить для измерения различных величин.
В зависимости от принципа действия различают несколько систем показывающих приборов, условные изображения которых даны в табл. 12.2.
Магнитоэлектрическая система. В измерительных механизмах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается взаимодействием измеряемого постоянного тока в катушке механизма с полем постоянного магнита. Существуют два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом, причем первые применяются значительно чаще, чем вторые.
В магнитоэлектрическом механизме с подвижной катушкой последняя установлена на опорах и может поворачиваться в воздушном зазоре магнитной цепи постоянного магнита.
Различают две основные разновидности магнитоэлектрических измерительных механизмов с подвижной катушкой это механизмы с внешним (внерамочным) и с внутри-рамочным магнитом.
При внерамочном магните 1 (рис. 12.10) магнитную цепь измерительного механизма образуют магнитопровод 2, полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 4, которые изготовляются из магнитно-мягкого относительно легко обрабатываемого материала. Полюсные наконечники и сердечник тщательно механически обрабатываются и точно центрируются. Поэтому в воздушном зазоре между ними в пределах почти всего угла охвата полюсными наконечниками цилиндрического сердечника получается практически однородное радиальное магнитное поле.




Таблица 12.2. Условное обозначение принципа действия (системы) прибора


Условное обозначение

Обычный Логометрический
Наименование системы и преобразователя измерительный измерительный
механизм механизм


Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой

Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом

Электромагнитный прибор


Электромагнитный поляризованный прибор

Электродинамический прибор

Ферродинамический прибор

Индукционный прибор

Электростатический прибор

Вибрационный прибор (язычковый)

Тепловой прибор (с нагреваемой проволокой)

Биметаллический прибор

Термопреобразователи с неизолированной и изолированной
термопарами

Преобразователь с полупроводниковым выпрямителем

Преобразователь с электромеханическим выпрямителем

Электронный преобразователь

Вибрационно-импульсный преобразователь



В механизмах с внутрирайонным магнитом (рис. 12.11) сердечником является сам магнит 1 и его охватывает цилиндрический магнитопровод 3 из магнитно-мягкого материала. Такая конструкция дает возможность сделать механизм очень малых размеров. Но в этих механизмах трудно получить равномерное поле в воздушном зазоре из-за неодинаковой длины магнитных линий. Для получения более однородного поля у внутрирамочного магнита есть накладки 2 из магнитно-мягкого материала.
В магнитоэлектрическом механизме с однородным полем угол между направлениями вектора магнитной индукции В в воздушном зазоре и активной части проводников с током / подвижной катушки равен 90°. Следовательно, на каждый из проводников действует электромагнитная сила:
где l - длина активной части проводника.
Катушка имеет хш витков и укреплена на каркасе диаметром d. Поэтому вращающий момент, действующий на подвижную часть механизма,

где S = ld площадь поперечного сечения катушки.
Таким образом, вращающий момент в магнитоэлектрическом приборе прямо пропорционален индукции и току.
В узком воздушном промежутке магнитной цепи прибора магнитная индукция равна обычно 0,2 0,3 Тл и поле почти равномерное. Следовательно, вращающий момент магнитоэлектрического прибора можно считать прямо пропорциональным току: Мвр = кер1. Так как противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами, прямо пропорционален углу закручивания, т. е. Мпр = = кпр
·, то угол поворота катушки прямо пропорционален измеряемому току:

где Спр постоянная прибора («цена деления»).
Направление вращающего момента прибора определяется правилом левой руки: пользуясь им, легко убедиться, что подвижная катушка стремится принять положение, при котором направление ее поля совпадает с направлением поля постоянного магнита. Алюминиевая рамка, на которую намотана катушка, служит вместе с тем магнитоиндукционным успокоителем.
При изменении направления тока изменяется и направление вращающего момента. При переменном токе на подвижную часть прибора действуют быстро чередующиеся вращающие моменты противоположного направления. Их результирующее действие не изменит положения подвижной части прибора и стрелка останется на нулевом делении шкалы.
Постоянный магнит создает сильное магнитное поле (0,20,3 Тл) в воздушном зазоре магнитной цепи прибора, и даже при малых значениях измеряемых токов можно получить достаточный вращающий момент. Поэтому магнитоэлектрические приборы весьма чувствительны, в частности гальванометры в большинстве случаев изготовляются магнитоэлектрической системы.
Чувствительность прибора позволяет конструктору дать прибору достаточный запас прочности путем уменьшения плотности тока в токоведущих частях; поэтому правильно сконструированный магнитоэлектрический прибор достаточно вынослив к перегрузкам. Этому способствует также линейная зависимость вращающего момента прибора от тока, а не квадратичная, характерная для большинства других систем приборов.
Так как в магнитоэлектрических приборах сильное собственное магнитное поле, то внешние магнитные поля мало влияют на их показания. Вследствие высокой чувствительности собственное потребление энергии магнитоэлектрическими механизмами относительно мало.
В приборах магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом вращающий момент действует на подвижный постоянный магнит, а катушка с измеряемым током неподвижная. Пружины заменяет сила дополнительного постоянного магнита, который устанавливается на корпусе прибора в непосредственной близости от подвижного постоянного магнита. Эти приборы просты по устройству, весьма устойчивы к механическим перегрузкам и дешевы, но точность их мала из-за неоднородности магнитного поля. Они применяются для ориентировочных измерений, например, устанавливаются на щитках автомобилей.
Для расширения пределов измерения приборы магнитоэлектрической системы, а также приборы других систем снабжают набором резисторов для делителей измеряемых величин. Резистор, включаемый последовательно с катушкой измерительного механизма, называется добавочным резистором, резистор, который включается параллельно с катушкой измерительного механизма или с ветвью, содержащей катушку и добавочный резистор, называется шунтом. Системы приборов с магнитоэлектрическим измерительным механизмом и преобразователями. Магнитоэлектрический измерительный механизм может быть соединен с тем или иным преобразователем для измерений переменного тока с сохранением достоинств магнитоэлектрического механизма. Однако метрологические недостатки самих преобразователей, главным образом непостоянство их параметров, существенно снижают точность приборов всех систем, образованных соединением магнитоэлектрического механизма е преобразователем.
Электроизмерительные приборы выпрямительной системы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковыми диодами, причем применяются как однополупериодные (рис. 12.2, а), так и двухполупериодные (рис. 12.2, б) схемы выпрямления.
При однополупериодной схеме выпрямления ток I проходит через измерительный прибор в течение только одной половины каждого периода. Обычно в таких схемах измерительный механизм ИМ и соединенный с ним последовательно диод Д1 (рис. 12.2, а) шунтированы вторым диодом Д2, включенным в обратном направлении. Это нужно для того, чтобы не нарушать режим работы контролируемой цепи и чтобы при обратном направлении тока диод Д1 не оказался под полным напряжением цепи, которое может вызвать пробой диода. При двухполупериодном выпрямлении (рис. 12.12, б) среднее значение тока i. в измерительном механизме вдвое больше, чем при однополупериодном, что соответственно увеличивает чувствительность схемы. К недостаткам мостовых схем относится то, что в них измеряемое напряжение делится между двумя диодами и при очень низких напряжениях выпрямление существенно ухудшается.
Ток в измерительном механизме выпрямительного прибора периодически пульсирует, и так как у подвижной части прибора значительная инерция, то ее отклонение пропорционально среднему за период значению вращающего момента магнитоэлектрического измерительного механизма:

Следовательно, выпрямительный прибор измеряет среднее значение тока в цепи. Но для измерений в цепях переменного тока на шкале прибора указываются действующие значения. При синусоидальном токе действующее значение больше среднего в 1,11 раза [(2.16а) и (2.18а)]. При отличии кривой тока от синусоиды возникает соответствующая дополнительная погрешность погрешность метода измерения.
Так как температурный коэффициент прямого и обратного сопротивлений полупроводникового диода отрицателен и относительно велик, то для уменьшения температурных влияний в измерительную цепь выпрямительного прибора включен компенсирующий резистор с сопротивлением rд, у которого положительный температурный коэффициент (рис. 12.12, а и б).
Шкала выпрямительного прибора равномерная, кроме начальной сжатой части (1015 % шкалы), имеющей квадратичный характер вследствие ухудшения выпрямления при низких напряжениях. Точность этих приборов невысока (не выше класса 1,5) из-за значительных погрешностей в результате многочисленных причин: нелинейности и нестабильности вольт-амперной характеристики диодов, ее зависимости от частоты и т. п.
Приборы выпрямительной системы часто применяются в качестве многопредельных универсальных приборов. Благодаря переключению шунтов и добавочных резисторов малогабаритный показывающий прибор может иметь до 14 пределов измерений переменного тока и (при выключенных диодах) до 14 пределов измерений постоянного тока. Размеры полупроводниковых диодов весьма малы, и их можно разместить внутри корпуса даже миниатюрного прибора.
Приборы термоэлектрической системы являются соединением магнитоэлектрического измерительного механизма с одним (рис. 12.13) или несколькими термопреобразователями. Термопреобразователь обычно состоит из одной или нескольких термопар / и нагревателя 2, через который проходит измеряемый переменный ток. Можно считать ЭДС термопары пропорциональной разности температур между ее горячим и холодным концами, т. е. перегреву термопары. Перегрев пропорционален (вследствие тепловой инерции) квадрату действующего значения / переменного тока; поэтому и вращающий момент, действующий на подвижную часть измерительного механизма, пропорционален Р, а следовательно, шкала прибора квадратичная.
Термопреобразователи делятся на контактные (рис. 12.13, а) и бесконтактные (рис. 12.13, б). В первых термопара приваривается или прижимается к нити нагревателя. Во вторых горячий спай отделен от нагревателя каким-либо изоляционным материалом. Это позволяет получить большую ЭДС посредством последовательного соединения нескольких термопар, но увеличивает тепловую инерцию прибора. Из-за очень низкого КПД термопреобразователя термоэлектрические приборы малочувствительны и должны работать при высокой температуре нагревателя, их собственное потребление велико, а при перегрузке свыше 50 % они разрушаются, так как температура нагревателя возрастает пропорционально квадрату тока. Область измерений, в которой они почти незаменимы, это измерения переменных токов высокой частоты.
Электромагнитная система. В измерительных механизмах электромагнитной системы вращающий момент обусловлен воздействием магнитного поля измеряемого тока в неподвижной катушке прибора на подвижный ферромагнитный якорь. Механические силы в подобном устройстве стремятся переместить якорь так, чтобы энергия магнитного поля устройства стала возможно большей. В настоящее время широко применяются два типа механизмов этой системы: механизмы с круглой катушкой и механизмы с плоской катушкой.
На рис. 12.14 показан механизм с круглой катушкой. В нем внутри круглой катушки 4 находятся подвижный, укрепленный на оси якорь / и неподвижный сердечник 2 из магнитно-мягкого материала. Ток катушки 4 намагничивает оба сердечника, и отталкивание их одноименных полюсов создает момент, поворачивающий сердечник 1. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 3. Успокоитель 5 в этом механизме магнитоиндукцион-ный многополюсный.
В механизме с плоской катушкой (рис. 12.15) якорь / втягивается в катушку 2 с измеряемым током. Для усиления магнитного поля и регулирования вращающего момента служит неподвижный сердечник 3. Противодействующий момент создается спиральной пружиной; успокоитель в этом механизме воздушный крыльчатый. Для защиты от внешних манитных полей измерительный механизм со всех сторон закрыт ферромагнитным экраном 4 (на рис. 12.15 верхняя крышка экрана снята).
Электромагнитная сила механизма может быть в общем виде выражена через производную энергии магнитного поля по координате перемещения подвижной части (6.16): F= дWм /дх. При повороте подвижной части на.угол d
· и плече R приложения силы dх = R d
· и, следовательно, вращающий момент

Энергия магнитного поля катушки электромагнитного прибора равна LI2/2. При перемещении якоря индуктивность L изменяется, что вызывает изменение энергии магнитного поля электромагнитного механизма при повороте подвижной части. Таким образом,

т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока и скорости изменения индуктивности механизма при повороте подвижной части. На вид зависимости dL/d
· = f(а) можно воздействовать соответствующим подбором формы якоря и сердечников, их положения в катушке и т. д. Шкала прибора будет равномерной, если Мвр = = I const, т. е. если вращающий момент прямо пропорционален измеряемому току, и, следовательно, I дL/да = const. Выполнение последнего условия неосуществимо для начальной части шкалы, так как из него следует, что при I 0 должно быть дL/да
·, а это невыполнимо. Однако относительной равномерности можно добиться для большей части шкалы, кроме начальных делений (одна пятая одна десятая шкалы), которые сильно сжаты.
При изменении направления тока направление момента в приборе не изменяется. Следовательно, можно измерять как постоянные, так и переменные токи. Но при переменном токе на показания прибора могут влиять потери энергии из-за гистерезиса и вихревых токов. В современных приборах со специальными ферромагнитными сердечниками разница показаний незначительна; поэтому по одной и той же шкале можно отсчитывать значения как постоянного, так и переменного токов.
Магнитное поле прибора возбуждается самим измеряемым током и относительно слабое, так как большая часть пути магнитного потока проходит в воздухе. По этой причине у измерительного механизма электромагнитной системы малая чувствительность и трудно построить электромагнитный амперметр на малый ток (примерно меньше 0,5 А) или вольтметр на малое напряжение (примерно меньше 10 В). Из-за слабости собственного магнитного поля прибор приходится защищать от внешних магнитных влияний. Для этого применяются ферромагнитные экраны (рис. 12.15) или же измерительные механизмы изготовляются астатическими.
Общий принцип астатического устройства измерительной системы заключается в следующем. Число катушек в механизме удваивается, причем обе катушки в равной мере участвуют в образовании вращающего момента, но их собственные магнитные поля имеют противоположные направления. Всякое внешнее однородное магнитное поле, усиливая магнитное поле одной катушки, на столько же ослабляет магнитное поле второй катушки. В результате внешнее магнитное поле не изменяет общий вращающий момент измерительного механизма.
Мощность потерь в электромагнитных приборах относительно велика: в катушке амперметра 0,31,0 Вт, а у вольтметра нужно прибавить еще мощность потерь в добавочном резисторе, так что суммарная мощность потерь составляет 36 Вт.
Класс точности электромагнитных приборов обычно не выше 1,5, главным образом, из-за влияния гистерезиса (остаточного намагничивания), что особенно сказывается при измерениях постоянного тока. При изготовлении якоря и сердечника из ферромагнетика с ничтожной коэрцитивной силой, например из пермаллоя, эти погрешности становятся незначительными. У переносных электромагнитных приборов с такими якорем и сердечником удается обеспечить класс точности 0,5 и даже 0,2 как для постоянного, так и для переменного тока (при частоте не выше 1500 Гц).
Электромагнитный измерительный механизм обладает рядом ценных свойств. Неподвижную катушку с током легко выполнить е достаточным запасом сечения проводов на случай перегрузок. Приборы этой системы допускают большие перегрузки, дешевы и просты по устройству. Электромагнитными приборами измеряют преимущественно переменные напряжения и токи (невысоких частот). В промышленных установках переменного тока низкой частоты большинство амперметров и вольтметров приборы электромагнитной системы.
Электродинамическая система. В электродинамических измерительных механизмах для создания вращающего момента используется принцип взаимодействия проводников с токами: два параллельных проводника с одинаково направленными токами взаимно притягиваются, с противоположно направленными токами взаимно отталкиваются. Измерительный механизм этой системы состоит в основном из неподвижной 1 и подвижной 2 катушек (рис. 12.16). Противодействующий момент создают специальные пружины 3, которые вместе с тем служат для подвода тока в подвижную катушку. Последняя под действием электромагнитных сил стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпадает с направлением поля неподвижной катушки.
Вращающий момент электродинамического измерительного механизма определяется так же, как у электромагнитного механизма: Мвр = dWм/dа. В электродинамическом механизме энергия магнитного поля изменяется вследствие поворота подвижной катушки, т. е. изменения взаимной индуктивности М катушек. Энергия совместного магнитного поля двух катушек (2.80)

где I1 ток подвижной катушки, I2 ток неподвижной катушки. Поэтому вращающий момент

На характер зависимости взаимной индуктивности М от положения подвижной катушки можно воздействовать изменениями формы катушек, иx начального положения и т. д.
Так как в приборе две катушки, то можно существенно расширить область применения этого механизма. В зависимости от назначения прибора изменяется и характер его шкалы.
В вольтметре обе катушки с большими числами витков обычно соединяются последовательно между собой (рис. 12.17, а) и последовательно с добавочным резистором, имеющим сопротивление rд. Таким образом, в электродинамическом вольтметре

где U измеряемое напряжение; rv = rк + rд общее сопротивление измерительной цепи вольтметра, равное сумме сопротивлений двух катушек rк и добавочного резистора rд.
Подставив выражения токов I1 иI2 в (12.3), получим:

Следовательно, квадратичный характер шкалы вольтметра можно исправлять посредством воздействия на зависимость М = f (
·). В начале шкалы ее деления неизбежно сильно сжаты по тем же причинам, что и у шкалы приборов с электромагнитным механизмом.
В электродинамических амперметрах на токи до 0,5 А подвижная и неподвижная катушки также соединяются последовательно. При большем значении измеряемого тока / подвижная и неподвижная катушки соединяются параллельно (рис. 12.17, б). В этом случае ток подвижной катушки составляет только часть тока неподвижной, т. е. I1 = k112, при этом I2 = k21. Следовательно,

т. е. вращающий момент у амперметра квадратичная функция тока, как у вольтметра квадратичная функция напряжения.
В ваттметре (рис. 12.17, в) ток в неподвижной катушке равен току в контролируемой установке, т. е. I2 =I. К цепи подвижной катушки приложено напряжение этой установки, т. е. I1 = U/rv, где rv общее сопротивление цепи напряжения (параллельной цепи) ваттметра.
Подставив в выражение (12.3) значения токов катушек, получим:

где UI = Р мощность контролируемой установки.
Следовательно (в отличие от вольтметра и амперметра), вращающий момент ваттметра пропорционален значению измеряемой мощности. Чтобы шкала ваттметра была равномерной, нужно лишь выполнить условие М = kма, где kм постоянная, и в этом случае dМ/dа = = const. Практически при конструировании ваттметра выполнения этого условия добиваются относительно легко, так что большинство ваттметров имеет равномерную шкалу.
Выражение (12.5) получено для постоянного тока. При переменном токе вследствие инерции подвижной части ее отклонение определяется средним значением момента за период:

где р мгновенное значение мощности, а

активная мощность цепи переменного тока. Следовательно, при переменном токе среднее значение вращающего момента ваттметра

т. е. аналогично выражению вращающего момента ваттметра в цепи постоянного тока (12.5).
Таким образом, электродинамические приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов, причем в обоих случаях шкала у приборов одна и та же.
В электродинамическом приборе измеряемые токи возбуждают магнитное поле в воздухе, и оно относительно слабое. Поэтому для получения достаточного вращающего момента нужны катушки измерительного механизма с большими числами витков и собственное потребление энергии прибором относительно велико. Из-за слабого магнитного поля прибор чувствителен к внешним магнитным влияниям («магнитобоязнь»); для защиты от этих влияний приборы имеют экраны. Так как есть ток в подвижной части и условия охлаждения плохие (теплоотдача через слой воздуха), то электродинамические механизмы не допускают сколько-нибудь значительной перегрузки (в особенности амперметры). Наконец, приборы этой системы дорогие. Однако благодаря отсутствию в магнитном поле ферромагнитных сердечников нелинейных элементов точность электродинамического прибора может быть высокой, класса 0,2 и даже 0,1.
Достоинства и недостатки электродинамических механизмов определяют область их применения лабораторные и контрольные измерения в цепях переменного тока, главным образом измерения мощности. В большинстве случаев переносные ваттметры изготовляются электродинамической системы.
Недостатки электродинамических механизмов чувствительность к внешним магнитным влияниям, малые вращающий момент и устойчивость к перегрузкам могут быть устранены применением ферромагнитных сердечников. В простейшем случае это может быть цилиндрический сердечник для подвижной катушки, подобный сердечнику в измерительном механизме магнитоэлектрической системы приборов (см. рис. 12.10). Однако применение ферромагнитных сердечников существенно уменьшает точность прибора вследствие влияния гистерезиса и вихревых токов. По этим причинам электродинамические приборы с ферромагнитными сердечниками ферродинамические приборы для точных измерений малопригодны. Они применяются главным образом в качестве щитовых ваттметров и самопишущих приборов.
Индукционная система. Индукционная измерительная система основана на использовании вращающегося магнитного поля. Если синусоидальные токи в двух катушках, определенным образом ориентированных в пространстве, не совпадают по фазе, то в части пространства результирующее магнитное поле этих двух катушек будет вращающимся вокруг некоторой оси. Если на этой оси находится тело из материала с малым удельным сопротивлением, то в нем возникнут вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с вращающимся магнитным полем создает вращающий момент, под действием которого тело придет в движение.
В индукционном измерительном механизме вращающий момент создается воздействием результирующего магнитного поля двух электромагнитов переменного тока на подвижную часть алюминиевый диск, в котором это поле индуктирует вихревые токи. Электромагниты возбуждаются измеряемыми переменными токами. Поэтому значение вращающего момента зависит от значений токов в обоих электромагнитах и угла сдвига фаз между ними. Это ценное свойство индукционного измерительного механизма положено в основу построения приборов для измерения мощности и энергии в цепях переменного тока.
В течение многих лет индукционный ваттметр был в СССР основным типом щитового ваттметра: вскоре после Отечественной войны его сняли с производства и заменили более точным ферродинамическим ваттметром. Но для счетчиков энергии переменного тока промышленной частоты применяются только индукционные измерительные механизмы, теория которых рассмотрена далее (см. § 12.9).
Прочие системы. В измерительных механизмах Приборов электростатической системы вращающий момент создается электростатическими силами взаимодействия заряженных электродов.
Среди приборов этой системы наиболее распространен вольтметр. Под действием измеряемого напряжения заряжаются системы подвижных 1 и неподвижных 2 пластин прибора (рис. 12.18). Возникающие при этом электростатические силы притяжения создают вращающий момент. Противодействующий момент создается пружиной.
Изменение полярности напряжения не изменяет направления действия вращающего момента, следовательно, электростатический вольтметр пригоден для измерения постоянного и переменного напряжений. В ряде случаев весьма существенным преимуществом прибора является то, что он практически не потребляет энергии. Однако при небольших напряжениях вращающий момент весьма мал, приходится увеличивать число пластин и вместо установки на кернах подвешивать подвижную часть на нити.
Электростатические вольтметры применяются преимущественно в лабораториях для измерений в цепях малой мощности и при непосредственных измерениях высоких напряжений.
Приборы тепловой системы основаны на использовании для отклонения подвижной части удлинения металлической нити, нагреваемой измеряемым током. К достоинствам этих приборов относится независимость показаний от частоты и формы кривой переменного тока. Однако теми же достоинствами обладают и термоэлектрические приборы. Кроме того, тепловые приборы неустойчивы к перегрузкам, неточны вследствие чувствительности к температурным влияниям и их потребление энергии относительно велико. По всем этим причинам тепловые приборы применяются редко лишь для измерения токов высокой частоты.
Прочие системы приборов применяются для измерения немногих величин (например, вибрационный принцип для измерения частоты) и будут частично описаны ниже.
Выбор системы прибора зависит от предъявляемых метрологических, эксплуатационных и производственных требований. Если по условиям эксплуатации для измерения переменных токов и напряжений нужны устойчивые к перегрузкам и дешевые приборы, то выбирается электромагнитная система. Если требуются точные приборы, то следует иметь в виду, что классы точности 0,1 и 0,2 при постоянном токе обеспечивают лишь магнитоэлектрические приборы, а при переменном токе класс 0,2 электродинамические. Электромагнитные приборы, снабженные сердечником из пермаллоя, могут обеспечить класс 0,5, (0,2 при установке на растяжках), ферродинамические приборы имеют точность не выше класса 1,0, а выпрямительные класса 1,5. Для измерения мощности применяются приборы электродинамической и ферродинамической систем.
При повышенных частотах (до 1000 Гц) могут применяться электродинамические, электромагнитные с сердечниками из пермаллоя и ферродинамические приборы; при частотах до 1020 кГц выпрямительные приборы; наконец, при более высоких частотах (до нескольких мегагерц) термоэлектрические приборы.

12.8. ЛОГОМЕТРЫ

Отклонение подвижной части у большинства электроизмерительных механизмов зависит от значений токов в их катушках. Но в тех случаях, когда механизм должен служить для измерения величины (сопротивления, индуктивности, емкости, сдвига фаз, частоты и т. д.), не являющейся прямой функцией тока, необходимо сделать результирующий вращающий момент зависящим от величины, подлежащей измерению, и не зависящим от напряжения источника питания.
Для таких измерений применяют механизм, отклонение подвижной части которого определяется только отношением токов в двух его катушках и не зависит от их значений. Приборы, построенные по этому общему принципу, называются логометрами (по-гречески «логос» отношение). Могут быть построены логометрические механизмы любой электроизмерительной системы с характерной особенностью отсутствием механического противодействующего момента, создаваемого закручиванием пружин или растяжек.
В качестве простого примера рассмотрим работу магнитоэлектрического логометра с эллипсовидным сечением сердечника.
Подвижная часть такого механизма отличается от обычного механизма с механическим противодействующим моментом тем, что она состоит из двух катушек 1 и 2 (рис. 12.19, а), укрепленных на общей оси и жестко скрепленных между собой под некоторым углом. Токи в эти катушки подводятся через три мягкие серебряные спирали, не создающие при закручивании механического момента (одна из спиралей общая для цепей токов обеих катушек). Если подвижная часть прибора достаточно хорошо уравновешена, то при отсутствии токов она находится в состоянии безразличного равновесия стрелка указателя может быть на любом делении шкалы прибора.
Если в цепях обеих катушек есть токи I1и I2, то на .подвижную часть действуют два вращающих момента, противоположных по направлению и создаваемых воздействием поля постоянного магнита с индукциями В1 и В2 на токи в катушках (.12.2):

и


где
·1 и
·2 числа витков катушек; S их одинаковая площадь поперечного сечения.
Предположим, что Мвр1 > Мвр2 Под действием большего вращающего момента подвижная часть поворачивается, но при этом первая катушка, на которую действует больший вращающий момент, перемещается в более слабое магнитное поле (с меньшим значением индукции В1 из-за большего воздушного зазора в магнитопроводе).
Одновременно вторая катушка, на которую действует меньший вращающий момент, перемещается в область более сильного магнитного поля (воздушный зазор в магнитопроводе меньше и индукция В2 больше). Таким.образом, по мере поворота подвижной части больший вращающий момент убывает, а меньший возрастает. Следовательно, при некотором определенном положении подвижной части должно установиться равновесие моментов: Мвр1 = Мвр2
На схеме (рис. 12.19, 6) показано включение логометра для измерения сопротивлений. Здесь Е ЭДС источника; r1 постоянное сопротивление цепи первой катушки; r2 постоянная часть сопротивления цепи второй катушки; r х сопротивление измеряемого объекта, находящегося вне прибора. Токи в катушках

и при равенстве вращающих моментов (установившееся отклонение подвижной части)

или


Отношение В2/В1 определяется конструкцией магнитной цепи прибора и зависит от угла а положения подвижной части. Следовательно, каждому значению измеряемого сопротивления rх соответствует определенное положение подвижной части логометра, которое не зависит от ЭДС Е.
В действительности неизбежно действует и некоторый механический момент от неполной уравновешенности подвижной части и от закручивания токоподводящих спиралек.
Будем считать, что вращающие моменты обеих катушек пропорциональны на пряжению, причем один из них является некоторой функцией измеряемой величины х и оба момента зависят от угла а положения подвижной части, но эта зависимость различная: f1 (
·) и f2 (
·). Таким образом,

Уравнение равновесия моментов с учетом механического момента;

или


Следовательно, из-за наличия механического момента показания логометрического механизма зависят от напряжения II, причем это влияние тем больше, чем меньше напряжение. На шкале логометрического прибора указываются низший'и высший пределы рабочего напряжения; низший определяется условиями механических влияний, а высший условиями нагревания измерительных цепей прибора.
В ряде случаев нежелательно безразличное положение подвижной части логометра, так как это может привести к ложному отсчету показания прибора при выключенном источнике питания. Например, на самолете логометр может служить уровнемером бензина в баке и при отключении источника питания показания такого бензиномера могли бы ввести в заблуждение летчика. Чтобы предупредить подобный ложный отсчет, конструкцией логометра предусматривается удаление стрелки за пределы шкалы. Простейшим способом такого удаления стрелки является использование небольшого механического момента, создаваемого неполной уравновешенностью подвижной части.



12.9. СЧЕТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Энергия, получаемая потребителями от электростанции или отдаваемая станцией в сеть, учитывается счетчиками электрической энергии.
Подвижная часть показывающих приборов при измерениях поворачивается на некоторый угол; в счетчиках подвижная часть вращается, причем частота ее вращения должна быть пропорциональна мощности контролируемого объекта. Вращающий момент в большинстве счетчиков пропорционален мощности; ему противодействует тормозной момент, пропорциональный частоте вращения подвижной части. Он заменяет в счетчике противодействующий момент показывающих приборов. Для создания тормозного момента в счетчиках обычно применяются устройства магнитоиндукционного успокоения. На ось подвижной части счетчика насаживается алюминиевый диск, который вращается в поле постоянного магнита (рис. 12.20). Этот тормозной момент можно определить следующим образом: в диске наводится ЭДС, прямо пропорциональная потоку постоянного магнита Ф и средней окружной скорости
· вращения части диска, находящейся между полюсами:

где п частота вращения диска (оборотов в минуту); R средний радиус части диска, находящийся между полюсами. Угловая скорость вращения диска
· =
·/R.
Под действием этой ЭДС в диске возникает ток, значение которого прямо пропорционально удельной проводимости у материала диска:

Воздействие поля постоянного магнита на ток в диске создает тормозной момент, прямо пропорциональный току и потоку:

или после подстановки выражений для тока и ЭДС

Таким образом, тормозной момент прямо пропорционален частоте вращения диска п, что и требуется для работы счетчика.
Вращающий момент движущего механизма счетчика должен быть прямо пропорционален мощности:

Этот момент при установившейся частоте вращения подвижной части должен быть равен тормозному моменту. Следовательно, мощность
Интеграл от мощности по времени

где N суммарное число оборотов подвижной части за время t2 t1. Величина

это электрическая энергия, израсходованная в контролируемой цепи за тот же промежуток времени t2 t1. Таким образом,

где Ссч постоянная счетчика.
Число оборотов подвижной части N регистрирует счетный механизм, соединенный с осью счетчика червячной передачей. Передаточное число между осью и счетным механизмом выбирается так, чтобы счетный механизм показывал непосредственно киловатт-часы, а не числа оборотов подвижной части.
В современных счетчиках могут быть измерительные механизмы индукционной, электродинамической, ферродинамической и магнитоэлектрической систем. Но для измерения энергии переменного тока применяются только индукционные счетчики, а счетчики электродинамической и ферродинамической систем только в установках постоянного тока, например, на транспорте, магнитоэлектрические счетчикилишь для специальных измерений, например в качестве счетчиков ампер-часов аккумуляторных батарей.

Общие особенности устройства счетчиков наглядно можно показать на примере электродинамического счетчика (рис. 12.21). Как и ваттметр, счетчик энергии имеет цепь тока (последовательную) и цепь напряжения (параллельную). Первую образуют две неподвижные катушки 1, ток в которых равен постоянному току I контролируемой установки. Этот тон возбуждает главное магнитное поле счетчика и, следовательно, основной магнитный поток движущего элемента счетчика

где kф постоянный коэффициент.
На оси подвижной части прибора укреплены три катушки 2 якоря счетчика, их концы присоединены и укрепленным на оси и изолированным друг от друга пластинам коллектора 3. По коллектору скользят щетки 4, через которые ток Iя поступает в катушки якоря. На рис. 12.22 показана схема подключения катушек якоря к пластинам коллектора. Электродинамическая сила воздействия главного магнитного поля на катушки с токами якоря заставляет катушки поворачиваться вокруг оси, а наличие коллектора обеспечивает непрерывность вращения якоря коллектор и щетки изменяют направление тока в катушке, когда она приближается к положению, в котором направление ее магнитного потока совпадает с направлением главного потока. В цепь якоря (рис. 12.21) включен добавочный резистор 6 с большим сопротивлением rЛ, и так как цепь якоря находится под напряжением 11 контролируемой установки, то ток в якоре

где Ея ЭДС, индуктируемая в катушках якоря при их вращении в главном магнитном поле; rя сопротивление якоря. Счетчик рассчитывается так, что ЭДС Ея
Так как в счетчике находится электродинамический механизм, то его вращающий момент (12.3) пропорционален произведению токов подвижной и неподвижной катушек IIядМ/да, или

где kвр постоянный коэффициент пропорциональности. Отметим, что при вращении якоря этот момент периодически изменяется (пульсирует) из-за относительного перемещения катушек, а здесь записано его среднее за оборот значение.
Для получения тормозного момента в счетчике использовано магнитоиндукцион-ное торможение: поле постоянного магнита 9 (рис. 12.21) воздействует на насаженный на ось счетчика тормозной алюминиевый диск 8. Катушки защищены от поля постоянного магнита экраном 7. Следовательно, в счетчике создается тормозной момент (12.8), прямо пропорциональный частоте вращения п якоря.
Таким образом, в счетчике выполнены оба условия, обеспечивающие прямую пропорциональность между частотой вращения оси счетчика и количеством учитываемой энергии. На чувствительность и точность счетчика может заметно влиять трение в счетном механизме (11 и 12), щеток о коллектор и в подшипниках 13 и 14. Особенно существенно снижение чувствительности, вызываемое трением; из-за него при малых нагрузках счетчик не будет вращаться, т. е. не будет учитываться потребляемая энергия. Чтобы исключить этот недостаток, все счетчики снабжаются компенсаторами трения. В электродинамическом счетчике компенсатором трения служит небольшая катушка 5, включенная последовательно в цепь якоря. Магнитное поле этой катушки воздействует на ток Iя катушек 2 и создает вращающий момент, пропорциональный произведению токов катушки и якоря. Так как это один и тот же ток Iя = kuU, то вспомогательный вращающий момент

Этот момент счетчика не зависит от тока нагрузки. Он должен уравновешивать момент сил трения MТр, т. е. желательно, чтобы Мвсп = Мтр.
Таким образом, полное уравнение моментов счетчика такое:

Однако наличие постоянного момента MВСП, не зависящего от нагрузки, создает опасность самохода счетчика безостановочного вращения якоря при отсутствии нагрузки. Самоход может возникнуть из-за увеличения момента Мвсп вследствие повышения напряжения U или же из-за уменьшения момента Мтр, например вследствие вибраций стены, на которой укреплен счетчик. Для предупреждения самохода счетчик снабжается тормозным крючком 10 куском стальной проволоки, припаянной к оси счетчика или к диску и притягиваемой тормозным магнитом 9. Эту силу притяжения вспомогательный момент не может преодолеть. Но если диск счетчика начал вращаться, то притяжение тормозного крючка не изменяет средний вращающий момент счетчика, так как в течение одной половины оборота притяжение замедляет вращение диска, а в течение другой половины оборота ускоряет.
Для регулирования частоты вращения счетчика переставляют тормозной магнит вдоль радиуса диска, а для регулирования чувствительности изменяют положение катушки компенсатора трения.
Электродинамический счетчик в принципе может работать и в цепи переменного тока, но выгоднее применять при переменном токе более простой, дешевый и выносливый к перегрузкам индукционный счетчик.

Схема устройства однофазного индукционного счетчика показана на рис. 12.23.
В индукционном счетчике алюминиевый диск должен пронизывать не менее чем два переменных магнитных потока; при этом вращающий момент создается вследствие взаимодействия одного переменного потока с током, индуктируемым в диске другим переменным потоком. При наличии только одного переменного потока диск счетчика безостановочно вращаться не может.
Чтобы получить в общей форме выражение вращающего момента приборов индукционной системы, предположим, что подвижную часть диск пронизывают два переменных магнитных потока:

(рис. 12.24). Они индуктируют в соответствующих контурах диска ЭДС, каждая из которых отстает по фазе от индуктирующего ее потока на четверть периода:

Эти ЭДС вызывают в диске вихревые токи i1 и i2.

Исследуя общий характер процесса, можно пренебречь при промышленной частоте 50 Гц индуктивным сопротивлением контуров вихревых токов в диске и считать их совпадающими по фазе с ЭДС:

где rд1, rд2 активные сопротивления контуров. Силы, воздействующие на подвижную часть, пропорциональны соответствующим потокам и токам, т, е.

где k1 и k2 постоянные коэффициенты, которые учитывают геометрические параметры механизма. Эти силы при одинаковом направлении магнитных потоков и одинаковом направлении токов (рис. 12.24) направлены встречно; поэтому среднее значение вращающего момента можно определить через интеграл за период Г от произведения разности сил (F2 F1) на плечо Rо их приложения (рис. 12.23):

Учитывая, что

после простых преобразований найдем:

где сопротивления rд1 и rд2 обратно пропорциональны удельной проводимости y материала диска (алюминия).
Обозначив постоянный множитель в выражении вращающего момента kвр, получим:

Вращающий момент пропорционален угловой частоте
·, следовательно, индукционный прибор пригоден для измерения в цепи переменного тока одной определенной частоты. Вращающий момент пропорционален также удельной проводимости
· материала диска. Последний изготовляется из алюминия материала со значительным температурным коэффициентом сопротивления около 0,004 °С -1 (см. табл. 1.2), т. е. изменение температуры диска на 10 °С вызывает изменение вращающего момента на 4 %. Однако в счетчиках вращающий и тормозной моменты в одинаковой степени зависят от электрического сопротивления диска и температурные влияния на показаниях счетчика сказываются мало.
Вращающий момент индукционного прибора (12.9) должен быть в счетчике пропорционален активной мощности Р = UI cos
·. Для этого необходимо, чтобы один из двух магнитных потоков, например Ф2m, был пропорционален напряжению U, а второй Ф1m пропорционален току I.
Электромагнит цепи напряжения счетчика устроен так, что большая часть пути магнитного потока Ф2 проходит по ферромагнитному участку магнитопровода (рис. 12.23). Поэтому можно считать (7.2), что U = 4,44 f
·vФ2т = Ф2m const.
Электромагнит цепи тока счетчика имеет U-образную форму его магнитный поток примерно половину пути проходит в воздухе. Так как магнитное сопротивление ферромагнитного участка магнитопровода незначительно по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного промежутка, то им можно пренебречь и выразить мгновенное значение потока этого электромагнита следующим образом (6.7):

где Rм магнитное сопротивление воздушного промежутка. Величины в правой части (12.10), кроме тока I, постоянные, следовательно,

и поток Ф1т пропорционален току I.
Вращающий момент счетчика должен быть пропорционален и cos
·. Так как в выражении вращающего момента (12.9) содержится лишь одна функция сдвига фаз sin
·, то необходимо получить sin
·= cos
·, или
· =
·/2
·.
Можно приближенно считать, что комплекс потока Ф1 совпадает по фазе с током I(рис. 12.25). Следовательно, угол сдвига фаз между векторами U и Ф2 должен быть равен
·/2, для того чтобы получить
· =
·/2
·. Рассмотренная ранее векторная диаграмма (см. рис. 7.8) катушки с магнитопроводом (см. рис. 7.7, а) показывает, что сдвиг фаз между вектором напряжения, приложенного к катушке, и вектором потока в магнитопроводе будет равен
·/2, если подобрать соответствующее значение индуктивности рассеяния при неизменных прочих параметрах. В индукционном счетчике предусмотрена такая возможность. Потокосцепление рассеяния с обмоткой напряжения
·v содержит составляющую
·vФ3, где Ф3 поток, замыкающийся помимо диска. Значение этой составляющей потокосцепления рассеяния можно изменять, регулируя ширину воздушного зазора на пути потока Ф3, например, с помощью подвижной ферромагнитной пластины П (см. рис. 12.23).
Момент сил трения в индукционном счетчике существенно меньше, чем в электродинамическом, так как подвижная часть индукционного счетчика легче. Но в обоих счетчиках трение в счетном механизме значительное, поэтому компенсация трения необходима и в индукционном счетчике. Во всех конструкциях индукционных счетчиков для создания вспомогательного момента используется один и тот же общий принцип нарушение симметрии в магнитной цепи потока Ф2 (пропорционального напряжению (/). Таким образом осуществляется условие для создания вращающего момента индукционным путем. На сердечнике электромагнита укрепляется короткозамкнутый виток медной проволоки тК, охватывающий часть поверхности поперечного сечения сердечника вблизи диска. Магнитное поле тока витка, накладываясь на основное поле, создает под витком небольшой магнитный поток, сцепленный с диском; совместно с основным потоком этот поток создает вспомогательный момент, компенсирующий момент трения. Для учета энергии в трехфазных системах служат счетчики трехфазного тока, в которых два или три движущихся элемента индукционных счетчиков воздействуют на общую ось счетчика и через нее на счетный механизм. Схемы этих счетчиков соответствуют схемам измерения мощности методами двух ваттметров (см. рис. 3.13, а) или трех ваттметров (см. рис. 3.14) или некоторым специальным способам измерений.

12.10. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Омметр является прибором для измерения сопротивлений методом непосредственного отсчета, т. е. снабжен шкалой, градуированной в омах. В большинстве омметров применяется магнитоэлектрический измерительный механизм: для менее ответственных измерений магнитоэлектрический механизм, в котором противодействующий момент создается пружинами, а для более ответственных измерений магнитоэлектрический логометр.
В омметрах без логометра, предназначенных для измерения больших сопротивлений, измерительный механизм ИМ соединяется последовательно с объектом, сопротивление которого измеряется (рис. 12.26, а).
По закону Ома ток в цепи

где U напряжение гальванической батареи (аккумулятора); rх измеряемое сопротивление; rк сопротивление катушки измерительного механизма; гд постоянное сопротивление добавочного резистора, помещенного внутри корпуса прибора.
При условии, что напряжение неизменно, прибор может быть проградуирован для непосредственного отсчета по его шкале значений, измеряемого сопротивления гх. Нулевому значению тока соответствует» деление шкалы rх =
·, а нулевому значению rх значение тока I = U/ (rk + гд). Для контроля источника питания у прибора есть ключ К, замыкающий накоротко выводы, к которым присоединяется элемент с сопротивлением rх. При замкнутом контрольном ключе - стрелка измерительного механизма должна быть на нулевом делении шкалы сопротивлений (rх = 0). Шкала у прибора с последовательным соединением весьма неравномерна.
Для измерения малых сопротивлений (порядка десятых долей ома) применяется параллельное соединение измерительного механизма с измеряемым объектом (рис. 12.26, б). В этом случае ток через измерительный механизм

При параллельном соединении нулевому значению сопротивления соответствует нулевое значение тока через измерительный механизм, а при rх =
· ток наибольший: I = U/(rк + rд). Шкала сопротивлений также весьма неравномерная. При разомкнутом контрольном ключе К. стрелка должна быть на делении rх =
·.
Напряжение U источника уменьшается с течением времени; поэтому для корректирования работы прибора (в некоторых ограниченных пределах) омметры обоих типов снабжаются регулируемыми магнитными шунтами. Такой шунт представляет собой стальную пластинку, через которую проходит часть магнитного потока постоянного магнита измерительного механизма (рис. 12.27). Положение пластинки по отношению к постоянному магниту можно изменять поворотом винта, укрепленного на корпусе прибора. Таким способом изменяется магнитная индукция в воздушном зазоре прибора, а следовательно, и вращающий момент (12.2). Замкнув контрольный ключ К в цепи рис. 12.26, а, и разомкнув К в цепи рис. 12.26 б, следует до тех пор регулировать магнитный шунт, пока стрелка не станет на контрольное деление rх = 0 у омметра с последовательным соединением или rх =
·. у омметра с параллельным соединением.
Основной недостаток омметров без логометра, помимо зависимости показаний от напряжения U, малое значение этого напряжения, что особенно существенно при измерениях сопротивления изоляции. Последнее сильно зависит от напряжения; поэтому измерение сопротивления изоляции должно производиться при напряжении не меньшем, чем рабочее напряжение установки. Чтобы получить такое напряжение, в качестве источника применяются индукторы маленькие магнитоэлектрические генераторы постоянного тока с ручным приводом. Номинальная ЭДС такого индуктора от 100 до 2500 В.
Повышение напряжения источника питания увеличивает чувствительность измерения (омметры с индукторами обычно именуются мегаомметрами(Для измерения очень больших сопротивлений порядка 10" Ом применяются электронные тераомметры (1 тераом = 1012 Ом)) в соответствии с пределами их рабочей шкалы). Так как ЗДС индуктора непостоянна пропорциональна частоте вращения якоря, то измерительным механизмом в мегаомметрах обычно служит магнитоэлектрический логометр. Омметры с логометром изготовляются и при питании от сети переменного тока через выпрямитель.
На рис. 12.28 показаны две основные схемы соединений омметра с логометром и индуктором. По существу эти схемы аналогичны двум схемам рис. 12.26. В обеих схемах последовательно с одной из катушек логометра соединяется резистор с постоянным сопротивлением rд1. Вторая катушка логометра для измерения больших сопротивлений (рис. 12.28, а) соединяется через добавочный резистор с сопротивлением rд2 последовательное объектом измеряемого сопротивления rх, а у логометра для измерения малых сопротивлений (рис. 12.28, б) вторая катушка включается параллельно с объектом измеряемого сопротивления rx. При изменении ЭДС Е индуктора вращающие моменты обеих катушек, направленные в противоположные стороны, изменяются одинаково, т. е. изменение ЭДС не влияет на отклонение подвижной части, которое зависит лишь от отношения сопротивлений цепей двух катушек прибора (12.7). Поэтому можно проградуировать шкалу прибора в единицах сопротивления.
В некоторых омметрах посредством переключателя один и тот же измерительный механизм соединяется последовательно или параллельно с объектом измеряемого сопротивления. Такой прибор имеет две шкалы одну для больших сопротивлений (мегаомы) и вторую для относительно малых (килоомы).

12.11. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Для измерения промышленной и повышенной частот (примерно до 1000 Гц) применяются частотомеры прямого отсчета с измерительным механизмом типа логометра. Цепь одной катушки логометра имеет практически активное сопротивление, и ток в ней зависит только от напряжения, приложенного к этой цепи, и не зависит от частоты. Цепь другой катушки логометра содержит индуктивный и емкостный элементы, поэтому ток в ней зависит от напряжения, так же как и ток в первой катушке, но, кроме того, существенно зависит от частоты. Таким образом, отношение токов двух катушек логометра зависит от частоты, но не зависит от значения напряжения.
Одна из возможных схем такого частотомера со стрелочным указателем дана на рис. 12.29. У этого частотомера две катушки К1 и К2 магнитоэлектрического логометра включены в диагонали двух выпрямительных мостов В1 и Вг. Цепь, питающая мост В1, содержит только резистивный элемент г; поэтому ток в катушке К1 не зависит от частоты. Цепь моста В2 содержит соединенные последовательно индуктивный L и емкостный С элементы. Для рабочего диапазона частот прибора сопотивление этой цепи соответствует восходящей ветви частотной характеристики тока I (
·) (см. рис. 2.47), и при небольшом изменении частоты ток в катушке K2 изменяется значительно. Поэтому положение равновесия подвижной части логометра сильно зависит от измеряемой частоты напряжения и не зависит от значения напряжения контролируемой установки. Так достигается высокая чувствительность прибора к изменению частоты. Индуктивный Lф и емкостный Сф элементы образуют фильтр, защищающий измерительные цепи от влияния высших гармонических составляющих кривой напряжения, если последнее несинусоидально.

12.12. МОСТОВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

Мостовые методы измерения применяются для измерения параметров резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов. Для измерения параметров катушек индуктивности и конденсаторов необходимы мосты переменного тока. Для измерения сопротивлений резисторов чаще применяются мосты постоянного тока.
На рис. 12.30, а изображен четырехплечий мост постоянного тока. В одну диагональ моста включен источник постоянной ЭДС Е, а в другую диагональ при помощи ключей К1 и К2 может включаться гальванометр Г. В одно плечо моста к точкам г и б присоединяется резистор с неизвестным сопротивлением rх. В трех остальных плечах моста находятся резисторы, сопротивления которых известны и могут регулироваться.
На рис. 12.30, б изображена потенциальная диаграмма (см. § 1.7) правой и левой ветвей моста при разомкнутом ключе К1, причем потенциал точки а принят равным нулю (
·
· = 0). По направлению отклонения стрелки гальванометра при замыкании ключа К1 можно сделать вывод о знаке разности потенциалов
·б
·в и необходимости изменения сопротивлений регулируемых резисторов (в данном случае увеличении сопротивления резистора r1 или г3 или уменьшении сопротивления резистора r2) для достижения равновесия моста (
·б =
·в). При режиме моста, близком к равновесию, для увеличения чувствительности гальванометра замыкается ключ К2.
При равновесии моста потенциалы точек б и в одинаковы (
·б =
·в), т. е.

Разделив почленно первое равенство на второе, найдем значение измеряемого сопротивления.

Схемы четырехплечих мостов переменного тока весьма разнообразны. Рассмотрим простейшие из них. На рис. 12.31, а и б приведены одна из разновидностей схемы четырехплечего моста переменного тока и его потенциальная диаграмма на комплексной плоскости (см. § 2.23) при разомкнутой цепи гальванометра. Так как треугольники напряжений правой и левой ветвей моста прямоугольные, то концы векторов, изображающих потенциалы точек б и в, находятся на полуокружности с диаметром, равным ЭДС Ё = Е. Изменяя параметры регулируемых элементов моста, можно совместить потенциалы точек б и б. Равновесие моста (
·б =
·в) фиксируется при помощи гальванометра. Назначение ключей К1 и К2 то же, что и у моста постоянного тока.
При равновесии моста из равенства треугольников, напряжений следует:


Разделив почленно одно уравнение на другое и учитывая, что ХL =
·L и Хс = 1/
·С, получим:

Выражение (12.13) показывает, что при помощи моста переменного тока можно измерять параметры индуктивного (емкостного) элемента, если параметры других элементов моста известны.
При исследовании реальных катушек необходимо знать параметры ее эквивалентной схемы замещения (см. рис. 7.7, а), состоящей из последовательного соединения резистивного и индуктивного элементов. Параметры Lх и rх эквивалентной схемы замещения катушки могут быть измерены при помощи моста, схема которого показана на рис. 12.32. На рис. 12.32, б приведена потенциальная диаграмма такого моста. При равновесии моста потенциалы точек б и в совпадают (фз = фв), откуда следует, что

Возможны и другие типы мостов переменного тока, при помощи которых можно измерять параметры элементов эквивалентных схем замещения различных объектов.

12.13. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

Основное назначение компенсационного метода это измерение малых ЭДС, например термопары, и градуировка электроизмерительных приборов.
Простейшая принципиальная схема для измерения малых ЭДС показана на рис. 12.33. Вспомогательный источник регулируемого постоянного тока / (реостатом с сопротивлением rр) подключен к потенциометру с сопротивлением r n. Разность потенциалов точек а и b последнего уравновешивает измеряемую ЭДС (Ех = UaЬ), а разность потенциалов точек с и d. ЭДС образцовой меры ЭДС нормального элемента (Eн,э = Uсd-
Для компенсации измеряемой Ех и нормальной Ен,э ЭДС нужно перемещать подвижные контакты b и с до тех пор, пока гальванометры Г2 и Г1 не покажут отсутствие токов. Значение ЭДС Ен,э известно точно, поэтому после компенсации ЭДС Ен,э по отмеченному значению сопротивления r х рассчитывается точное значение тока в потенциометре I = Ен,э /r1 Значение измеряемой ЭДС определяется из условия Ех = UаЬ == r2I= (r2/r1) Ен,э в котором значения r 1 и r 2 отсчитываются на шкале потенциометра.
Важное преимущество компенсационного метода возможность измерять (или использовать для управления) ЭДС объектов малой мощности. На рис. 12.34 приведена схема компенсационного метода градуировки амперметра и вольтметра. Установив положения движков потенциометров так, чтобы токи нормальных элементов равнялись нулю, и зная сопротивления потенциометров, получим соответствие между отклонениями стрелок амперметра и вольтметра и значениями измеренных токов

Изменяя сопротивления регулируемых резисторов r5 и r6, можно проградуировать шкалы амперметра и вольтметра.

12.14. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. ЭЛЕКТРОННЫЙ ВОЛЬТМЕТР

Одним из основных недостатков показывающих вольтметров с электромеханическими измерительными механизмами является относительно малое сопротивление цепи вольтметра (510 кОм), которое принято называть его входным сопротивлением. Объясняется это тем, что для получения достаточно большого вращающего момента, действующего на подвижную часть измерительного механизма в таких приборах, необходимо, чтобы ток в катушках (рис. 2.11, 2.16 и др.) был достаточно большим. Такими вольтметрами нельзя пользоваться при измерении напряжения на резисторе, сопротивление которого соизмеримо с входным сопротивлением вольтметра (см. рис. 12.2).
У электронных вольтметров большие входные сопротивления (до 10 МОм), что существенно расширяет возможную область их применения. Кроме того, электронные вольтметры могут иметь очень высокую чувствительность.
Существует много разновидностей электронных вольтметров. Рассмотрим одну из возможных схем (рис. 12.35), выполненную как мост постоянного тока. В два плеча моста включены одинаковые электронные лампы триоды Л1 и Л2. Потенциометр П1 служит для компенсации различия параметров этих ламп при установке нуля. Равновесие моста определяется по нулевому положению стрелки включенного в диагональ моста показывающего прибора с электромеханическим измерительным механизмом (например, магнитоэлектрическим гальванометром) при короткозамкнутых входных выводах. В этом случае у обеих ламп действуют одинаковые напряжения между сеткой и катодом:

Где Ia = Ia1 = Iа2 одинаковые токи ламп.
При помощи потенциометра П2 можно изменять режим работы ламп. Если на вход вольтметра подано измеряемое напряжение Uх, то равновесие моста нарушится и появится ток в диагонали моста.
Отклонение стрелки прибора пропорционально значению измеряемого напряжения. Регулируемый резистор rр служит для калибровки вольтметра и изменения пределов измерения.
Так как индикатором в электронном вольтметре служит показывающий прибор с электромеханическим измерительным механизмом, то точность электронного вольтметра не может быть выше точности последнего. В действительности точность электронного вольтметра из-за неидентичности ламп ниже точности индикатора. Большое входное сопротивление электронного вольтметра получается вследствие малого сеточного тока лампы Л1. Высокая чувствительность электронного вольтметра объясняется тем, что небольшое изменение измеряемого напряжения приводит к сильной разбалансировке моста и достаточно большому току в диагонали моста, где находится показывающий прибор.
Постоянный ток при помощи электронного вольтметра измеряется косвенно путем измерения падения напряжения, вызываемого этим током на резисторе с малым сопротивлением.
Вместо ламп в электронном вольтметре могут использоваться транзисторы. Однако в этом случае входное сопротивление электронного прибора уменьшается.

12.15. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР

У показывающих приборов со стрелочным указателем есть общий недостаток субъективность измерений, так как невозможно точно определить положения стрелки на шкале прибора. Этот недостаток устранен в цифровых измерительных приборах с цифровыми индикаторами. Цифровые измерительные приборы широко применяются для измерения частоты, интервалов времени, напряжения и т. д.
Ограничимся здесь рассмотрением структурной схемы цифрового вольтметра постоянного напряжения (рис. 12.36). На рис. 12.37 приведена совмещенная временная диаграмма работы различных блоков структурной схемы.
Совместную работу блоков цифрового вольтметра синхронизирует блок управления 1, на выходных выводах которого формируются отрицательные импульсы напряжения u1 следующие с частотой Д. Импульсы напряжения и1 одновременно включают генератор периодического линейно изменяющегося напряжения ГЛИН 2 и селектор. На выходе ГЛИНа формируется напряжение, нарастающее по линейному закону, u глин = St, которое подается на вход блока сравнения 3. Селектор связывает выход высокочастотного импульсного генератора 4 (частота f2) со входом счетчика 5. В блоке сравнения линейнонарастающее напряжение ГЛИНа сравнивается с измеряемым постоянным напряжением Uвх.
Через интервал времени
·t от начала нарастания напряжение ГЛИНа становится равным измеряемому напряжению (рис. 12.37), т. е. Uвх = S
·t , где S называется крутизной преобразования. В этот момент времени на выходе блока сравнения формируется положительный импульс напряжения u2, который поступает на вход селектора и прекращает связь между выходом высокочастотного генератора и входом счетчика. Таким образом, в цифровом вольтметре измеряемое напряжение сначала преобразуется в пропорциональный интервал времени
·t = Uвх/S, а затем этот интервал времени преобразуется в пропорциональное интервалу число импульсов

которое фиксируется цифровым индикатором.
Так как частота f2 велика, а крутизна преобразования S мала, то даже малым значениям входного напряжения Uвх соответствует большое число импульсов n, что обеспечивает высокие чувствительность и точность прибора. Цифровая индикация результатов измерения обеспечивает объективность отсчета показаний.

12.16. СВЕТОЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Для наблюдения и записи кривых, характеризующих периодические изменения электрических и неэлектрических величин (последних при посредстве измерительных преобразователей, преобразующих неэлектрические величины в функционально зависящие от них электрические величины) при частоте примерно до 5 кГц, широко применяются светолучевые осциллографы. Основные части осциллографа: магнитоэлектрические измерительные механизмы гальванометры, оптическая система и устройства для фотографирования и визуального наблюдения.
Осциллографические гальванометры, обладающие минимальной инерцией, бывают двух типов: петлевые (рис. 12.38) и катушечные. Ранее изготовлялись только петлевые гальванометры, но при современной приборостроительной технике стало возможным изготовлять легкие подвижные катушки для осциллографов и тем самым существенно повысить чувствительность прибора.
Схема оптической системы дана на рис. 12.39. От яркого источника света 1 через оптическую систему, состоящую из линз 2, диафрагм 3 и призм 4, узкий луч света падает на зеркальце 5 подвижной части (в новых осциллографах источником света служат ртутные лампы, свет которых особенно сильно действует на фотоэмульсию). Отразившись от зеркальца, луч фокусируется оптической системой 6 и 8 в виде светлой точки на ленте фотографической бумаги или пленки 7. При наличии в петле (или катушке) гальванометра тока она под действием электромагнитных сил поворачивается и пропорционально повороту смещается светлая точка на фотобумаге. При изменениях тока колебания светлой точки на неподвижной бумаге изобразятся в виде полоски. Чтобы преобразовать эти колебания в кривую зависимости изменений тока от времени, применяется развертка лента приводится в движение с равномерной скоростью в направлении, перпендикулярном направлению перемещений светового луча.
У большинства осциллографов есть приспособление для непосредственного визуального наблюдения периодически* колебаний. С этой целью часть светового луча после отражения от зеркальца вибратора направляется на вращающийся зеркальный многогранник 9, от которого луч отражается на матовый экран 10 и дает изображение в виде полоски. Если многогранник вращается синхронно с исследуемым периодическим процессом, то определенной фазе процесса в течение каждого его периода будут соответствовать одни и те же углы падения и отражения луча от многогранника. В результате светлая точка будет повторно описывать на экране одну и ту же кривую, что сделает ее доступной для визуального наблюдения.
Для одновременного наблюдения и фотографирования нескольких переменных величин осциллографы снабжаются несколькими гальванометрами (до 24 и более). На зеркальце каждого из этих гальванометров направляется отдельный луч, выделенный из общего луча системой призм и линз. У большинства осциллографов гальванометры можно заменять, их следует выбирать в зависимости от конкретных условий и целей исследования.
Основными характеристиками гальванометра являются частота собственных колебаний и чувствительность по току. Гальванометр записывает без существенных погрешностей процессы, частота которых не больше 0,2 частоты собственных колебаний подвижной части гальванометра (от 500 до 20000 Гц).
Чувствительностью гальванометра по току называется отклонение указателя на экране, измеренное в миллиметрах при токе 1 мА и расстоянии зеркальца от экрана 1 м. Это величина порядка 150 мм/мА в зависимости от типа вибратора. Чем выше чувствительность гальванометра, тем меньше собственная частота измерительного механизма.

12.17. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Область применения электронно-лучевого осциллографа весьма обширна. Основное его назначение визуальное наблюдение на люминесцирующем экране и фотографирование кривых быстро протекающих процессов, но осциллограф легко может быть приспособлен, например, для измерения частоты или снятия различных динамических характеристик {петли гистерезиса (см. рис. 7.10), характеристик электронных ламп и полупроводниковых приборов и т. п.].
Электронно-лучевая трубка важнейшая часть электронного осциллографа состоит из электронного прожектора, отклоняющей системы и экрана. Электронный прожектор создает узкий электронный луч. Посредством отклоняющего устройства измеряемая величина управляет движением луча, который играет роль практически безынерционной подвижной части осциллографа. Экран покрыт слоем люминофора, и на нем под действием электронного луча образуется светящееся пятно. При отклонениях луча это пятно движется по экрану и дает изображение кривой исследуемого процесса.
Стеклянная колба трубки имеет форму конуса, переходящего в цилиндр (рис. 12.40). Электронный луч возбуждается и формируется в цилиндрической части трубки, где размещен электронный прожектор («электронная пушка»), состоящий из подогревного катода, управляющего электрода С модулятора и двух анодов А1 и A2.
Катод помещен внутри стаканчика модулятора, который имеет в середине дна отверстие (диафрагму) для электронов, эмиттируемых катодом. На модулятор в осциллографе должно быть подано отрицательное напряжение 2050 В. Электроны, пролетающие сквозь отверстие модулятора, отталкиваются его отрицательным зарядом, что дает первоначальную фокусировку потока электронов для получения узкого луча. Вместе с тем отрицательный потенциал модулятора отталкивает некоторую часть электронов обратно к катоду; следовательно, регулированием напряжения между модулятором и катодом можно изменять количество электронов в луче и тем самым регулировать яркость светящегося пятна на экране трубки.
Электрическое поле, необходимое для ускорения электронов, обеспечивается высокими положительными потенциалами двух анодов
А1 и A2 полых цилиндров с одной или более диафрагмами, помещенных на пути электронного луча. Последние служат для задержания электронов, сильно уклонившихся от оси луча.
Напряжение между первым анодом А1 и катодом составляет от одной десятой до одной трети напряжения между вторым анодом A2 и катодом, равного 6005000 В.
Для отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикальном направлениях в осциллографах есть две пары отклоняющих пластин. Исследуемое периодическое напряжение подается на вертикально отклоняющие пластины, вследствие чего происходит отклонение луча в вертикальном направлении (по оси ординат). Горизонтально отклоняющие пластины необходимы для развертки исследуемого напряжения во времени (по оси абсцисс). Для этого в большинстве случаев на эти пластины подается периодическое пилообразное напряжение.
Структурная схема осциллографа (рис. 12.41) состоит из ряда блоков и ключей, при помощи которых можно получить различные режимы работы осциллографа.
Электронный осциллограф может работать в следующих основных режимах: в режиме внутренней синхронизации, в режиме внешней синхронизации, в автоматическом режиме и режиме специальной развертки.
Входной блок электронного осциллографа аттенюатор представляет собой калиброванный делитель напряжения, при помощи которого можно уменьшить напряжение входного сигнала, а также напряжение синхронизирующих импульсов в нужное число раз.
В режиме внутренней синхронизации Включены ключи К1, К4 и напряжение входного сигнала ивх через аттенюатор поступает на вход усилителя и вход генератора линейно изменяющихся напряжений ГЛИН. Напряжение с выхода ГЛИНа поступает на горизонтально отклоняющие пластины х х осциллографа, и изображение электронного луча на экране начинает двигаться в горизонтальном направлении. Для того чтобы входной сигнал, поступающий после усиления на вертикально отклоняющие пластины у у, был расположен в центре экрана, его необходимо, прежде чем подавать на эти пластины, задержать на некоторое время t при помощи линии задержки ЛЗ (рис. 12.42 а).
Рис. 12.42
В автоматическом режиме включены ключи К2, К4 и на выходе ГЛИНа получается пилообразное напряжение с частотой fг. Если частота f. совпадает с частотой периодического напряжения на входе осциллографа или кратна ей, то на экране осциллографа наблюдается неподвижное изображение (рис. 12.42, б).
В режиме специальной развертки включены ключи К2, К5 и на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается какое-либо специальное периодическое напряжение их. Поэтому при помощи
осциллографа можно проводить некоторые специальные измерения. Например, если на пластины х х подано синусоидальное напряжение


то можно измерить угловую частоту входного напряжения, если оно также синусоидальное с угловой частотой
·вх, кратной угловой частоте
·вх. В зависимости от кратности отношения угловых частот
·вх/
·х на экране осциллографа наблюдаются различные фигуры (рис. 12.43). Чувствительностью осциллографа называется отношение вертикального отклонения светового пятна на экране в миллиметрах к значению входного напряжения в вольтах. Чувствительность самой трубки без усилителя относительно низкая, порядка 0,51 мм/В. Однако применение усиления повышает чувствительность до 1-2 мм/мВ. Для фотографирования кривых с экрана осциллограф снабжается приставками.

Приложенные файлы

  • doc 160613
    Размер файла: 705 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий