книги из ГПНТБ / Быков М.А. Электрические измерения электрических величин [учеб. пособие]

ком. Оба потока в зоне подвижной пластинки проходят в пло­ скости, перпендикулярной оси поворота этой пластинки, при этом направления этих потоков тоже взаимно перпендикуляр­

отсутствии измеряемого тока и соответствующего переменного магнитного потока Ф_ направлена вдоль постоянного магнит­ ного потока — к а к это показано на рис. Ш-62, а (на котором от магнитной системы постоянного магнитного потока показа­ ны лишь полюсные наконечники). При появлении переменного магнитного потока (под действием измеряемого переменного тока) магнитный поток в общем воздушном зазоре обеих маг­ нитных систем будет определяться равнодействующей обоих магнитных потоков — постоянного и переменного. Направле­ ние этой равнодействующей, как показано на рис. Ш-62, б, в течение каждого периода измеряемого переменного тока из­ меняется в пределах угла ± а , определяемого соотношением

В= —значение индукции постоянного магнитного поля.

Рис. Ш-62

Намагниченная подвижная пластинка, находящаяся в зоне одновременного действия постоянного и переменного магнит­ ных полей—в зоне действия их результирующего магнитного поля с переменным (колеблющимся) направлением — увлека­ ется этим результирующим магнитным полем и колеблется вместе с ним (вокруг своей вертикальной оси).

На зеркальце подвижной пластинки в гальванометре на­ правлен узкий пучок света, попадающий после отражения от этого зеркальца на полупрозрачную шкалу гальванометра. При отсутствии измеряемого тока подвижная пластинка не-

150

подвижна и на шкале гальванометра видна лишь узкая свет­ лая вертикальная полоска; если же измеряемый переменный ток не равен нулю, то подвижная пластинка вибрирует с ча­ стотой этого тока (обладая достаточно малой для этого инер­ цией), колеблется на шкале гальванометра и световая полос­ ка, но человеческий глаз, вследствие инерционности его вос­ приятия, не может заметить каждое из этих колебаний в от­ дельности, а воспримет их как соответствующее расширение видимой до этого узкой световой полоски на шкале гальвано­ метра.

Однако гальванометр, построенный только на принципах, рассмотренных выше, обладал бы весьма невысокой чувстви­ тельностью. В действительности его чувствительность повыша­ ют в десятки и в сотни раз в результате создания и использо­ вания в нем условий механического резонанса частоты собст­ венных.свободных колебаний подвижной части гальванометра с частотой измеряемого переменного тока. Поскольку частота измеряемого тока обычно бывает задана условиями примене­ ния гальванометра и не может быть изменена, то для достиже­ ния резонанса необходимо иметь возможность изменять часто­ ту собственных свободных колебаний подвижной части галь­ ванометра.

Как известно, частота собственных свободных колебаний какого-то тела, колеблющегося вокруг некоторой оси, равна

1

где W—удельный устанавливающий момент;

/—полярный момент инерции тела относительно оси его вращения (поворота).

Что касается полярного момента инерции, то его значение у подвижной части уже изготовленного гальванометра в про­ цессе эксплуатации не может быть изменяемо.

Значение же удельного устанавливающего момента можно

обусловливаемой удельным моментом закручивания растяжек

подвижной пластинке при отклонении ее плоскости от направ­ ления постоянного магнитного потока. Этот устанавливающий момент прямо пропорционален значению индукции 5= по­ стоянного магнитного поля в этом месте. Значение этой ин­ дукции В_- в рассматриваемой конструкции гальванометра

151

легко регулируется при его применении благодаря особому конструктивному выполнению его магнитной системы постоян­

примере) начнут появляться и увеличиваться постоянный маг­ нитный поток и индукция В= в воздушном зазоре и, соответ­ ственно, устанавливающий момент W2 подвижной части галь­ ванометра. При каком-то положении постоянного магнита ПМ и соответствующих значениях индукции В~ и устанавливаю­ щего момента W2 наступит резонас колебаний подвижной ча­ сти гальванометра и периодических колебаний измеряемого

Рис. 111-64

152

ГЛАВА IV

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ

Регистрирующие или самопишущие приборы — это прибо­ ры, позволяющие записывать значения измеряемой величины, меняющейся во времени, на бумажной ленте или фотопленке.

В настоящее время регистрирующие приборы нашли ис­ ключительно широкое применение во всех областях науки и техники: в производстве — для наблюдения и управления тех­ нологическими процессами, в научно-исследовательской рабо­ те — при изучении всевозможных физических явлений.

Регистрирующие приборы можно разделить на следующие группы:

1)приборы непосредственной оценки;

2)осциллографы.

§1. РЕГИСТРИРУЮЩИЕ П Р И Б О Р Ы НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

Регистрирующий или самопишущий прибор непосредствен­ ной оценки представляет собой электроизмерительный прибор, состоящий из измерительного механизма какой-либо системы и устройства, позволяющего записывать на бумажной ленте значения измеряемой величины в функции времени или какойлибо другой электрической величины.

Эта запись может быть непрерывной, если значение вели­ чины записывается сплошной линией, и может быть точечной, если записанная кривая изображается точками, отстоящими друг от друга на определенном расстоянии. В соответствии с этим самопишущие приборы делятся на две группы: с точечной записью и с непрерывной записью.

Рассмотрим устройство самопишущего прибора с непре­ рывной записью.

На рис. IV-1 изображены подвижная часть измерительного механизма прибора и бумажная лента с записью кривой.

154

Дугообразный стрелкодержатель 1 укреплен на подвижной оси 2 наряду с остальными элементами подвижной части из­ мерительного механизма. Помимо стрелки 3, показывающей значение измеряемой величины на шкале 4, на стрелкодержателе укреплена чернильница 5 с пером, прочерчивающим кри­ вую изменения исследуемой величины на бумажной ленте 6.

Рулон бумажной ленты 7, укрепленный в верхней части прибора, подает бумагу с помощью лентопротяжного механиз­ ма на валик, расположенный в нижней части (на рисунке не показан). В качестве привода для протяжки ленты исполь­ зуется обычно небольшой од­ нофазный синхронный двига­ тель или часовой механизм.

Для продвижения ленты ее края снабжают перфорацией (отверстиями) 8, в которую входят штифты валика 9 лен­ топротяжного механизма.

скорости движения могут быть значительно больше или мень­

пись производится в функции времени). Часто, с целью ис­ пользования стандартной бумаги, горизонтальная ось разби­ вается на равномерные участки, а отсчет величины осущест­ вляется с помощью прилагаемой к прибору масштабной ли­ нейки.

155

Большое влияние на качество прибора оказывает пишущее устройство, т. е. перо и чернильница. Помимо качества записи, оно определяет в большой степени момент трения пера о бума­ гу, а следовательно, момент трения подвижной части меха­ низма в целом.

Существует несколько конструкций перьев. В основном они делятся на два в и д а - - н а перья, несущие сами запас чер­ нил, т. е. с подвижной чернильницей, и на капиллярные — с по­ дачей чернил из неподвижной чернильницы через капилляр­ ную трубку.

На рис. IV-1 изображено перо, соединенное с подвижной чернильницей, в конусный резервуар которой пипеткой зали­ ваются специальные чернила, запаса которых хватает на 3-М суток непрерывной записи.

В рассмотренном приборе запись показаний ведется в прямолинейных координатах, что обеспечивается благодаря применению дугообразной стрелки.

На рис. ІѴ-2 рассмотрена конструкция лентопротяжного ме­ ханизма, обеспечивающая запись показаний в криволинейных координатах.

Рис. 1V-2

Здесь диаграммная лента сматывается с рулона /, прохо­ дит под прижимным роликом 2 и попадает на ведущий бара-

156

бан 3, откуда через два направляющих ролика наматывается на собирающую катушку 4.

Ведущий барабан и собирающая катушка приводятся во вращение от синхронного двигателя через редуктор и систему сменных шестерен. Запись производится пером, укрепленным на обычного вида стрелке прибора (не дугообразной) и сколь­ зящим по горизонтальному участку бумаги. Поскольку стрел­ ка при своем отклонении движется по дуге, диаграмма полу­ чается в криволинейных координатах.

Если в первые годы выпуска самопишущих приборов стре­ мились применять запись в прямоугольных координатах, то в последние годы (и в настоящее время) большая часть прибо­ ров выпускается с записью в криволинейных координатах. Это позволило повысить точность самопишущих приборов и вместо класса точности 2,5 (наивысшего в старых конструкциях при­ боров) выпускать приборы класса точности 1,5.

Устройство прибора с точечной записью приведено на рис.

Рис . ІѴ-З

Устройство лентопротяжного механизма в приборах с то­ чечной записью не отличается от рассмотренного выше.

Записывающий механизм в этих приборах правильнее на­ звать печатающим, так как запись производится стрелкой 1, на которую периодически опускается дужка 2, прижимающая

дужкой. Запись получается в прямолинейных координатах, так как красящая ленточка натянута по прямой линии, а стрелка по мере отклонения касается ее в разных точках своей длины.

157

Собственное потребление мощности в приборах с точечной записью примерно в сто раз меньше, чем в приборах с непре­ рывной записью. По этой причине приборы с точечной записью применяются в маломощных цепях, где по условиям измере­ ний нельзя применять приборы, потребляющие большую мощ­ ность.

К достоинствам приборов с точечной записью относится и то, что эта конструкция позволяет вести запись нескольких электрических величин одновременно. В этом случае применя­ ются разноцветные красящие ленточки, перемещение которых согласовано с переключением измерительных электрических цепей. В этом случае перед каждым опусканием дужки 2 над упором 5 оказывается соответствующая красящая ленточка.

В самопишущих приборах, по сравнению с обычными при­ борами непосредственной оценки, значительно увеличен мо­ мент трения за счет трения пера о бумагу или касания стрелки с бумагой. Возрастание момента трения влечет эа собой необ­ ходимость увеличения вращающего момента нрибора; это в первую очередь относится к приборам с непрерывной записью. Этому требованию удовлетворяют на постоянном токе ме­ ханизмы магнитоэлектрической системы, а на переменном то­ ке — ферродинамической и выпрямительной систем.

В настоящее время магнитоэлектрические самопишущие амперметры и вольтметры имеют огромный диапазон измере­ ния токов и напряжений.

Так, например, многопредельный миллиампервольтметр и ампермилливольтметр типа Н-384 охватывает общий диапазон по току — от 2 ма до 30 а, по напряжению — от 75 мв до 1000 в. Класс точности прибора 1,5.

Приборы с еще более низким нижним пределом измерения для увеличения чувствительности работают в комплекте с уси­ лителями. В приборах последних выпусков используются уси­ лители на транзисторах, построенные по компенсационной схе­ ме, или фотоэлектрические усилители. Так, например, милли­ вольтметр Н-39, рассчитанный на напряжение до 5 мв, имеет встроенный транзисторный усилитель; микроамперметр Н-341, рассчитанный на минимальный ток 50 мка — фотокомпенсаци­ онный усилитель; многопредельный прибор Н-373 с нижним пределом по току 0,5 мка и нижним пределом по напряжению 0,5 мв — фотоэлектрический усилитель; комплект аппаратуры для измерения малых сигналов Н-37 с нижним пределом по току 0,25 мка и по напряжению—0,05 мв — компенсационный усилитель типа И-37 и др. Во всех приборах постоянного тока используется измерительный механизм магнитоэлектрической системы.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы в сочета­ нии с выпрямителем (т. е. приборы выпрямительной системы)

158

широко используются в самопишущих амперметрах и вольт­ метрах переменного тока, позволяя вести запись токов часто­ той от 45 до 10 000 гц (как, например, приборы типа Н-353). На промышленной частоте 50 гц используются, как правило, ферродинамические измерительные механизмы. Для измере­ ния токов более 5 а и напряжений более 600 в приборы вклю­ чаются в цепь через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Для записи функциональной зависимости двух любых ве­ личин, преобразованных в значения напряжения или тока (как, например, характеристик полупроводников, нелинейных элементов и др.), промышленностью выпускаются двухкоординатные регистрирующие приборы типа Н-359 (регистратор) в комплекте с двумя компенсационными усилителями Ф-359. В заключение следует сказать, что самопишущие приборы ис­ пользуются не только в качестве измерителей тока и напряже­ ния, но находят широкое применение для записи частоты, ак­ тивной и реактивной мощности и других электрических вели­ чин. Удельный вес этих приборов в измерительной технике непрерывно растет.

§ 2. О С Ц И Л Л О Г Р А Ф Ы

Осциллографы используются для исследования быстро из­ меняющихся величин. С помощью осциллографов можно ис­ следовать кривые изменения тока, напряжения и мощности и различных неэлектричеоких величин, если они предварительно преобразованы в электрические величины. Осциллографы да­ ют возможность исследовать явления включения и выключе­ ния электрических машин и аппаратов, различные аварийные процессы и т. п. Осциллографы в настоящее время являются основными приборами для научно-исследовательских и техни­ ческих испытаний. Они получили очень широкое распростране­ ние не только в электроизмерительной технике, но и в медици­ не, биологии, сейсмографии, в строительном деле, в авиацион­ ной технике и в других отраслях науки и техники.

По принципу действия осциллографы делятся на светолучевые (вибраторные) и электронные.

Светолучевые осциллографы применяются для исследова­ ния электрических величин, изменяющихся во времени с ча­ стотой до 1—5 кгц. Электронные осциллографы получили при­ менение для наблюдения и исследования кривых электриче­ ских величин, изменяющихся с частотой от нескольких герц до тысяч мегагерц.

159