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

У приборов с равномерной или близкой к ней шкалой класс точности показывается на шкале крупной цифрой, а по старо­ му ГОСТ 1845—52 — цифрой, обведенной кружком.

Условное обозначение классов точности приборов с равно­

делы возможных действительных значений измеряемой вели­ чины.

3. Рассчитать допустимые абсолютную и относительную погрешности измерения сопротивления на омметре типа М371, если прибор включен на предел 0—1000 ом. Показание стрел­ ки прибора 550 ом, класс точности 1,5, длина рабочей части шкалы 67 мм (задана паспортом омметра).

70

Определяем наибольшую допустимую линейную погреш­ ность

Смотрим, какое значение сопротивления на шкале омметра укладывается на отрезке в 1 мм от отметки 550 ом. Оно равно 50 ом. Это и будет допустимая абсолютная погрешность изме­ рения в данной точке шкалы. (Поскольку шкала сильно не­ равномерна, в разных ее точках «а отрезке .в 1 мм .будут укла­ дываться разные сопротивления и погрешность измерения, следовательно, будет меняться по всей шкале).

Действительное значение измеряемого сопротивления должно находиться в диапазоне от 500 до 600 ом, так как

/ ? д = ( 5 5 0 + 5 0 ) ом.

Чувствительность приборов

Чувствительность прибора непосредственной оценки S ха­ рактеризуется отношением изменения угла отклонения под­ вижной части механизма da к соответствующему ему измене­ нию измеряемой величины dA

dA

В дальнейшем, при рассмотрении систем приборов, будет уста­ новлено, что шкала прибора может быть как равномерной, так

инеравномерной.

Вслучае равномерной шкалы между отклонением стрелки прибора и измеряемой величиной существует прямая пропор­ циональность и, следовательно, чув­

71

При неравномерной шкале чувствительность прибора ме­ няется от точки к точке. На рисунке кривая 2 представляет зависимость S=/(a ) для прибора электродинамической систе­ мы, имеющего неравномерную шкалу.

В зависимости от измеряемой величины различают чувст­ вительности по току, напряжению, мощности:

называется иначе «ценой деления». Она показывает, какое зна­ чение измеряемой величины следует подвести к прибору, что­

Расчет показывает, что первый амперметр имеет низкую чув­ ствительность и вообще не в состоянии измерить ток сущест­ венно меньше 0,5 а, но точность его в рабочем диапазоне до­

72

Собственная потребляемая мощность приборов

Работа измерительного прибора часто сопровождается по­ треблением мощности от источника питания электрической схемы. Величина потребляемой мощности имеет существенное значение по следующим причинам.

1. Включение в электрическую цепь измерительного при­ бора, потребляющего большую мощность, вызовет изменение

2. Большая потребляемая мощность приводит к нагрева­ нию прибора. Во избежание перегрева приходится интенсивнее охлаждать поверхность, а также увеличивать габариты шун­ тов, добавочных сопротивлений, измерительных трансформа­ торов, что удорожает схему и делает ее более громоздкой.

Таким образам, малое собственное потребление мощности измерительным прибором является его определенным метро­ логическим достоинствам. В зависимости от конструкции (си­ стемы) прибора и пределов измерения собственная потребля­ емая мощность приборов непосредственной оценки колеблется в широких пределах —от сотых и тысячных долей ватта до де­ сятков ватт. В каждом конкретном случае она рассчитывается по номинальному значению шкалы прибора и его внутреннему сопротивлению.

73

екая, ферродинамичеокая и индукционная системы. Условные обозначения основных систем приведены в табл. I I I - 1 . Магни­ тоэлектрические приборы, сами по себе пригодные для измере­ ний только в цѳпях*посточнного тока, применяются с различ­ ными преобразователями переменного тока в пропорциональ­ ный ему постоянный, что позволяет использовать эти приборы в цепях переменного тока. Поскольку наличие преобразова­ телей существенно изменяет свойства прибора в целом, магни­ тоэлектрические приборы с преобразователями выделены в особые системы: выпрямительную, термоэлектрическую и электронную. Ниже рассматриваются устройство и измери­ тельные свойства основных систем электроизмерительных приборов.

Приборы магнитоэлектрической системы

Работа магнитоэлектрического измерительного механизма основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по обмотке подвижной катуш­ ки, называемой иначе «рамкой» прибора.

Как известно, на проводник с током, помещенный в маг­ нитное поле, действует механическая сила, направление кото­ рой можно определить, пользуясь правилом левой руки.

Если в магнитное поле помещена катушка, укрепленная на подвижной оси, на нее будет действовать пара сил, создаю­ щая вращающий момент. Будем считать размеры и геометри­ ческую форму катушки заданными в соответствии с обозначе­ ниями, принятыми на рис. 111 -10 а, б.

Здесь /—длина активной стороны одного витка; Ь—ширина витка;

w—количество витков в катушке.

Рис . III-10

74

Определим силу F, действующую на каждую активную сто­ рону рамки, если ток в раміке / и индукция магнитного поля постоянного магнита В. Из курса электротехники известна формула, связывающая эти величины,

Для получения линейной зависимости между током / и си­ лой F необходимо создание равномерно радиального поля в воздушном зазоре магнитной системы прибора. Для этого при­ нимаются специальные меры: полюсные наконечники / по­ стоянного магнита, изображенные на рис. 111-10, б, имеют ци­ линдрическую расточку, а внутри свободно вращающейся ка­ тушки 2 располагается неподвижный цилиндрический сердеч­ ник 3 из магнитомягкого материала. В такой конструкции век­ торы тока и индукции магнитного поля всегда взаимно пер­ пендикулярны и, следовательно, sin(ß/) = l . Тогда формула ( 111-8) примет вид

F = BIlw.

Вращающий момент, действующий на каждую сторону рамки, равен произведению силы F, перпендикулярной к стороне рам-

Ь

ки, на плечо -^, а вращающий момент для пары сил

Мвр = 2F А - F b = В I I w b = BISw,

где S = l-b—площадь одного витка рамки.

Противодействующий момент создается в приборе с по­ мощью спиральных пружинок, рассмотренных ранее, и в соот­ ветствии с формулой (ПІ-3) равен

Мпр = Wa,

где а—угол поворота подвижной части; W—удельный момент закручивания пружинок.

Система уравновешена, когда вращающий и противодейст­ вующий момент равны

Мвр = Мпр или В1 Sw = а W.

Решив уравнение относительно угла а, на который откло­ нится рамка при протекании тока /, получим

BSw ,

Здесь В, S, w, W для данного прибора — величины постоян­ ные, определяющие его чувствительность S,,

BSw

75

го механизма магнитоэлектрической системы изображена на рис. 111-11, где / — сильный постоянный магнит; 2 — полюсные

магнитного поля в воздушном зазо-ре между полюсными нако­

индукцию магнитного поля в воздушном зазоре. При измене­ нии положения магнитного шунта относительно полюсных на­ конечников, большая или меньшая часть магнитного потока замыкается через шунт, изменяя тем самым магнитный поток в зазоре; 7—магнитопровод из магнитомягкого металла.

к

Рис.

Вкачестве успокоителя в приборах магнитоэлектрической системы используется каркас подвижной катушки 3.

Магнитная система является одним из основных элементов механизма. Устройство ее в современных конструкциях весьма разнообразно. На смену применявшимся ранее постоянным магнитам исключительно подковообразной формы пришли магниты новых форм, позволившие значительно уменьшить габариты приборов.

76

Современные магниты изготовляются в основном из никельалюминийкобальтовых сталей, обладающих значительно большей удельной магнитной энергией, чем применявшиеся раньше вольфрамовые стали: индукция в зазоре современных приборов в два-три раза больше, чем в приборах старых кон­ струкций.

выпускаются магнитоэлектрические приборы всех классов точ­ ности, до самого высокого, т. е. 0,05.

Шкала магнитоэлектрических приборов равномерна благо­ даря прямой пропорциональности между током и углом от­ клонения подвижной части механизма (что непосредственно следует из формулы (III-9).

Чувствительность магнитоэлектрических приборов постоян­ на по всей шкале, что тоже следует из уравнения (III-9), и мо­ жет быть очень высокой. В гальванометрах этой системы чувствительность достигает 1010'—1012 мм/а. Получение столь высокой чувствительности достижимо благодаря возможности создавать в приборе сильное магнитное поле. Так, например, специальные магнитные сплавы обеспечивают индукцию маг­ нитного поля в зазоре порядка 0,5 тл.

Благодаря собственному сильному магнитному полю при­ боры магнитоэлектрической системы в значительно меньшей степени подвержены влиянию внешних магнитных полей, чем приборы непосредственной оценки других систем.

Расход мощности в магнитоэлектрических измерительных механизмах весьма незначителен, что является их достоинст­ вом; в амперметрах он составляет обычно доли ватта, в вольт­ метрах не превышает 1 —1,5 вт. Приборы магнитоэлектриче­ ской системы пригодны для работы только на постоянном токе и это существенно ограничивает область их применения.

Присоединяя прибор к цепи постоянного тока, следует соб­ людать полярность включения, т. е. обеспечить вполне опреде­ ленное направление тока в рамке. В противном случае стрелка отклонится влево от нуля, что исключает возможность изме­ рения. Для правильного включения на приборе у правого за­ жима (если смотреть на прибор со стороны шкалы) ставится знак + ; этим зажимом прибор присоединяется к положитель­ ному полюсу источника электроэнергии.

Если же магнитоэлектрический прибор включить в цепь синусоидального тока, стрелка его останется вблизи от нуле­ вого положения. Подвижная часть измерительного механизма, обладая определенной инерционностью, не успевает следовать за мгновенным изменением переменного тока и реагирует на

77

прибор измеряет среднее значение тока за период или «нуле­

Однако изменение упругих свойств пружинок и изменение магнитного потока практически взаимно компенсируются, так

ся удельный момент закручивания пружинок, т. е. пропорцио­ нально уменьшаются и УИвр и Мпр.

Значительно большее значение может иметь изменение сопротивления обмотки рамки, так как температурный коэф­ фициент меди или алюминия достаточно велик (4% на 10°С).

Для уменьшения температурных влияний на показания прибора пользуются схемами температурной компенсации, рассмотренными ниже на примере амперметров.

Ниже рассматриваются амперметры, вольтметры и логометры магнитоэлектрической системы, широко применяющие­ ся в цепях постоянного тока для измерения силы тока, на­ пряжения и сопротивления.

А м п е р м е т р ы

Амперметры — это приборы, предназначенные для измере­ ния тока. Амперметры включаются в электрическую цепь по­ следовательно с нагрузкой, ток которой они измеряют (рис. Ш-12).

При измерении малых токов, порядка милли- и микроам­ пер, измерительный механизм включается в цепь последова­ тельно, так что весь измеряемый ток протекает через рамку прибора.

При измерении больших токоів, на которые не рассчитан провод рамки и которые не могут быть пропущены в рамку че-

78

рез спиральные пружинки, измерительный механизм включа­ ется в цепь параллельно шунтирующему сопротивлению, как это показано на рис. I I 1-13.

У амперметров с шунтом измеряемый ток проходит по двум параллельным ветвям—шунту /?„, и цепи измерительного ме­ ханизма /?и м . Обозначим через / измеряемый ток и через /и м —номинальный тон измерительного механизма

R + R

Амперметры выпускаются на один или несколько пределов. В многопредельном амперметре каждому пределу измерений соответствует определенное шунтирующее сопротивление, включаемое параллельно измерительному механизму.

На воздействие температуры амперметры с шунтами и без шунтов реагируют по-разному.

Вамперметрах без шунтов, измеряющих малые токи, тем­ пературная погрешность практически не возникает, так как весь ток целиком проходит через рамку прибора.

Вамперметрах с шунтами изменение температуры окру­ жающей среды вызывает перераспределение токов в парал­ лельных ветвях с Rm и /?и м . Сопротивление шунтов обычно

выполняется из манганина — материала, обладающего нич­ тожным температурным коэффициентом, которое практически не меняется с температурой, в то время как сопротивление рамки меняется значительно. Поэтому с изменением темпера­ туры нарушается соотношение токов, при котором производи-

79