Введение

Электроизмерительные приборы позволяют измерять силу тока, напряжение, мощность и другие электрические величины. Основной частью каждого измерительного прибора является измерительный механизм. В зависимости от принципа действия измерительные механизмы и приборы относят к одной из следующих систем: магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электронной и т. д.

1. ПРИБОРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

У приборов магнитоэлектрической системы подвижная часть измерительного механизма (рис. 1.1) представляет собою рамку В − плоскую катушку, намотанную на легкий прямоугольный каркас. Рамка может вращаться в зазоре между неподвижным стальным цилиндром А и полюсами наконечников постоянного магнита (N'S¢). Концы обмотки соединяются со спиральными пружинами Е, через которые подводится ток. К рамке жестко прикреплена стрелка С. В зазоре между наконечниками магнита и стальным цилиндром создается постоянное магнитное поле с индукцией В. Вращающий момент М, действующий на рамку, равен:

, (1)

где − магнитный момент плоской рамки (напомним, что = SNI , S− площадь рамки, − нормаль к плоскости рамки, N − число витков провода в рамке, I − сила тока в рамке).

Если и перпендикулярны друг другу (конфигурация поля в зазоре обеспечивает выполнение этого условия при поворотах рамки), то момент силы, действующий на рамку с током, равен М= BSIN, или

М=К₁I, (2)

где К₁ = BSN.

рис. 1.1

Вращение рамки вызывает закручивание пружин, в которых возникает противодействующий момент упругих сил М_p, пропорциональный углу закручивания (поворота рамки) a:

М_p = К₂a. (3)

При равенстве моментов (2) и (3) стрелка прибора останавливается. В этом случае выполняется условие К₁I= К₂a, откуда

a = IK₁/К₂ = IС₁ (4)

где С₁ − постоянная прибора, определяющая цену его деления.

Из уравнения (4) следует, что сила тока может быть определена по углу поворота измерительного механизма α.

Магнитное поле в зазоре, где движется рамка с током, обычно достаточно велико, поэтому даже слабый ток вызывает значительный вращающий момент и внешние магнитные поля практически не вносят погрешности в результат измерения.

К достоинствам приборов магнитоэлектрической системы можно отнести: равномерность шкалы; высокую чувствительность и точность; малое потребление энергии из измеряемой цепи; нечувствительность к внешним магнитным полям; к недостаткам: измерение только постоянного тока; измерительный механизм выходит из строя при перегрузках; чувствительность к внешним механическим воздействиям подвижной рамки.

2. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

Измерительный механизм электромагнитной системы (рис. 1.2) состоит из неподвижной катушки А и подвижного ферромагнитного сердечника В, укрепленного на одной оси со стрелкой прибора С.

К этой же оси прикреплен один из концов спиральной пружины Е, создающей при закручивании противодействующий момент сил.

Под действием магнитного поля, создаваемого измеряемым током, протекающим через катушку, сердечник втягивается в катушку, стремясь расположиться так, чтобы энергия системы была минимальна. Так как энергия магнитного поля катушки пропорциональна квадрату силы тока, протекающего через нее, можно считать, что сила, втягивающая сердечник, и вращающий момент будут зависеть от силы тока квадратично: М=К₃I², где К₃ − коэффициент, зависящий от формы сердечника и конфигурации магнитного поля.

Если момент, обусловленный взаимодействием магнитного поля и тока, равен моменту упругих сил (3), то стрелка останавливается, т. е. К₃I²= К₂a, откуда

a = К₃/ К₂I²=С₂ I². (5)

Угол поворота стрелки прибора α пропорционален квадрату силы тока (5) и, следовательно, не зависит от направления тока, поэтому такие приборы пригодны для измерения как постоянного, так и переменного тока.

Поле катушки из-за ее большого поперечного сечения относительно невелико. Поэтому для защиты от внешних магнитных полей используют либо железный экран, либо астатическое устройство механизма.

В астатическом приборе (рис. 1.3) имеются две одинаковые катушки, расположенные с двух сторон от оси с двумя сердечниками. Катушки намотаны так, что поле одной направлено противоположно полю другой. Внешнее поле, усиливая действие одной, ослабляет действие другой и в результате практически не оказывает влияния на показания прибора.

Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются: измерение как постоянного, так и переменного тока; устойчивость к внешним механическим воздействиям; высокая перегрузочная способность.

К недостаткам можно отнести: неравномерность шкалы; зависимость показаний прибора от внешних магнитных полей; относительно большое потребление энергии от измеряемой цепи.

3. приборы ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии проводников с током, а именно двух катушек − неподвижной Б и подвижной В (рис. 1.4). Устройство таких приборов аналогично устройству приборов магнитоэлектрической системы за тем исключением, что магнитное поле, в котором поворачивается рамка с током В, создается неподвижной катушкой Б, по которой течет измеряемый ток.

Если магнитное поле создается неподвижной катушкой, сила тока в которой I_1, а в подвижной катушке − I₂, то вращающий момент, действующий на последнюю, равен М= К₄I₁I₂cosj, где К₄ − коэффициент, зависящий от конструкции прибора; j − сдвиг фаз между силами токов I₁ и I₂.

Так же, как и в других приборах, спиральная пружина обеспечивает возникновение противоположного момента сил (3), что приводит к пропорциональности угла поворота a катушки В произведению I₁I₂:

a= C₃ I₁I₂ cos j. (6)

Если катушки соединены последовательно, то I₁ = I₂ = I, и

a = (K₄/K₂) I²=C₃ I₂. (7)

Таким образом, шкала приборов этой системы неравномерна, но благодаря пропорциональности угла поворота a квадрату силы тока (7) эти приборы могут измерять переменный ток.

Кроме того, приборы электродинамической системы могут быть использованы для измерения полезной мощности, выделяющейся в цепи (нагрузке). Если обмотку неподвижной катушки (обычно она имеет большое сопротивление) включить параллельно нагрузке, а подвижную катушку последовательно с нагрузкой, то показания прибора окажутся пропорциональными мощности, потребляемой нагрузкой Р_н. Действительно, из формулы (6), согласно закону Ома, можно получить:

a= C₃ I₁I₂ cosj.= С₃( U_н I_н /R_н) cosj = С₃P_н /R == С₄P_н , (8)

где R — сопротивление неподвижной катушки.

Достоинствами приборов электродинамической системы являются: возможность измерения как постоянных, так и переменных токов; возможность измерения мощности (причем шкала мощности равномерна).

К недостаткам относятся: неравномерность шкалы при измерении силы тока; сильное влияние внешних магнитных полей; значительное собственное потребление энергии; низкая перегрузочная способность; низкая устойчивость к внешним механическим воздействиям.

4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

К классу электронных относятся приборы, в которых происходит преобразование измеряемого электрического параметра с помощью электрических устройств. В них в качестве индикаторов могут использоваться различные устройства: цифровые индикаторы, ионные приборы, светодиоды, электронно-лучевые приборы, а также описанные выше электроизмерительные механизмы. Рассмотрим устройство наиболее простых электронных приборов − электронных вольтметров с индикаторами магнитоэлектрической системы. Блок-схема такого прибора приведена на рис. 1.5.

Как видно из рисунка, измеряемое напряжение подается на входные цепи прибора, где расположены делители напряжения и предварительный усилитель. Затем оно усиливается до значения, необходимого для эффективной работы индикатора, выпрямляется и визуализируется индикатором. При измерении больших значений напряжения оно ослабляется входным калиброванным делителем напряжения, чтобы избежать перегрузки усилителя и индикатора. Если входное напряжение мало, то используется предварительный усилитель, который дополнительно усиливает напряжение для эффективной работы регистрирующей системы. Таким образом, используя различные входные цепи, можно расширять пределы измерения и тем самым повышать чувствительность прибора во много раз.

Для измерения постоянных напряжений используются приборы, построенные на базе электронных усилителей постоянного тока. Однако последние обладают рядом существенных недостатков (нестабильность нуля и коэффициента усиления), поэтому в настоящее время в массовых приборах используют двойное преобразование постоянного тока (рис. 1.6): измеряемое постоянное напряжение преобразуется в переменное, усиливается, выпрямляется и поступает на индикатор.

Для измерения силы тока применяют приборы, построенные по аналогичным схемам. В них используется калиброванное входное сопротивление, которое включается последовательно в измеряемую цепь. Так как напряжение на этом сопротивлении пропорционально силе тока, протекающего через него, то для определения силы тока достаточно с помощью описанных выше электронных вольтметров измерить напряжение на калиброванном сопротивлении и отградуировать индикатор.

Достоинствами электронных приборов являются существенное расширение диапазона измерения электрических параметров одним прибором и уменьшение во много раз потребления энергии из измеряемой цепи. Так, электронные вольтметры имеют большое входное сопротивление (большее 10⁶ Ом) и могут измерять напряжение от 10^-6 В, а электронные амперметры измеряют силу тока от 10^-9 А. К недостаткам этих приборов можно отнести сложность конструкции и необходимость дополнительного источника питания.