15.2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Известно, что электрический ток действует на магнитную стрелку. Сила взаимодействия прямо пропорциональна величине тока. На этом принципе были построены первые приборы для измерения тока (рис. 15.1). Магнитная стрелка подвешена на тонкой бронзовой проволочке. Верхняя часть проволочки закреплена на круглой ручке с указателем. Ручка может поворачиваться. При этом указатель перемещается на шкале, установленной на корпусе прибора. На этом же корпусе нанесена отметка начального положения магнитной стрелки. На нашем рисунке — это вертикальная черточка около стрелки.

При измерении тока прибор располагают так, чтобы стрелка была параллельна проводу. Когда в проводе появляется ток, стрелка отклоняется и стремится установиться перпендикулярно проводу, вдоль магнитных силовых линий.

Но этому повороту препятствует бронзовая проволочка, которая закручивается и создает противодействующий момент. Чем больше ток в проводе, тем большая сила действует на магнитную стрелку, тем больше угол закручивания проволочки.

Для измерения тока ручку прибора поворачивают так, чтобы магнитная стрелка вернулась в начальное положе ние. При этом указатель на ручке покажет величину тока в некоторых условных единицах.

Интересно, что многие великие электротехнические открытия были сделаны с помощью этого примитивного прибора. Например, именно таким прибором пользовался Ом, когда установил свой знаменитый закон.

Уже в первых приборах были найдены все основные элементы, которые сохранились до наших дней. Это, во-первых, устройство, создающее движущий момент за счет взаимодействия измеряемого тока и магнитного поля, во-вторых, — устройство для создания противодействующего момента, в-третьих — отсчетное устройство.

Рассмотрим теперь современный прибор для измерения постоянного тока (рис. 15.2).

Сильный постоянный магнит неподвижно установлен в корпусе прибора.

Для увеличения движущей силы измеряемый ток многократно помещают в магнитное поле магнита, т. е. его пропускают через катушку, имеющую форму прямоугольной рамки.

Рамка находится в зазоре между полюсами постоянного магнита и укреплена на оси, вокруг которой она может поворачиваться. Ток в рамку поступает через две спиральные пружины. Один конец спиральки закреплен неподвижно на корпусе прибора, а другой — на оси. Конечно, спиральки изолированы специальными прокладками и от оси, и от корпуса. Пружинки выполнены из специальной фосфористой бронзы. Они хорошо проводят электрический ток и обладают упругими свойствами. Их механические параметры не должны изменяться со временем и под влиянием нагрева.

Направление силы, с которой магнит действует на рамку с током, может быть найдено по правилу левой руки.

В положении, показанном на рисунке, магнитное поле стремится повернуть рамку по часовой стрелке. Повороту рамки препятствует спиральная пружина, угол закручивания которой пропорционален действующей на рамку силе, т. е. пропорционален току.

На оси прибора установлена стрелка, которая перемещается по шкале и позволяет отсчитать значение тока.

По принципу действия такие приборы называют магнитоэлектрическими.

Магнитоэлектрические приборы пригодны только для измерения токов постоянного направления. Переменный ток низкой частоты вызывает колебания стрелки вправо и влево, а при частоте 50 Гц стрелка прибора не успевает перемещаться вслед за изменением тока и останавливается вблизи нулевой отметки.

Для того чтобы узнать свойства прибора, вспомним формулу силы, действующей на проводник в магнитном поле:

В магнитоэлектрическом приборе сильное магнитное поле, поэтому даже небольшой ток создает значительную движущую силу. Это означает, что прибор обладает высокой чувствительностью, позволяет измерять очень маленькие токи.

Эти токи могут составлять несколько милли- или даже микроампер.

Сила F прямо пропорциональна току, поэтому и угол поворота стрелки прямо пропорционален току — ткала прибора получается равномерной. Это важное преимущество, так как с равномерной шкалой работать очень удобно.

Наиболее важной характеристикой электроизмерительного прибора является его точность. Количественной оценкой точности служит погрешность измерения.

Пусть при измерении тока I прибор показывает другое значение — Тогда абсолютная погрешность измерения равна разности:

Абсолютная погрешность может иметь и положительное, и отрицательное значение, поскольку электроизмерительный прибор может показать ток больше или меньше действительного тока в цепи.

Во многих случаях абсолютная погрешность не позволяет оценить качество измерений.

Удобнее использовать относительную погрешность, т. е. разделить погрешность на ток в цепи и выразить результат в процентах. Действительно, если абсолютная погрешность равна 0,1 А, то в том случае, когда речь идет об измерении тока 100 А, это очень хороший результат, если же с погрешностью 0,1 А измерить ток 1 А, результат будет весьма сомнителен.

Таким образом, мы будем использовать относительную погрешность, которую будем находить по такой формуле:

Относительная погрешность характеризует точность измерения, но не может охарактеризовать точность конкретного электроизмерительного прибора.

Пусть, например, мы имеем амперметр с пределами измерения 0—10 А, который имеет по всей шкале примерно постоянную абсолютную погрешность 0,1 А.

Если прибор измеряет ток 1 — 10 А, то его относительная погрешность

При измерении тока погрешность возрастает вдвое:

и, наконец, току будет соответствовать относительная погрешность

Нужно было выбрать одно какое-то число, чтобы сравнивать приборы по точности.

В качестве такой оценки используют относительную приведенную погрешность — отношение абсолютной погрешности к предельному значению измеряемого тока, т. е. к наибольшему его значению, которое может быть измерено по шкале прибора:

Из трех значений относительной погрешности для амперметра на 10 А мы выбрали первое. Теперь мы можем утверждать, что наш амперметр позволяет измерять ток с погрешностью 1 %. Говорят также, что этот прибор имеет первый класс точности. Это значит, что завод, выпускающий такие амперметры, гарантирует относительную по грешность измерения не выше верхнего предела измерения, т. е. 10 А.

Существуют более точные приборы класса 0,5; 0,2; 0,1 и даже 0,05. Эти числа определяют относительную погрешность прибора. Такие приборы применяют в точных научных экспериментах. В промышленной практике нужны более грубые приборы класса 1,5; 2,5 и 4,0.

Класс точности прибора всегда нужно принимать во внимание при измерении тока.

Пример 1. Определить погрешность при измерении тока амперметром на 30 А класса точности 1,5, если он показал 10 А.

Наибольшая возможная абсолютная погрешность прибора

Следовательно, истинное значение тока лежит в пределах , а относительная погрешность измерения составляет

Неопытные экспериментаторы стараются во всех случаях применять самый точный прибор. Следующий пример покажет, что это не всегда приводит к наилучшим результатам.

Пример 2. Измерим ток прибором на класса точности 0,5 (это точный лабораторный прибор). Определим предельную абсолютную погрешность этого прибора:

Относительная погрешность измерения составляет

Измерения произведены достаточно грубо.

Поменяем теперь прибор. Возьмем технический прибор класса точности 2,5, но с меньшим пределом измерения ().

Абсолютная погрешность такого прибора меньше:

и, следовательно, относительная погрешность измерения тоже будет меньше:

— она совпадает с классом точности прибора.

Этот поучительный пример подсказывает одно важное практическое правило:

измерительный прибор нужно подбирать так, чтобы при измерении стрелка находилась в правой части шкалы, ближе к верхнему пределу.

Соблюдение этого правила обеспечит меньшую относительную погрешность измерения.

Другой важной характеристикой прибора является чувствительность.

Чувствительность амперметра — это отношение перемещения стрелки по шкале прибора к изменению тока. Если обозначить чувствительность буквой S, а угловое перемещение стрелки то

У прибора с равномерной шкалой чувствительность постоянна. Приблизительно чувствительность можно определить по верхнему пределу измерения. Чем меньше пределы измерения амперметра, тем выше его чувствительность.

Часто говорят о пороге чувствительности прибора. Это наименьшее значение тока, способное вызвать заметное перемещение стрелки.

Часто слово «чувствительность» ставят рядом со словом «точность». Говорят: «очень точный и чувствительный прибор», считая, что эти слова — синонимы. В действительности между точностью и чувствительностью нет прямой связи.

Сравним между собой два амперметра с одинаковой шкалой, имеющей 100 делений.

Очень точный амперметр на 100 А класса 0,2 будет иметь чувствительность .

Очень грубый микроамперметр на 10 мкА класса 2,5 обладает чувствительностью , т. е. в 10 миллионов раз большей, хотя погрешность его в 12,5 раза выше.

Все, что мы узнали о классах точности, погрешности и чувствительности, относится, конечно, не только к амперметрам, но и ко всем электроизмерительным приборам.