3-2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ И ВОЛЬТМЕТРЫ

Электромеханические измерительные приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей: неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной, механически или оптически связанной с отсчетным устройством.

Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называется ценой деления. Цена деления равномерной шкалы равна конечному значению измеряемой величины на шкале деленному на число делений Цену деления обычно выбирают кратной погрешности прибора: или Таким образом, по цене деления можно получить представление об абсолютной погрешности прибора.

Шкала называется односторонней, если нулевая отметка помещена у ее начала, и двусторонней — при нуле посередине. Шкалу наносят на циферблат прибора; на нем же помещают название прибора и условные обозначения (см. табл. П6).

Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал, удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочными.

Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запрессованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (рис. 3-4, а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому

подвижную часть устанавливают на растяжках (рис. 3-4, б), а в чувствительных гальванометрах — на подвесе (рис. 3-4,в). Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие нити или ленты из платиново-серебряного сплава. Измеряемый ток поступает в подвижную часть прибора через эти нити или ленты; в приборе на подвесе вторым проводником является безмоментная лента. В особо чувствительных гальванометрах безмоментная лента делается из золота толщиной 200-300 нм.

Рис. 3-4. Способы установки подвижной части прибора: а — на оси; б - на растяжках; в — на подвесе 1 — корпус; 2 — регулировочный винт; 3 — подпятник; 4 — керн; 5 — ось; 6 — растяжка; 7 — пружина; 8 — крепящий контактный винт; 9 рамка; 10 — подвес; II — зеркало; 12 - безмоментная лента

Электромеханический измерительный прибор содержит следующие узлы: узел, создающий вращающий момент; узел, создающий противодействующий момент; успокоитель. Электромагнитная энергия поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент, и вызывает поворот подвижной части прибора. Вращающий момент можно выразить известным уравнением Лагранжа второго рода:

Под воздействием вращающего момента подвижная часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент направленный навстречу вращающему моменту. Противодействующий момент можно получить за счет механических или электрических сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте последней. Механический

противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а:

где удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

Во втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины в соответствии с формулой

Движение подвижной части прибора прекращается в некотором положении когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными друг другу: (рис. 3-4, г). Подставляя значения из формул и можно получить выражение для угла поворота подвижной части прибора в виде

Если противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии, движение прекращается в момент достижения равенства двух моментов противоположного направления. В общем виде на основе формулы выражения для моментов можно записать так: где электрические измеряемые величины. При равенстве моментов вынося функции в левую часть, получим

Обозначим тогда или, вводя обратную функцию получим выражение для угла поворота

Отсюда следует, что а зависит от отношения двух электрических величин. Такие приборы называются логометрами (от греческого — отношение).

Успокоитель предназначается для убыстрения процесса затухания колебаний подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения

где коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя; угловая скорость перемещения подвижной части.

Наиболее паспространены воздушные, жидкостные и магнитоиндукыионные успокоители (рис. 3-5), с помощью которых время успокоения сокращается до 3—4 с.

Электромеханические приборы по точности делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую они разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамичё-ская) и электростатическая.

Магнитоэлектрические приборы. Узел для создания вращающего момента состоит из сильного постоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток (рис. 3-6, а). Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т. е. в радиальном магнитном поле. Принцип работы магнитоэлектрических приборов заключается во взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил (рис. 3-6, б), создающая вращающий момент.

Рис. 3-5. Успокоители: а — воздушный; б - магнитоиндукционный

Энергия магнитоэлектрической системы является суммой энергии поля магнита энергии катушки с током и энергии взаимодействия поля магнита и катушки с током где потокосцепление, численно равное произведению числа силовых магнитных линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при ее повороте на угол а, на число витков ее обмоткиг

Здесь В — магнитная индукция в зазоре, площадь обеих сторон катушки,

Таким образом, вся энергия, сосредоточенная в узле, вызывающем вращающий момент, равна

На основании формулы дифференцируя выражение (3-14) по перемещению, получим уравнение вращающего момента

На основании формулы аналогично выражению (3-10) отклонение подвижной части прибора подчинено следующей зависимости:

где чувствительность прибора по току.

Рис. 3-6. Магнитоэлектрический прибор 1 — корректор; 2 — противодействующие пружины; 3 — подвижная катушка; 4 — полюсные наконечники; 5 стрелка; 6 — сердечник

Формула (3-16) является уравнением шкалы прибора магнитоэлектрической системы. Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально измеряемому току, шкала равномерна (линейна), при включении следует соблюдать полярность, так как прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь, по которой протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов; в цепи с

током синусоидальной формы вследствие инерционности подвижной части показания будут равны нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гц подвижная часть с указателем будет совершать колебательные движения. Это свойство магнитоэлектрических приборов используется для индикации частоты, близкой к нулю, например частоты биений.

Время установления показаний сокращается с помощью электромагнитного успокоения, возникающего за счет индуцированного тока в катушке, возбуждаемого при пересечении ею магнитного поля: где индуцированная сумма сопротивлений подвижной катушки и внешней цепи, на которую она замкнута;

Аналогично формуле (3-15) находим момент электромагнитного успокоения

Коэффициент успокоения в соответствии с формулой (3-12)

Для увеличения коэффициента успокоения нужно уменьшать общее сопротивление, что не всегда возможно. Простой выход состоит в том, что катушка наматывается на алюминиевом каркасе, в котором индуцируется тогда формула (3-17) примет следующий вид:

где электрическое сопротивление каркаса.

Если катушку утяжелять нежелательно, то она выполняется бескаркасной (витки склеиваются), а для получения индуцированной ЭДС наматывают дополнительный короткозамкнутый виток.

Имеются конструкции магнитоэлектрических приборов с неподвижной катушкой и подвижным магнитом на одной оси с указателем (рис. 3-6, в).

Достоинства магнитоэлектрических приборов: высокая чувствительность ; высокая точность класса 0,05); малое потребление мощности от измеряемой цепи влияющая величина — только температура

окружающей среды. Недостатки: сравнительная сложность изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных перегрузок (обычно деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

Магнитоэлектрические приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный — и для измерений в цепях переменного тока.

Амперметры. Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра.

Для измерения больших постоянных токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт, представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50 А применяют наружные шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами или наружными магазинами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки) Для электрической цепи, представленной на рис. 3-7, а, справедливы следующие равенства: Отсюда находим сопротивление шунта: Очевидно, что через катушку прибора будет протекать часть измеряемого тока, а через шунт — в раз больше.

Погрешность шунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов (от 0,005 до и разных температурных коэффициентов сопротивления катушки и шунта.

Вольтметры. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение. В этом случае уравнение (3-16) следует переписать в виде

где чувствительность вольтметра по напряжению; сопротивление проводов катушки.

Как уже было сказано, сопротивление обмотки катушки мало и для измерения больших напряжений последовательно ей включают добавочные резисторы с сопротивлением

Пусть задано расширить предел измерения в раз. Для электрической цепи, представленной на рис. 3-7, б, можно написать: откуда Очевидно, что на катушке прибора падение напряжения составит часть измеряемого напряжения, а на добавочном резисторе в раз больше; формуле (3-18) вместо нужно подставлять

Рис. 3-7. Схема расширения пределов измерения: а — амперметра; б - вольтметра

Рис. 3-8. Графики различных режимов движения подвижной части гальванометра

Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества называются гальванометрами. Класс точности гальванометрам не присваивается. Гальванометры часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двусторонней шкалой, т. е. с нулевой отметкой посередине.

Гальванометры разделяются на переносные и стационарные. Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках; внутреннее отсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которую падает луч света, отраженный от зеркальца (см. рис. 3-4, в). Легкая катушка и малый удельный противодействующий момент создают условия для возникновения механических затухающих колебаний подвижной части гальванометра (рис. 3-8, кривая Для убыстрения прекращения колебаний применяют электромагнитное успокоение. Коэффициент успокоения

[см. формулу (3-17)]

где сопротивление проводов рамки гальванометра; сопротивление наружного резистора (цепи), на который замкнута рамка.

Очевидно, что изменяя наружное сопротивление, можно изменять коэффициент успокоения и интервал времени успокоения. Предположим, что при некотором наступает критический режим, при котором в течение минимального интервала времени наступает успокоение. Введем понятие степени успокоения :

некоторое значение наружного сопротивления, при котором возникает критический режим.

В критическом режиме и процесс установления характеризуется кривой 3 на рис. 3-8. Если 1, режим апериодический (кривая 2), если колебательный (кривая 1). В паспортных данных гальванометра приводятся значения собственный период механических колебаний и длительность успокоения в критическом режиме

Электромагнитные приборы. Узел для создания вращающего момента (рис. 3-9, а) состоит из плоской или круглой катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.

Принцип действия приборов электромагнитной системы заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. Энергия, запасенная в катушке, Индуктивность катушки при движении сердечника меняется, следовательно, выражение для вращающего момента [см. формулу (3-8)] будет иметь следующий вид:

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получаем

Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально квадрату измеряемого тока. Прибор

пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градуировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратическим (действующим) значениям переменного тока.

Достоинства электромагнитных приборов — простота конструкции и надежность. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности от измеряемой цепи нелинейность шкалы в начале сжата, в конце растянута;

Рис. 3-9. Электромагнитный прибор 1, 4 — плоская и круглая неподвижные катушки: 2 - ферромагнитный подвижный сердечник; 3 - ось

значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока.

Значительная погрешность объясняется наличием ферромагнитного сердечника, в котором возникают вихревые токи и магнитный гистерезис. Последний приводит к вариации показаний, т. е. к разным показаниям при подходе к точке отсчета со стороны меньших или больших значений. Под влиянием изменения температуры изменяются сопротивление обмотки катушкн и ее геометрические размеры. Полное

сопротивление катушки переменному току зависит от. частоты, поэтому градуировка электромагнитного прибора действительна для определенной частоты или в узком диапазоне частот.

Магнитное поле катушки очень слабое, поэтому внешнее магнитное поле оказывает значительное влияние на показания. Для защиты от магнитного поля используют два пути — экранирование и астазирование. Экранирование магнито-мягким железом уменьшает влияние внешнего магнитного поля, но приборы утяжеляются; неизбежные отверстия для подводящих проводов и щели возле шкал ослабляют экранирование. Чаще используют астазирование, основанное на взаимодействии внешнего и внутреннего магнитных полей, приводящем к нулевому суммарному эффекту.

Астатический прибор состоит из двух одинаковых узлов, создающих вращающий момент, катушки которых соединены так, что их магнитные поля противоположны (рис. 3-9 б, в). Внешний магнитный поток складывается с потоком первой катушки и вычитается из потока второй катушки. В результате суммарный вращающий эффект остается неизменным.

Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц.

Амперметры. Катушку амперметра изготовляют из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5 А. Число витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе.

Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают со шкалами от до 500 А. Для расширения пределов измерения переменного тока применяют измерительные трансформаторы тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы на 400 и 1000 Гц.

Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков и включается последовательно в разрыв цепи

(рис. 3-10). Начало и конец ее обозначаются буквами соответственно. Вторичная обмотка с большим числом витков обозначается буквами она соединяется с амперметром на 5 А (иногда на 1 А). Значение измеряемого тока (тока в первичной обмотке) определяется по показанию амперметра путем умножения показания на коэффициент трансформации где число витков первичной и вторичной обмоток соответственно:

Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до При больших значениях тока первичная обмотка представляет собой прямолинейный отрезок шины или стержень, проходящий через окно магнитопровода (рис. 3-10, б).

Рис. 3-10. Измерительный трансформатор тока: а — схема включения; б - конструкция проходного трансформатора тока 1 — магннтопровод; 2 изолятор

Сопротивления амперметров малы, поэтому нормальным режимом работы трансформатора тока является режим, близкий к режиму короткого замыкания.

Вольтметры. Катушку вольтметра изготовляют из большого числа витков тонкого медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значении тока. Уравнение (3-19) для электромагнитного вольтметра приобретает следующий вид:

где сопротивление обмотки катушки.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В и добавочными сопротивлениями — на 450, 600 и класс точности 1,5. Для измерения более высоких напряжений, вплоть до применяют измерительные трансформаторы напряжения

Они различаются классом точности (0,1 и 0,5) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц.

Первичная обмотка трансформатора напряжения (рис. 3-11) обозначается буквами она включается параллельно измеряемой цепи. Начало и конец вторичной обмотки обозначены буквами а их соответственно; к этим зажимам подключается вольтметр. Значение измеряемого напряжения (напряжения в первичной обмотке) определяется показанием вольтметра, умноженным на число, обратное коэффициенту трансформации:

Трансформаторы напряжения рассчитываются для работы с первичным напряжением от 380 до 500 000 В, поэтому число витков первичной обмотки велико.

Рис. 3-11. Измерительный трансформатор напряжения

Рис. 3-12. Электродинамический прибор 1 - неподвижная катушка; 2 - подвижная катушка

Вторичная обмотка нагружена на вольтметр с большим сопротивлением, поэтому нормальным режимом работы трансформатора напряжения является режим, близкий к режиму холостого хода. Трансформаторы, первичная обмотка которых предназначена для работы с напряжением и выше, снабжаются высоковольтными изоляторами, помещаются в кожухи, заполненные трансформаторным маслом. Масса их достигает сотен килограммов. Измерительные трансформаторы на более высокие напряжения разрабатываются и изготовляются индивидуально и представляют собой сложные электротехнические сооружения.

Электродинамические приборы. Узел для создания вращающего момента состоит из неподвижной катушки, внутри которой помещена подвижная. Принцип действия

заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи (рис. 3-12).

Неподвижная катушка разделена на две половины, по которым протекает ток Подвижная катушка расположена внутри неподвижной, и по ней протекает ток который подводится через спиральные противодействующие пружинки или растяжки. Успокоение обычно воздушное. Энергия, запасенная в обеих катушках,

где взаимная индуктивность между катушками.

Дифференцируя выражение (3-21), получаем формулу вращающего момента

и уравнение отклонения указателя [с учетом формулы (3-9)]

Если через катушки пропустить переменные синусоидальные токи то подвижная часть прибора будет реагировать на среднее значение вращающего момента

Здесь действующие значения тока; фазовый сдвиг между ними.

Таким образом, уравнение (3-23) для переменного тока примет следующий вид:

Из формул (3-23) и (3-24) следует, что показания приборов электродинамической системы пропорциональны произведению токов, протекающих по катушкам; градуировка шкалы на постоянном токе справедлива и для переменных токов.

Достоинства этих приборов следующие: возможность перемножать измеряемые величины, т. е. измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа. Недостатки: малая чувствительность; значительное

потребление мощности; сложность конструкции; недопустимость перегрузки; нелинейность шкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля. Для уменьшения влияния магнитных полей электродинамические приборы часто изготовляют астатическими.

Промышленность выпускает много щитовых и переносных амперметров, вольтметров и ваттметров электродинамической системы для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой 50, 400, 1000, 2000 и 3000 Гц. Класо точности щитовых приборов 1,5; переносных и 1,0.

Рис. 3-13. Соединение катушек электродинамического прибора для работы его в качестве: а — амперметра; б - вольтметра; в — ваттметра

Амперметры. Для измерения силы тока обе катушки соединяют параллельно или последовательно (рис. 3-13, а). При этом один и тот же ток протекает по обеим катушкам; уравнение (3-23) для амперметра имеет следующий вид;

где чувствительность по току.

Очевидно, что при параллельном соединении катушек пределы измерения тока будут больше, чем при последовательном.

Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают с пределами измерения от 1 до 200 А. Расширение пределов осуществляется при помощи измерительных трансформаторов тока. Переносные амперметры имеют шкалы от до 10 А.

Вольтметры. Для измерения напряжения обе катушки соединяют последовательно (рис. 3-13, б). Уравнение (3-28) для вольтметра примет вид

где чувствительность по напряжению; сопротивление обмоток катушек.

Для расширения пределов измерения постоянного напряжения применяют добавочное сопротивление. Тогда в знаменатель уравнения (3-26) вместо подставляют При измерении переменного напряжения в цепи вольтметра будет действовать полное сопротивление где и активное и реактивное сопротивления катушек. На частотах выше 500 Гц реактивное сопротивление проявляется довольно заметно и потому градировка шкалы нарушается.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносные — от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерения вплоть до применяют измерительные трансформаторы напряжения.

Ваттметры. Для измерения мощности одна катушка включается последовательно, а вторая параллельно нагрузке. Уравнение (3-23) для ваттметра приобретает следующий вид:

— для постоянного тока;

— для переменного тока; чувствительность по мощности; активная мощность.

Щитовые ваттметры выпускают обычно с пределами измерения от 15 до переносные — до Применяя одновременно трансформаторы тока и напряжения, пределы можно расширить до любых нужных значений.

Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических с тем отличием, что неподвижные катушки заключены в сердечнике из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако наличие сердечника приводит к увеличению погрешности прибора.

Электростатические приборы. Принцип действия приборов электростатической системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных тел. Конструктивно они выполняются в виде неподвижной и подвижной пластин, к которым прикладывается измеряемое напряжение (рис. 3-14).

Энергия электрического поля При движении подвижной пластины емкость С между ними изменяется

поэтому формула вращающего момента будет иметь вид

и отклонение указателя

Противодействующий момент создается спиральной пружинкой (рис. 3-14, а) или весом подвижной пластины (рис. 3-14, б). Из уравнения (3-28) следует, что электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения.

Рис. 3-14. Устройство электростатических приборов: а — с изменяющейся рабочей площадью пластин; б - с изменяющимся расстоянием между пластинами; в — высоковольтного 1 и 2 — неподвижная и подвижная пластины; 3 — высоковольтный электрод; 4 — заземленный электрод; 5 металлическая труба; 6 - изолятор

Шкала, градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.

Достоинства электростатических приборов: большие пределы измерений при измерении постоянного напряжения мощность от измеряемой цепи не потребляется и входное сопротивление стремится к бесконечности; широкий диапазон частот измеряемых напряжений Недостатки: малая чувствительность; изменение емкости в процессе измерения; малая надежность; нелинейность

шкалы; влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля.

Для уменьшения влияния внешнего электрического поля применяется экранирование. Электростатический экран представляет собой в простейшем виде слой электропроводящей краски на внутренних стенках корпуса прибора. Экран лучшего качества делают из латунной фольги.

Электростатические приборы выполняют в виде щитовых и переносных вольтметров и киловольтметров для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 20 Гц до Ограничение рабочей частоты обусловлено собственной резонансной частотой входной цепи, определяемой входной емкостью прибора и индуктивностью вводов и подводящих проводов.

Рис. 3-15. Термоэлектрический прибор

Входная емкость для разных приборов составляет от 4 до и резонансная частота — от 50 до Щитовые приборы выполняют со шкалами от 30 В до класса 1,0 и 1,5 на частоты до Переносные — со шкалами от 30 В до класса 0,5; 1,0 и 1,5 на частоты до Выпускаются высоковольтные вольтметры на класса 1,0 и 1,5 на частоты от до На рис. 3-14, в показана конструкция одного из киловольтметров.

Термоэлектрические приборы. Приборы с термопреобразованием предназначены для работы в цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического милли- или микроамперметра (рис. 3-15, а).

Преобразователь (рис. 3-15, б) представляет собой нагреватель 1, по которому протекает измеряемый ток , и

связаниую с ним термопару. Во время измерения температура места соединения нагревателя и термопары приобретает значение а свободные концы термопары имеют температуру окружающего пространства Разность температур вызывает термоЭДС , где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от материала термопары и ее конструкции. В установившемся состоянии вследствие тепловой инерции температура нагревателя постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью. Следовательно, можно написать такое равенство: где коэффициент теплоотдачи. Исключив разность температур из данного выражения и выражения для термоЭДС, получаем

коэффициент пропорциональности; сопротивление нагревателя; I — среднеквадратическое значение измеряемого тока.

Таким образом, характеристика термоэлектрического преобразователя квадратичная.

Нагреватель включают последовательно в разрыв измеряемой цепи, а возникающую термоЭДС измеряют микроамперметром, работающим как милливольтметр. Шкалу последнего градуируют в среднеквадратических значениях измеряемого тока.

Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные (рис. 3-15, б), бесконтактные (рис. 3-15, в) и вакуумные (рис. 3-15, г). В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т. е. между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары стеклянной или керамической бусинкой, так что между ними существует только незначительная емкостная связь. Чувствительность бесконтактного преобразователя ниже, чем контактного. В вакуумном термопреобразователе нагреватель и термопара помещены в стеклянный баллончик с давлением воздуха Па.

Нагреватель представляет собой тонкую проволочку из манганина или нихрома. Термопара состоит из разнородных металлов или сплавов, устойчивых при высоких температурах. Распространены пары хромель—копель, рабочая температура при В образцовых термопреобразователях применяется пара платина — платинородий, работающая при температуре 1750 °С; термоЭДС при

Максимальное значение измеряемого тока определяется сечением нагревателя и составляет от единиц миллиампер до десятков ампер. При необходимости измерения токов больших значений применяют трансформаторы тока. Максимальная частота измеряемого тока также зависит от сечения нагревателя и его длины и при минимальных размерах достигает сотен мегагерц.

К достоинствам термоэлектрических приборов следует отнести независимость показаний от формы кривой измеряемого тока; к недостаткам — малую чувствительность, неравномерность шкалы, тепловую инерцию и недопустимость перегрузки. Влияющими величинами являются температура окружающей среды и частота измеряемого тока. Для уменьшения дополнительной температурной погрешности последовательно с магнитоэлектрическим миллиамперметром включают резистор из манганиновой проволоки (рис. 3-15, д). Дополнительная частотная погрешность зависит от размеров нагревателя, его поверхностного эффекта и паразитной емкости прибора на землю (рис. 3-15, д). В приборах с контактным преобразователем эта емкость достигает с бесконтактным —

Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно в качестве амперметров и миллиамперметров. Термоэлектрические вольтметры применяются редко вследствие малого входного сопротивления и низкой чувствительности

Выпрямительные приборы. Для измерения тока и напряжения в цепях повышенной частоты широко применяются выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра (рис. 3-16, а). В качестве выпрямительных элементов используются полупроводниковые (германиевые или кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентом выпрямления

где прямой и обратный токи; прямое и обратное сопротивление диода.

Коэффициент выпрямления зависит от частоты и значения преобразуемой электрической величины и от темпера туры окружающей среды. С повышением частоты часть тока ответвляется через внутреннюю емкость диода и коэффициент выпрямления уменьшается. Такое же действие оказывает и повышение температуры окружающей среды. В

нормальных условиях у германиевых диодов кремниевых

Выпрямительные приборы работают по схемам одно- или двухполупериодного выпрямления. В схеме однополупериодного выпрямления (рис. 3-16, б) ток в течение положительного полупериода проходит по измерительной ветви (открытый диод и витки катушки миллиамперметра), в течение отрицательного полупериода — по защитной ветви (диод и резистор Обе ветви идентичны, т. е. диоды одинаковы и сопротивление резистора равно сопротивлению катушки миллиамперметра

Рис. 3-16. Схемы выпрямительных амперметров и графики токов и напряжений: а, б, в — при однополупериодном выпрямлении; г, д - при двухполупериодном выпрямлении

Через диод проходит пульсирующий ток (рис. 3-16, в), а показание миллиамперметра пропорционально постоянной составляющей тока или среднему значению Если измеряемый ток синусоидальной формы, то

и показание где чувствительность миллиамперметра по току.

В схеме двухполупериодного выпрямления (рис. 3-16, г) измеряемый ток в течение положительного полупериода проходит по цепи миллиамперметр — а в течение отрицательного — миллиамперметр — Показание миллиамперметра пропорционально средневыпрямленному

значению переменного тока. Для синусоидального тока (рис. 3-16, д)

и показание прибора

Таким образом, очевидно, что характеристика выпрямительного преобразователя линейна.

Измеряемый ток любой формы вызывает отклонение подвижной части выпрямительного прибора, пропорциональное средневыпрямленному значению. Шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы. Следовательно, все оцифрованные деления шкалы умножены на коэффициент формы

Рис. 3-17. Схемы выпрямительных приборов

Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы полученный отсчета нужно разделить на 1,11 (получим средневыпрямленное значение измеряемого тока) и умножить на коэффициент формы измеряемого тока результат измерения:

Если выпрямительный прибор работает по схеме однополупериодного выпрямления, то вместо 1,11 подставляют 2,22.

Главными источниками погрешностей выпрямительных приборов являются: погрешность градуировки миллиамперметра; емкость диодов; изменение температуры окружающей среды; выход частоты за пределы рабочего диапазона; отклонение формы кривой измеряемого тока от синусоидальной.

Для измерения больших токов применяют приборы со схемой, представленной на рис. 3-17, а. Здесь резисторы являются шунтами для каждого полупериода тока. В

многопредельных амперметрах набор таких шунтов помешают внутри корпуса прибора и переключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит из выпрямительного миллиамперметра и добавочного резистора (рис. 3-17, б). Добавочные резисторы располагают внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключают их при изменении предела измерения. Внутреннее сопротивление выпрямительного вольтметра на каждом пределе разное, поэтому его выражают в виде числа ом, приходящегося на 1 В, например

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения. Снабженные источником постоянного напряжения (малогабаритный аккумулятор или химический элемент), они могут использоваться для измерения электрического сопротивления.