Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины в другую непосредственно воздействую

Работа добавлена на сайт samzan.net:

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ

Принцип работы приборов

Прибор непосредственной оценки можно рассматривать состоящим из двух основных частей: измерительной цепи и измерительного механизма.

Измерительная цепь служит для  преобразования измеряемой величины в другую, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. В общем случае это преобразование может происходить как в количественном, так и в качественном отношениях. Количественное изменение измеряемой величины происходит при расширении пределов измерения, а также в случае применения специальных схем компенсации температурной, частотной и других погрешностей. Необходимость в преобразовании рода измеряемой величины определяется принципом действия измерительного механизма. Например, если принцип работы прибора основан на свойствах тока, как в магнитоэлектрических и некоторых других типах приборов, а измеряемой величиной является частота переменного тока, то в измерительной цепи необходимо получить ток, зависящий от частоты.

В измерительном механизме электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части. Обычно применяется угловое перемещение, поэтому в дальнейшем будут рассматриваться не силы, действующие в приборе, а моменты.

Момент, возникающий в приборе под действием измеряемой величины и поворачивающий подвижную часть в сторону возрастающих показаний, называется вращающим моментом М. Он должен однозначно определяться измеряемой величиной X и в общем случае может зависеть также от угла поворота подвижной части , т. е.

                                               (1)

 Для электромеханических приборов может быть написано общее выражение вращающего момента, вытекающее из уравнений Лагранжа второго рода, являющихся общими уравнениями динамики системы:

                                          (2)

где Wе — электрокинетическая энергия.

 В дальнейшем, при рассмотрении приборов различных систем, уравнение (2) будет конкретизировано для каждого отдельного случая.

 Если бы повороту подвижной части ничто не препятствовало, то она при любом значении измеряемой величины, отличном от нуля, повернулась бы до упора. Для того чтобы угол отклонения  зависел от измеряемой величины, в приборе при повороте подвижной части создается противодействующий момент , направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота.

 По способу создания противодействующего момента приборы делятся на две группы:

  а) с механическим противодействующим моментом;

  б) с   электрическим   противодействующим   моментом — логометры.

 В первой группе приборовсоздается обычно с помощью упругих элементов (спиральных пружинок или тонких нитей — растяжек и подвесов), которые при повороте подвижной части закручиваются. При этом

                                                                                                                         (3)

где W зависит только от свойств упругого элемента и называется удельным противодействующим моментом.

 В логометрах Ма создается тем же путем, что и вращающий момент. Широко применяются магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и ферродинамические логометры, рассмотренные ниже.            

 При установившемся равновесии вращающий и противодействующий моменты равны между собой, т. е.

                                                                                             (4)

 Зная аналитические выражения для моментов, из уравнения (4) можно найти зависимость угла поворота подвижной части от измеряемой величины и параметров прибора, что в общем виде  можно представить так:

                                                                                            (5)

где А — параметры прибора.

 Выражение (5) является основным уравнением, характеризующим свойства тех или иных приборов.

Общие узлы и детали приборов

 Несмотря на то, что приборы разных систем по своему устройству существенно различаются, имеется ряд деталей и узлов, общих для всех электромеханических приборов.

 Корпус прибора защищает измерительный механизм от внешних воздействий и от попадания в него пыли, а в отдельных случаях — воды и газов. Корпусы чаще всего выполняются из пластмассы. Размеры и форма корпусов весьма разнообразны.

 На каждый прибор наносятся следующие обозначения:

  а) обозначение единицы измеряемой величины в приборах, имеющих именованную шкалу; на шкалах многопредельных приборов, может наноситься полное наименовапие прибора (например, «Амперметр»);

  б) обозначение класса прибора;

  в) условное обозначение системы прибора; эти обозначения для наиболее широко применяемых систем приведены в табл. 1;

  г) условное обозначение рабочего положения прибора, если это положение имеет значение, в виде следующих знаков: -—• для горизонтального положения; _1_ для вертикального положения;  /,  а° для установки под углом а°;

  д) условное обозначение степени защищенности от магнитных или электрических влияний; для I группы знак системы заключается в прямоугольник из сплошных или пунктирных линий соответственно при защите от электрических или магнитных полей; для II группы этот прямоугольник не изображается;

  е) условное обозначение испытательного напряжения изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу в виде пятиконечной звезды, внутри которой указано испытательное напряжение в киловольтах;

  ж)  год выпуска и заводской номер;

  з)  номер стандарта, установленного   на  данную   группу   приборов;

  и) условное обозначение рода тока и числа фаз;

  к) товарный знак завода-поставщика.

 Обозначения по пунктам «а», «б», «в», «г», «д», «е», «ж» должны наноситься на лицевой стороне прибора, остальные обозначения могут быть указаны на корпусе и у зажимов.

 Для определения числового значения измеряемой величины приборы имеют отсчетные приспособления, состоящие из шкалы и указателя.

 Шкала прибора обычно представляет собой белую поверхность с черными отметками, соответствующими определенным значениям измеряемой величины.

 Указатель   представляет   собой   перемещающуюся по шкале стрелку, жестко скрепленную с подвижной частью прибора. Применяется  также световой  способ  отсчета,   который  заключается в следующем: на оси подвижной части закрепляется зеркальце, освещаемое специальным осветителем; луч света, отраженный от зеркальца, попадает на шкалу и фиксируется на ней, например, в виде светлого, пятна с темной нитью посредине; при повороте подвижной части световой указатель будет перемещаться по шкале.

 Световой отсчет позволяет существенно увеличить чувствительность прибора, во-первых, вследствие того, что угол поворота отраженного луча вдвое больше угла поворота зеркальца, а, во-вторых, потому, что длину луча можно сделать весьма большой. Например, в приборе нормального габарита вместо стрелки длиной 100 - 150 мм можно получить за счет многократного отражения от нескольких зеркал световой луч длиной, равной нескольким

                                                                                                      Таблица 1

Наименование прибора	Условное обозначение	Наименование прибора	Условное обозначение
Прибор магнитоэлектрический с подвижной рамкой		Прибор электродинамический
Логометр магнитоэлектрический		Прибор ферродинамический
Прибор магнитоэлектрический с подвижным магнитом		Логометр электродинамический
Логометр магнитоэлектричес –кий с подвижным магнитом		Логометр ферродинамический
Прибор электромагнитный		Прибор индукционный
Прибор электромагнитный поляризованный		Логометр индукционный
Логометр электромагнитный		Прибор электростатический

метрам. Кроме того, при световом отсчете уменьшается вес и особенно момент инерции подвижной части. Это позволяет расширить пределы измерения в сторону малых величин и улучшает условия успокоения прибора.

 Способ установки подвижной части определяется выбором элементов, создающих противодействующий момент. Применяется установка на опорах (в случае спиральных пружинок), на, растяжках и на подвесе.

 Опоры состоят из кернов и подпятников. Керны представляют собой отрезки стальной проволоки длиной 5—7 мм, диаметром 0,5— 0,75 мм, заточенные с одной стороны на конус с углом 45—60° и с радиусом закругления 0,01—0,15 мм. Подпятником является камень из агата, корунда, а иногда также из бронзы, с выточенным в нем под углом около 80° коническим углублением, заканчивающимся   закруглением  с  радиусом 0,05— -0,5 мм.

 На рис. 1 показано устройство опоры для установки подвижной части. Керн  1запрессован и буксу 2,приклеенную к подвижной части 3. В случае применения оси в виде алюминиевой трубки керн запрессовывается в ось. Камень 4 завальцован в винт 5, укрепленный в неподвижной части 6 измерительного механизма. Наличие винта позволяет установить необходимый зазор между керном и камнем.

Рис.1 Керн и подпятник прибора

 Опоры являются важнейшим узлом прибора и во многом определяют его качество. Для уменьшения погрешности от трения площадь соприкосновения между керном и подпятником должна быть весьма малой. Это приводит к тому, что, хотя вес подвижной части обычно не превышает нескольких граммов, напряжения в паре керн—подпятник достигают очень больших величин (до 500 кГ/мм). Общее устройство прибора с установкой подвижной части на опорах представлено на рис. 2. Ось 1заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 2. К оси прикреплены одним из своих концов пружинки 3 и 4, которые служат для создания противодействующего момента. Пружинки часто используются также и в качестве токоподводов к обмотке подвижной части. Пружинки выполняются из оловянноцинковой и некоторых других сортов бронзы. Пружинка 3 другим концом прикрепляется к неподвижным частям прибора, а пружинка 4 — к поводку 5 корректора. Корректор служит для установки стрелки на нуль перед измерениями посредством вращения винта 6, выведенного на переднюю панель прибора. Ось 7 корректора расположена эксцентрично. Поэтому поворот винта 6 перемещает вилку 8, что вызывает изменение угла закручивания пружинки 4 и перемещение стрелки 9 по шкале 10. Грузики 11 служат для уравновешивания подвижной части, т. е. для устранения влияния моментов сил тяжести на положение подвижной части.

Рис.2 Общие детали прибора на опорах

 Недостатками установки подвижной части на опорах являются наличие погрешности от трения, недостаточная надежность при воздействиях на прибор ударов, тряски и вибраций, большая потребляемая мощность и,   следовательно, малая чувствительность.

 Эти недостатки в значительной степени устраняются при креплении подвижной части на растяжках. Применение растяжек является одним из наиболее важных направлений в области совершенствования приборов непосредственной оценки.

 Растяжки представляют собой упругие ленты, прикрепляемые одним концом к подвижной части, а другим — к неподвижным деталям прибора. Если в таких лентах создать натяг, то они будут поддерживать  подвижную часть, заменяя опоры.  Растяжки  применяются как при горизонтальном, так и при вертикальном креплении оси. В случае необходимости  растяжки   могут быть использованы и для подвода  тока   в   обмотку   подвижной   части.   Растяжки   изготовляются из специальных бронз, а также платино-серебряных   и   кобальтовых   сплавов.   Обычно растяжка  имеет толщину  порядка нескольких сотых миллиметра, ширину — несколько десятых   миллиметра, длину — не свыше 20 мм.

Рис.3 Подвижная часть на растяжках

 На рис. 4 показана подвижная часть магнитоэлектрического прибора, установленная на растяжках. Растяжки 1 одним концом припаиваются к наконечникам 2, которыми заканчиваются буксы 3,а другим — к плоским пружинам 4. Пружины могут быть выполнены, например, из бериллиевой бронзы и служат для создания необходимого натяга. Во избежание обрыва растяжек при механических воздействиях на прибор предусмотрены ограничители 5 осевого и радиального перемещения. Опыт создания таких приборов показал, что для надежной работы прибора в условиях ударов необходимо иметь также ограничители 6 перемещения концов пружин во внешнюю сторону. Если бы таких ограничителей не было, то могли бы происходить обрывы растяжек из-за обратного удара пружины.

 Крепление подвижной части на подвесе применяется в приборах наибольшей чувствительности — гальванометрах. Подвес, подобно растяжке, представляет собой тонкую упругую нить, на которой свободно подвешивается подвижная часть. В приборах на подвесах применяется световой отсчет. Они требуют стационарной установки по уровню, поскольку подвижная часть висит свободно и поэтому то даже небольшое отклонение положения прибора от вертикального может вызвать ее затирание.

Успокоение движения подвижной части

 При работе прибора в динамическом режиме, т. е. при перемещении стрелки по шкале из одного положения в другое, кроме рассмотренных ранее статических моментов — вращающего и противодействующего, — возникают и другие моменты. Они обусловливаются моментом инерции подвижной части, сопротивлением окружающей среды и вихревыми токами, возникающими при наличии металлических масс и магнитных полей.

 Динамический момент, возникающий в приборе при движении подвижной части и стремящийся успокоить это движение, называется успокаивающим моментом.

 Этот момент определяет важный эксплуатационный параметр прибора — время успокоения.

 Хорошее успокоение в приборах достигается путем применения специальных устройств, называемых успокоителями. Наибольшее распространение получили воздушные и магнитоиндукционные успокоители. На рис. 4 представлен воздушный успокоитель крыльчатого типа.

                                       

                Рис.4 Воздушный успокоитель                             Рис.5 Магнитоиндукционный успокоитель

 Успокоитель состоит из легкого, обычно алюминиевого крыла 1, жестко закрепленного на оси 2 и находящегося внутри камеры 3. Между крылом и стенками камеры имеется зазор порядки 0,1 - 0,2 мм. При вращении оси крыло перемещается внутри камеры, в которой ввиду малости зазора по обе стороны от крыла создастся разность давлений. Это препятствует свободному перемещению подвижной части и вызывает ее быстрое успокоение.

 Магнитоиндукционное успокоение создается при движении металлических деталей подвижной части в магнитном поле постоянного магнита. При этом в результате взаимодействия между вихревыми токами, возникающими в металлических частях, и магнитного поля создается тормозной момент. Магнитоиндукционный успокоитель может быть выполнен так, как показано на рис. 5, где 1— крыло успокоителя, выполненное из неферромагнитного металла, обычно из алюминия; 2— постоянный магнит.

 Магнитоиндукционные успокоители конструктивно проще воздушных, удобны в отношении регулировки и применяются в тех случаях, если поле постоянного магнита не влияет на показания приборов.

Критерии качества приборов

 Выше упоминались такие важнейшие эксплуатационные параметры прибора, как погрешности, собственное потребление мощности, время успокоения. При проектировании приборов все или некоторые из этих величин задаются техническими условиями. Рассмотрим некоторые критерии качества прибора, которые характеризуют его свойства, а также используются при проектировании приборов и для сравнения их между собой. Для анализа используем графический метод. При этом рассмотрим простейший случай, когда вращающий момент пропорционален измеряемой величине и не зависит от угла поворота, т. е.

                                            (6)

что, как увидим далее, имеет место, например, в магнитоэлектрических амперметрах и вольтметрах.

 Пусть противодействующий момент создается упругими элементами, т. е. в соответствии с уравнением (7)

                                                (7)

  При установившемся равновесии:

                                   (8)

откуда

                                             (9)

где S — чувствительность прибора.

 Уравнения (6) и (7) графически представлены на рис. 6. При этом, хотя вращающий и противодействующий моменты имеют разные знаки, для удобства они показаны в одном квадранте.

 

Рис.6 Графическое изображение моментов,

действующих в приборе

Проекции точек пересечения кривых вращающего и противодействующего моментов на ось абсцисс дают шкалу прибора. Для рассматриваемого нами случая шкала будет равномерной. Равномерной называется такая шкала, по всей длине которой чувствительность (а следовательно, и постоянная)

имеет одно и то же значение. Для неравномерных шкал эта величина в разных точках шкалы различна. Равномерная шкала является большим достоинством прибора. Она позволяет удобно производить отсчет, допускает интерполирование значения измеряемой величины для тех случаев, когда стрелка устанавливается на неоцифрованном делении; кроме того, упрощается изготовление многопредельных приборов.

 Если подвижную часть принудительно отвести от положения равновесия, соответствующего, например, точке а (рис. 6), на некоторый угол ±, то на нее будет действовать разность моментов М - Ма, причем направление этой разности такое, что под ее действием подвижная часть стремится занять положение равновесия.

 Рассматриваемый момент М= М—Ма называется устанавливающим моментом.

 В общем случае устанавливающий момент зависит от значений  и  и поэтому не является удобной величиной, характеризующей свойства прибора. Более удобен в этом отношении удельный устанавливающий момент , определяемый как производная от устанавливающего момента по углу отклонения подвижной части, т.е.

                                 (10)

 Для рассматриваемого случая на рис. 6 = и неизменен по всей шкале. В более общем случае  для каждой точки шкалы может иметь разное значение. Удельный устанавливающий момент не равен нулю при статическом равновесии подвижной части, не зависит от величины отклонения подвижной части от положения равновесия и его можно однозначно определить для каждого угла поворота подвижной части.

 В приборе желательно иметь величину удельного устанавливающего момента достаточно большой для того, чтобы уменьшить до необходимой величины погрешность от трения в случае применения опор и погрешность от остаточных деформаций упругих элементов в случае применения приборов на растяжках.

 Рассмотрим этот вопрос для приборов с опорами несколько подробнее. Как уже указывалось, подвижная часть, выведенная из положения статического равновесия, будет стремиться возвратиться к нему под действием устанавливающего момента. Однако ввиду наличия трения в опорах подвижная часть прибора не вернется и точку а (рис. 6) и остановится тогда, когда устанавливающий момент окажется равным моменту трения М, т. е. подвижная часть не дойдет до теоретического положения равновесия на угол , который представляет собой погрешность от трения.

 Используя формулу (10), можем написать

                                           (11)

 Отметим, что формула (11) справедлива и при нелинейных зависимостях моментов от угла поворота, если только величина  невелика, что обычно и имеет место на практике.

 Приведенная погрешность от трения определится как

                                    (12)

где — наибольший угол отклонения подвижной части.

 Исследования показывают, что если опоры проектируются так, чтобы при разном весе подвижной части сохранялась величина максимально допустимого напряжения в паре керн — подпятник (это достигается выбором радиусов закруглений керна и кратера камня), то момент трения растет пропорционально весу G подвижной части и степени 1,5. Если принять это условие, то можно написать 

                                                     (13)

где с - коэффициент, учитывающий влияние на момент трения качества опор - механических свойств материалов керна и камня, качества шлифовки площадки соприкосновения, свойств смазки, если она применяется, и т. п.

 Вместо погрешности от трения в практике приборостроения используется обратная ей величина, называемая теоретическим коэффициентом добротности:

                                                       (14)

 Ввиду трудности подсчета коэффициента с обычно вместо теоретического коэффициента добротности определяется практический коэффициент добротности как

                                                                 (15)

 Из анализа выражения (15) видно, что хотя оно и существенно проще для практических расчетов, чем уравнение (14), но зато и область применения его уже. Практический коэффициент добротности в том виде, как он представлен формулой (15), имеет смысл лишь для приборов с углом шкалы 90°, у которых вращающий момент не зависит от положения подвижной части. Множитель 10 введен для того, чтобы для наиболее распространенных приборов коэффициент добротности выражался числом, близким к единице.

 Отсутствие в формуле коэффициента, зависящего от качества опор (аналогичного коэффициенту с в выражении для теоретического коэффициента добротности) позволяет производить качественное сравнение механических свойств приборов по величине коэффициента добротности только при условии, что у сравниваемых приборов технология изготовления и материалы кернов и подпятников одинаковы. Это возможно в условиях одного завода или в том случае, если опоры получаются от одного завода-поставщика. Чем выше коэффициент добротности, тем при данном качестве опор меньше погрешность от трения. Однако увеличение коэффициента добротности, как правило, связано с ухудшением таких свойств прибора, как чувствительность, потребление мощности и некоторых других. Поэтому если завод может понизить коэффициент добротности за счет улучшения качества опор при сохранении свойств выпускаемых приборов, то это свидетельствует о росте технологической культуры производства.

 Несмотря на то, что коэффициент добротности далеко не полностью определяет механические свойства приборов и качество конструкции, им широко пользуются как некоторым характеристическим числом при проектировании приборов.

 Для приборов на растяжках, вопросы проектирования которых в настоящее время в значительной степени еще только разрабатываются, также рекомендованы некоторые критерии качества, например механический коэффициент добротности, определяемый как

                                                                             (16)

где с — коэффициент, зависящий от свойств растяжек.

 Можно показать , что чем больше механический коэффициент добротности, тем меньше погрешности, связанные с применением растяжек, и выше механическая надежность прибора.

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Устройство измерительных механизмов

 В магнитоэлектрических приборах вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки. Применяются  как приборы с подвижной катушкой и неподвижным магнитом, так и приборы с неподвижной катушкой и подвижным магнитом.   Больше распространены  приборы с подвижной  катушкой,  которые мы и будем рассматривать.

 Основными узлами магнитоэлектрического измерительного механизма являются магнитная система и подвижная часть. В зависимости от взаимного расположения постоянного магнита и катушки подвижной системы различают приборы с внешним магнитом и приборы с внутрирамочным магнитом.

Рис.7 Магнитоэлектрический измерительный механизм

с внешним магнитом

 Магнитная    система    прибора   с внешним магнитом (рис. 7)  состоит из постоянного магнита   1, магнитопровода 2(в некоторых конструкциях, например, в случае применения кольцеобразного магнита, магнитопровод может отсутствовать), полюсных наконечников 3 и неподвижного сердечника 4. Магнит выполняется из материалов с большой коэрцитивной силой, чаще всего из железоникельалюминиевых сплавов, и является   источником магнитного потока. Магнитопровод, полюсные наконечники и сердечник проводят магнитный поток и изготовляются из магнитно-мягких материалов с возможно меньшим магнитным сопротивлением. Цилиндрическая форма сердечника и расточки полюсных наконечников, а также их концентрическое расположение обеспечивают равномерность поля в воздушном зазоре, т. е. в любой точке рабочей части воздушного зазора магнитная индукция B=const. Воздушный зазор имеет радиальную длину порядка 1 - 2 мм.

Рис.8 Магнитоэлектрический измерительный механизм

с внутрирамочным магнитом

 В воздушном зазоре располагается рамка 5. Она свободно охватывает сердечник и жестко крепится на полуосях 6, поворот которых вызывает перемещение стрелки 7 по шкале 8. Рамка имеет обмотку из медного или алюминиевого изолированного провода диаметром от 0,03 до 0,2 мм и чаще всего бывает прямоугольной формы. Применяются бескаркасные и каркасные рамки.

  В бескаркасной рамке необходимая жесткость катушки обеспечивается путем склеивания ее витков бакелитовым лаком. В каркасных   рамках    обмотка наматывается на каркас,  выполняемый из алюминия, толщиной порядка 0,1 - 0,2 мм. Каркас необходим не только для того, чтобы увеличить механическую прочность рамки, но также и для получения нужного успокоения подвижной части. В магнитоэлектрических приборах используется магнитоиндукционное успокоение, но без применения специальных успокоителей. При движении рамки в поле постоянного магнита момент успокоения создается за счет взаимодействия вихревых токов, возникающих в цепи обмотки рамки, с полем магнита. Этот момент зависит от величины внешнего сопротивления, на которое включена обмотка рамки, и имеет незначительную величину. Для увеличения момента успокоения на рамку наматывается несколько короткозамкнутых витков. Если же этого недостаточно, то применяется металлический каркас, представляющий собой в электрическом отношении как бы один короткозамкнутый виток.

  Влияние трения рамки о воздух на величину успокоения необходимо учитывать лишь для приборов высокой чувствительности — гальванометров.

  В измерительном механизме с внутрирамочным магнитом, представленном на рис. 8, магнитный поток магнита 1, намагниченного по диаметру, проходит через накладки 2, выравнивающие поле, воздушный зазор и кольцевое ярмо 3. Накладки и ярмо выполняются из магнитномягкого материала. В приборах с внутрирамочным магнитом по сравнению с приборами, имеющими внешний магнит, значительно меньше потоки рассеяния и, следовательно, лучше используется энергия магнита. Применение такой магнитной системы позволяет создать приборы малого веса и габарита.

 К недостаткам приборов с внутрирамочным магнитом следует отнести то, что магнитное поле в воздушном зазоре по величине и однородности уступает полю, которое может быть получено в приборах с внешним магнитом. Это объясняется относительно малым возможным объемом внутрирамочного магнита и трудностями выравнивания поля. В связи с этим по точности и чувствительности приборы с внутрирамочным магнитом пока уступают приборам с внешним магнитом.

 Рамка 4 прибора, представленного на рис. 8, каркасная. Установка указателя на нулевую отметку шкалы производится корректором 5, головка которого выведена на лицевую сторону прибора. Корректор связан со втулкой, на которой смонтирована пружина 7, держащая растяжку 8. Укрепленные на обойме ограничители 6 служат для защиты растяжек от обрыва при сотрясениях.

Теория и свойства

 На рис. 9 показана подвижная рамка магнитоэлектрического прибора, находящаяся в радиальном магнитном поле. При протекании по обмотке рамки тока возникают силы F, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы ее плоскость стала перпендикулярной к направлению магнитносиловых линий. При повороте рамки закручиваются пружинки и возникает противодействующий момент. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавливается.

Рис.9 Подвижная катушка в радиальном

магнитном поле

 Для получения  зависимости   между углом отклонения и силой постоянного тока в рамке воспользуемся основными положениями, изложенными в § 11.

Применительно к нашему случаю выражение (2) для вращающего момента представится так:

                                            (17)

где Ф — поток, сцепляющийся с рамкой;

I— ток в рамке.

 Величина Ф может быть подсчитана как произведение индукции В в воздушном зазоре на число витков  обмотки рамки и на сумму двух боковых поверхностей, описанных активными сторонами подвижной катушки при ее повороте на угол а от нейтрального положения. В соответствии с рис. 9 активными сторонами обмотки рамки будут являться стороны, расположенные в плоскости, перпендикулярной рисунку. Стороны рамки, находящиеся в плоскости рисунка, при своем движении скользят вдоль силовых линий, не пересекая их, и поэтому не будут участвовать в создании вращающего момента. Следовательно,  

                                                                 

где r - радиус рамки;

      l - длина рамки;

 - угол поворота рамки от нейтрального положения.

 Обозначив площадь катушки через s, можем написать                                                                           

 Подставляя это выражение в формулу (17) и дифференцируя его, получим

                                                                                   (18)

 Так как противодействующий момент создается пружинками, то можно воспользоваться формулой (2) и для режима установившегося отклонения написать

,

откуда

                                                                                    (19)

 Как видно из выражения (19), при перемене направления тока в обмотке рамки меняется на обратное и направление отклонения подвижной части.

 Для получения отклонения указателя в нужную сторону необходимо при включении прибора в сеть соблюдать указанную на приборе полярность.

 Из выражения (19) и определения понятия чувствительности следует, что для магнитоэлектрических приборов

                                                                                       (20)

 Из уравнения (20) видно, что чувствительность магнитоэлектрического прибора не зависит от угла отклонения и постоянна по всей шкале, т. е. магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу. Это позволяет выпускать их комбинированными и многопредельными. Так, выпускаемый нашей промышленностью вольтамперметр типа М1107 (класса 0,2) имеет 29 пределов измерения: от 45мв до 600в по напряжению и от 0,75 ма до 30 а по току.

 Магнитоэлектрические приборы относятся к числу наиболее точных. Они изготовляются вплоть до классов 0,1 и 0,2.Высокая точность этих приборов объясняется рядом причин. Наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета. Благодаря сильному собственному магнитному полю (порядка 0,3 тл) влияние посторонних полей на показания приборов весьма незначительно. Внешние электрические поля на работу приборов практически не влияют. Температурные погрешности могут быть скомпенсированы с помощью специальных схем, которые рассмотрены ниже.

 Большим   достоинством   магнитоэлектрических   приборов   является высокая чувствительность или малое собственное потребление мощности. В этом отношении магнитоэлектрические приборы не имеют себе равных. Известны магнитоэлектрические микроамперметры с током полного отклонения 0,1 мка (например, типа М-95, класса 1,5).

 Благодаря этим достоинствам магнитоэлектрические приборы могут применяться с различного рода преобразователями переменною тока в постоянный и для измерений в цепях переменного тока.

 К недостаткам магнитоэлектрических приборов следует отнести несколько более сложную и дорогую конструкцию, чем, например, у электромагнитных приборов, невысокую перегрузочную способность (при перегрузке обычно перегорают токоподводящие пружинки для создания противодействующего момента) и, самое главное, отмеченную выше возможность применения, при отсутствии преобразователей, лишь для измерений в цепях постоянного тока.                                                                                                                                                 

 Магнитоэлектрические приборы используются главным образом в  качестве амперметров, вольтметров и омметров.

Амперметры и вольтметры

Измерительные механизмы магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются между собой. В зависимости от назначения прибора (для измерения тока или напряжения) меняется его измерительная цепь. В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно или при помощи шнута. В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается добавочное сопротивление, и прибор подключается к тем точкам схемы, между которыми необходимо измерить напряжение. Такого рода схемы показаны на рис. 10.

 Амперметр без шунта применяется в том случае, если весь измеряемый ток можно пропустить через токоподводящие пружинки и обмотку рамки измерительного механизма. Обычно эта величина не превышает 20 - 30 ма, т.е. такая схема возможна только для микро- и миллиамперметров.

 Характер измерительной цепи в значительной степени определяется также допустимой температурной погрешностью и пределом измерения прибора.

 Изменение температуры прибора сказывается на его работе следующим образом.

  1.  При повышении температуры пружинки, создающие противодействующий момент, стремятся раскрутиться. Для компенсации этого явления ставятся две пружинки с разным направлением витков. Одна из них при повороте подвижной части работает на закручивание, а вторая — на раскручивание.

  2.  Пружинки ослабевают примерно на 0,2—0,4% на каждые 10°С повышения температуры. Показания прибора при неизменном значении измеряемой величины  должны были  бы соответственно увеличиться.

  3.  Магнитный поток постоянного магнита падает приблизительно на 0,2% на каждые  10°С повышения температуры. Показания должны были бы уменьшиться.

 Так как ослабление пружинок и уменьшение потока магнита вызывают температурную погрешность, примерно одинаковую по величине, но разных знаков, то эти два явления практически взаимно компенсируют друг друга.

  4.   Изменяется    электрическое    сопротивление   обмотки    рамки    и   пружинок. Если обмотка рамки выполнена из медной проволоки, то при повышении температуры на 10°С сопротивление увеличится на 4%. Это является основным источником температурной погрешности магнитоэлектрических приборов.

                                               

        Рис.10 Схема амперметров и вольтметров:                     Рис.11 Схемы температурной компенсации

а – амперметр без шунта; б – амперметр с шунтом          а – с добавочным сопротивлением; б – послед-                        

                            в – вольтметр                                               ледовательно-параллельная; в – с термоком-

                                                                                                                                  пенсатором

 Рассмотрим схемы, приведенные на рис. 10, с точки зрения температурной погрешности. Для амперметра без шунта (схема а) показания не зависят от температуры.

 В большинстве случаев температурная погрешность является незначительной и для вольтметра (схема в). Это объясняется тем, что температурный коэффициент сопротивления цепи вольтметра определяется не только «медной» частью обмотки измерительного механизма, но и добавочным сопротивлением, выполняемым из материала с очень малым температурным коэффициентом сопротивления (манганина).

 Чем больше отношение сопротивления манганина к сопротивлению меди, т.е. чем выше предел измерения прибора, тем меньше температурная погрешность. Для вольтметров на пределы свыше 3 – 5в температурную погрешность можно уменьшить за счет добавочного сопротивления из манганина до величин, соответствующих классу 0,2.

 Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является амперметр с шунтом (схема б). При повышении температуры и неизмененных значениях измеряемого тока и сопротивления шунта r (шунт, как указывалось выше, выполняется из манганина) ток I, протекающий через измерительный механизм, и показания прибора уменьшаются.

 Для компенсации температурной погрешности часто применяются специальные схемы. Наиболее широко и пользуемые схемы температурной компенсации представлены на рис. 11. Простейшим способом уменьшения температурной погрешности является включение последовательно с обмоткой рамки добавочного сопротивления гд из манганина (схема а). Недостаток этой схемы заключается в том, что на рамку попадает только часть напряжения, снимаемого с шунта. Для класса 0,2 эта часть составляет всего 5%. Следовательно, в этом случае или не происходит существенного уменьшения температурной погрешности, или увеличивается потребляемая прибором энергия. Обычно этот способ применяется только для приборов класса не выше 1,0.

 Последовательно-параллельная схема (схема б) широко используется в приборах высоких классов точности (0,5; 0,2; 0,1). В такой схеме последовательно с медным сопротивлением r рамки включается сопротивление из манганина r3. Эта цепь шунтируется сопротивлением r из материала с большим температурным коэффициентом (меди или никеля) и через последовательно включенное манганиновое сопротивление г2 подключается к шунту r. При повышении температуры возрастают сопротивления r и r . Однако поскольку последовательно с рамкой включено сопротивление r3 , имеющее практически нулевой температурный коэффициент, то по сравнению с цепью (r + r3) увеличение сопротивления в цепи r  будет больше. Поэтому изменится распределение токов I и I3 таким образом, что в обмотку рамки будет ответвляться несколько большая часть общего тока, чем раньше. Но так как сопротивление между точками а и б увеличится, то при постоянном напряжении общая сила тока I2 несколько уменьшится. Поскольку же сопротивление r2 с увеличением температуры не изменяется, то падение напряжения на нем уменьшится, а между точками в и  г увеличится. Выбором сопротивлений можно добиться того, чтобы при изменении температуры ток в обмотке рамки менялся в пределах, определяемых допустимой величиной температурной погрешности.

 В последнее время все чаще применяются схемы с полупроводниковыми термосопротивлениями (схема в). Термосопротивление ТС обладает значительным отрицательным температурным коэффициентом порядка — (25—35)% на 10° С. Конструктивно такие термосопротивления, например типа ММТ-8, выпускаются в виде шайб в герметическом корпусе. Благодаря высокому значению температурного коэффициента величина термосопротивления в схеме компенсации может быть взята во много раз меньше, чем проволочного сопротивления из манганина в схеме а. При этом к обмотке измерительного механизма можно подвести значительно большее напряжение, т. е. к. п. д. схемы возрастает. Для подбора необходимой величины температурного коэффициента сопротивления и уменьшения влияния разброса характеристик термосопротивлений последние шунтируются манганиновым сопротивлением r . Такое сочетание (ТС и r ) называется термокомпенсатором. В настоящее время термосопротивления применяются в приборах самых высоких классов точности (например, в амперметре типа М1150, класса 0,1).

 При создании приборой для измерения очень малых напряжений (например, э.д.с. термопар) желательно, чтобы все напряжение подводилось непосредственно к цепи измерительного механизма. В этом случае температурная компенсация осуществляется не с помощью схем, а посредством термомагнитного шунта. Такой шунт выполняется из специальных магнитных материалов (сплавов меди с никелем или железа с никелем), у которых магнитная проницаемость существенно уменьшается при возрастании температуры. Конструктивно термомагнитный шунт представляет собой пластинки, которыми замыкаются полюсные наконечники постоянного магнита. При повышении температуры магнитное сопротивление шунта возрастает, что приводит к увеличению индукции в воздушном зазоре. Можно так рассчитать шунт, что это увеличение индукции будет компенсировать действие уменьшения тока в обмотке за счет повышения сопротивления последней, и показания прибора будут мало зависеть от температуры.

Омметры

 Если в схемах, представленных на рис. 12, в качестве измерителя 1 использовать магнитоэлектрический миллиамперметр, то при соблюдении условия U-const показания будут определяться величиной сопротивления rх, т. е. шкалу можно отградуировать в омах.

Действительно, из выражений (21), (22) и рис. 12 следует, что для     последовательной схемы

                                 (21)

а для параллельной

                           (22)

 Так как все величины в правой части уравнений (21) и (22), кроме rх, постоянны, то угол отклонения определяется величиной rх. Такой прибор называется омметром. Из выражений (21) и (22) следует, что шкалы омметров обоих типов неравномерны. У первого типа, в отличие от второго, нуль шкалы совмещен с максимальным углом поворота подвижной части. Омметры с последовательной схемой более пригодны для измерения больших сопротивлений, а с параллельной схемой — малых.

Рис.12 Схемы омметров: а – последовательная; б – параллельная

 Обычно омметры выполняются в виде переносных приборов сравнительно небольшой точности (классов 1,5 или 2,5) и в качестве источника питания имеют сухую батарею. С течением времени напряжение батареи падает, т. е. поставленное нами условие U-const не выполняется. Вместо этого трудно выполнимого на практике условия поддерживается постоянной величина произведения BU-const. Для этого в магнитную систему прибора встраивается магнитный шунт - ферромагнитная пластинка, замыкающая полюса так, что часть потока проходит через полезный воздушный зазор, а часть — через магнитный шунт. Пластинку можно перемещать с помощью ручки, выведенной на наружную панель. При перемещении пластинки меняется ее магнитное сопротивление относительно полюсов (обычно переменной является площадь сечения пластинки), т. е. меняется коэффициент шунтирования.

 Для  регулировки  омметра  с  последовательной схемой   перед

измерениями замыкают накоротко его зажимы с надписью rх и в том случае, если стрелка не устанавливается на отметке 0, перемещают ее до этой отметки с помощью шунта. Регулировка омметра с параллельной схемой производится при отключенном сопротивления rх. Вращением рукоятки шунта указатель устанавливают  на отметку шкалы, соответствующую значению rх = . В некоторых омметрах для регулировки используется не магнитный шунт, а сопротивления.

 Необходимость ручной регулировки, иначе говоря, зависимость показаний от напряжения источника питания, является крупным недостатком рассмотренных омметров, что исключает возможность их применения, например, в схемах автоматики. Этого недостатка нет у омметров, построенных на принципе логометра. Как было указано, в логометрах противодействующий момент создается не механическим путем, а электрическим. Для этого в магнитоэлектрическом логометре (рис. 13) подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой рамок 1 и 2, по обмоткам которых протекают токи I и I2. Пружинки для создания механического противодействующего момента не ставятся, а ток к обмоткам подводится c помощью безмоментных токоподводов, выполняемых в виде тонких неупругих ленточек.

Рис.13 Устройство логометра

 Направления токов в обмотках выбираются так, чтобы моменты М и М, создаваемые рамками, действовали навстречу друг другу. Один из моментов может считаться вращающим, а второй — противодействующим. Кроме того, хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота. Это условие необходимо соблюдать и для логометров. Значит, один (или несколько) из параметров, определяющих величину момента [см. формулу (19)], должен являться функцией угла .

 Технически наиболее просто сделать зависящей от угла поворота индукцию В. Для этого магнитное поле в зазоре должно быть неравномерным, что достигается неравномерностью зазора (с этой целью сердечник на рис. 13 сделан эллипсоидальным). В общем виде выражения для моментов М и М могут быть записаны так:

где    и   — функции, выражающие закон изменения индукции для рамок 1 и 2 при перемещении их в зазоре. При установившемся равновесии моменты М и М равны, т. е.

откуда

или, обозначив

 и  

получим  

 Выражение  для  обратной  функции   можно  представить  так:

 

                                                                        (23)      

 Из, выражения (23) видно, что логометр измеряет отношение и токов в обмотках.

Рис.14 Схема включения логометра в качестве омметра

 Схема включения логометра в качестве омметра представлена на рис. 14. В этой схеме 1 и 2 — рамки логометра, обладающие сопротивлениями r1 и r2;r  и rд — добавочные сопротивления, постоянно включенные в схему. Так как

  

то на основании формулы (23)

                       (24)

т.е. угол отклонения определяется величиной rх и не зависит от напряжения U.

Гальванометры

 Гальванометром называется электроизмерительный прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению. Гальванометры широко используются в электроизмерительной технике для фиксации отсутствия тока в цепи, а также для измерения малых токов, напряжений и количеств электричества; в последнем случае они называются баллистическими.

 Гальванометры, так же как и стрелочные приборы, могут быть различных систем. Электростатические гальванометры называются электрометрами. Для цепей постоянного тока главным образом применяются магнитоэлектрические гальванометры. Эта же система используется для создания измерительных механизмов особой разновидности гальванометров переменного тока — вибрационных. 

 Магнитоэлектрические гальванометры разделяются на две группы: гальванометры с подвижной рамкой и гальванометры с подвижным магнитом. Наиболее распространены гальванометры с подвижной рамкой.

 Для получения высокой чувствительности в соответствии с формулой (20) необходимо уменьшать противодействующий момент, что достигается обычно   креплением   подвижной части на подвесе, а также увеличивать магнитную индукцию и число витков.

 Отсчет показаний гальванометров производится оптическим методом, что увеличивает чувствительность приборов и позволяет наблюдать малые углы отклонения подвижной части.

На рис. 15 схематически показано устройство магнитоэлектрического гальванометра с подвижной рамкой. Рамка 1подвешена на упругой нити 2, служащей одновременно подводом тока к одному из концов обмотки. Другим подводом тока является очень тонкая безмоментная металлическая ленточка 3. Для измерения угла поворота катушки оптическим методом служит зеркальце 4.

Рис.15 Схематическое   устройство магнитоэлектрического гальванометра.

 Зеркальный отсчет можно производить двояким способом: субъективным и объективным. В первом случае (рис. 16, а) на постоянном расстоянии от зеркальца 1 и параллельно его плоскости размещается ярко освещенная (со стороны зеркальца) шкала 2 с делениями. Отраженный от зеркальца луч света направляют в зеркальную трубу 3 и притом так, чтобы наблюдатель видел в ней часть шкалы.

Рис.16 Схемы зеркальных способов отсчета: 

а – субъективного; б – объективного.

 

 Одну из отметок шкалы совмещают с вертикальной чертой, нанесенной на объективе трубы. Если катушка повернется на угол о, то наблюдатель увидит уже другую отметку, отстоящую от первой на расстоянии n делений.

 При объективном методе отсчета (рис. 16, б) на зеркальце направляют от лампы узкий пучок света, который, отразившись от него, падает на шкалу в виде тонкой световой полоски. При повороте катушки на угол а световая полоска перемещается вдоль шкалы на расстояние п делений.

В обоих случаях угол поворота катушки в радианах определяется из выражения т.е. n не пропорциональное.

 При малых углах отклонения (не более 3°) можно тангенс заменить углом и положить, что , и, следовательно, вести отсчет по числу делений шкалы, соответствующему перемещению световой полоски.

 Субъективный метод точнее объективного, но он утомительнее для наблюдателя.

Рис. 16. Схемы  установки гальванометра:

 а — вертикальная;   б — горизонтальная. 

На рис. 16 показаны схемы горизонтальной и вертикальной установки гальванометра с отсчетным устройством, предназначенным для объективного метода отсчета.

 Ввиду большой чувствительности гальванометры на подвесах требуют особых условий установки для того, чтобы механические сотрясения не вносили ошибок в их показания.

 В тех случаях, когда по условиям опыта не представляется возможным пользоваться гальванометрами на подвесах, требующими стационарной установки, применяются переносные гальванометры меньшей чувствительности. Их подвижная часть укрепляется обычно на растяжках. Отсчет угла поворота рамки производится при помощи скрепленной с ней легкой стрелки-указателя, а в некоторых конструкциях при помощи так называемой теневой стрелки — светового указателя. Принцип устройства гальванометра со световым указателем показан на рис. 18.

Рис. 18.   Схема   устройства переносного гальванометра со световым указателем.

 Луч света от источника 1 проходит через двояковыпуклую линзу 2. На пути луча неподвижно укреплен конец копьевидной стрелки 3. Далее на пути луча после плосковыпуклой линзы 4 и зеркальца 5, укрепленного на подвижной части 6 измерительного механизма, расположена шкала 7 с отметками, на фоне которой наблюдатель видит светлое пятно 8 с темным (теневым) изображением стрелки.

 При работе с гальванометром представляет интерес не только его чувствительность, но также характер движения его подвижной части и время, в течение которого она займет положение равновесия, соответствующее конечному углу отклонения. Эта характеристика определяется соотношением между конструктивными постоянными гальванометра и сопротивлением внешней цепи, на которое замкнута рамка.

 Для теоретического исследования переходных процессов в гальванометре необходимо составить и решить уравнение движения подвижной части гальванометра.

 Из теоретической механики известно, что при вращении твердого тела вокруг оси произведение момента инерции тела на угловое ускорение равно сумме всех моментов сил, действующих на тело относительно той же оси, т.е.

                                                                                                       (25)

  На   подвижную   часть   магнитоэлектрического   гальванометра при ее движении действуют следующие моменты:

   а) вращающий момент, равный, как это было выведено выше,

   б) противодействующий   момент,   обусловливаемый   кручением подвеса подвижной части, также рассмотренный ранее,

Знак «минус» означает, что противодействующий момент направлен в сторону, противоположную вращающему;

   в) момент сил, тормозящих (успокаивающих) движение, который можно выразить в таком виде:

где Р — так называемый коэффициент успокоения, представляющий собой момент тормозящих сил при угловой скорости движения подвижной части, равной единице.

 Коэффициент успокоения можно представить в виде суммы двух слагаемых Р = Р1 + P2, где Р1 — коэффициент успокоения рамки вследствие трения ее о воздух; Р2 — коэффициент электромагнитного успокоения, возникающего вследствие того, что в обмотке рамки при ее движении индуктируется э. д. с., которая, если только обмотка замкнута на некоторое сопротивление, создает в цепи ток, тормозящий движение рамки.

 Коэффициент Р1 не поддается изменению или регулировке в уже изготовленном гальванометре; в первом приближении момент МР пропорционален угловой скорости движения катушки, т. е.

 Величина коэффициента P2 может быть определена путем следующих рассуждений. При повороте рамки из положения покоя на угол  поток Ф, пронизывающий ее контур, изменится и, следовательно, в обмотке рамки возникнет э. д. с.

поскольку при радиальном поле в зазоре, в котором поворачивается рамка, .

 Эта э. д. с. в обмотке рамки гальванометра, если рамка замкнута на некоторое внешнее сопротивление r, создаст ток

где и  — сопротивления обмотки рамки и той внешней цепи, на которую она замкнута. 

 В результате взаимодействия этого тока с магнитным потоком постоянного магнита возникает тормозящий движение рамки момент

 Таким образом, суммарный тормозящий момент выразится следующим уравнением:

 Необходимо отметить, что решающее влияние на значение суммарного коэффициента успокоения Р = Р1 + Р2 оказывает коэффициент электромагнитного успокоения Р2.

 Подставляя значения вращающего момента М, противодействующего Ма и тормозящего МР в уравнение (25), получим

                                                    (26)

 Уравнение движения (26) есть линейное дифференциальное уравнение второго порядка, с постоянными коэффициентами и правой частью. Для момента равновесия, когда рамка гальванометра отклонится на конечный угол с, это уравнение примет вид

или

                                                                               (27)

 Можно уравнение (26) несколько упростить и решение сделать более удобным для анализа путем введения безразмерных координат и коэффициентов.

Обозначим у =    Тогда, учитывая равенство   (27),  получим

 В качестве независимой переменной вместо времени t введем угол  (в радианах) вектора, вращающегося с круговой частотой

т. е. положим . Принимая во внимание, что

и

уравнение перепишем так:

                                                                        (28)

Коэффициент в электроизмерительной технике носит

специальное название — степень успокоения.

  Для решения уравнения (28) необходимо составить его характеристическое уравнение. Последнее имеет вид

а его корни

            

 В зависимости от значения  корни уравнения могут принимать различные значения, чем и будет определяться вид решения исходного уравнения, а следовательно, и характер движения подвижной части гальванометра.

 Необходимо различать три характерных случая:

   1)  < 1 — корни   мнимые   и   разные — движение   подвижной части гальванометра имеет колебательный характер;

   2)  > 1 — оба   корня   вещественные   и   разные — движение подвижной части носит апериодический характер;

   3) = 1 — оба корня вещественные и равные, что соответствует граничному случаю апериодического движения подвижной части, представляющему для практики особый интерес.

 Колебательное движение. Если  < 1 , т.е. корни мнимые и разные, то, согласно теории линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, решение исходного уравнения имеет вид

          (29)

где С1 и С2 — постоянные интегрирования, определяемые начальными условиями.

 Если в начальный момент времени подвижная часть гальвано-

метра находилась в состоянии покоя, т. е. если при  = О

и у = 0, то из уравнения (29) следует, что С1 = -1.

 Далее, исходя из равенства (29) и составляя его производную по , можно написать

Полагая  = 0 и приравнивая нулю , найдем, что

Решение уравнения (28) будет иметь вид:

               (30)

 Если положить

то уравнение (30) можно переписать следующим образом:

 Сумму косинуса и синуса можно преобразовать в синус суммы двух углов:

а следовательно,

Учитывая, что, согласно уравнениям (31),

решение уравнения (28) можно переписать в следующем окончательном виде:

 

             (32)

 Из анализа уравнения (32) можно сделать следующие выводы.

    1.Наличие во втором слагаемом в правой части этого уравнения   члена   с   экспоненциальным  множителем     показывает, что это слагаемое с течением времени стремится к нулю, а угол отклонения подвижной части - к конечному углу ус = 1 ( = с).

 Теоретически это будет достигнуто через бесконечно большой, промежуток   времени.   Принято  считать   отклонение   подвижной части гальванометра установившимся, когда она достигает этого отклонения с  некоторой  погрешностью п в  процентах.  Обычно величина  этой   погрешности   принимается   равной ± (0,1—1,0)%.

     2.   Наличие в том же члене  уравнения тригонометрической функции указывает, что подвижная часть до достижения ею конечного угла, при котором у = 1, совершает колебательное движение (кривая 1 на рис. 19, а).

     3.  Период колебательного движения  подвижной  части может быть определен на основании следующих рассуждений.

 Функция у = f () достигает наибольших и наименьших значений при

                   (33)

где k— целое число: 0, 1, 2, 3 и т. д.

Рис. 19. Характер движения  рамки   гальванометра:

а - после   замыкания цепи; б — после отключения источника.

 Условие, выраженное уравнением (33), вытекает из того, что производная от  по  равна

               (34)

и обращается в нуль при значениях , определяемых формулой (33).                                                                                                                                                                                                                              Максимальные значения этой производной будут при нечетных значениях k: 1, 3, 5 и т. д.

 Следовательно, период колебаний равен

                 (35)

 Период колебаний в секундах составляет

               (36)

 Если  = 0, то колебания подвижной части незатухающие или свободные. Уравнение (36), выражающее в этом случае период свободных колебаний подвижной части (в секундах), превращается в уравнение

                               (37)

Апериодическое движение. При значениях > 1 корни характеристического уравнения вещественные и разные:

               

 На основании теории линейных дифференциальных уравнений решение уравнения (28) может быть представлено так:

 

                                           (38)

 Постоянные С1 и С2 могут быть найдены из начальных условий: при  = 0 и у = 0  = 0. Первое условие приводит к уравнению

 Из второго условия следует

 Из последних двух уравнений найдем

 Подставляя полученные значения для С1 и С2 в уравнение (38),

получим

          (39)

 Вводя гиперболические функции

             

уравнение (39) перепишем так:

Обозначим

тогда

  и    

 Окончательно выражение для примет вид

                (40)

 На рис. 19 кривая II показывает характер движения подвижной части гальванометра при апериодическом режиме. В этом случае подвижная часть гальванометра приближается к установившемуся отклонению, не переходя его.

 Режим критического успокоения. Если подобрать внешнее сопротивление, на которое замкнута рамка гальванометра таким, чтобы степень успокоения  = 1, то корни характеристического уравнения будут вещественные и равные х1 = х2  = — 1. В этом случае интеграл уравнения (28) имеет вид

                                           (41)

 Из начальных условий следует, что

Подставляя значения постоянных в уравнение (41), получим решение уравнения (28) в следующем окончательном виде:

                                                       (42)

 Рассмотренному случаю соответствует кривая III на рис. 19. Из сопоставления кривых III и II видно, что при  = 1 подвижная часть двигается апериодически и при этом наиболее ускоренно.

 Этот пограничный случай апериодического движения принято называть критическим успокоением.

 Суммарный коэффициент успокоения, отвечающий критическому успокоению гальванометра, называется коэффициентом критического успокоения Ркр. Его значение может быть определено из выражения

;                     (43)

 Сопротивление внешней цепи, на которую замкнут гальванометр, называется внешним критическим сопротивлением гальванометра. Таким образом, внешним критическим сопротивлением гальванометра является такое наибольшее возможное сопротивление его внешней цепи, при котором подвижная часть гальванометра двигается апериодически, но наиболее ускоренно.

 Сопротивление называется полным критическим сопротивлением гальванометра. У некоторых гальванометров магнитная система имеет шунт, при помощи которого можно изменять индукцию В в зазоре и, следовательно, критическое сопротивление гальванометра.

 Чувствительность к току и напряжению. На основании выражения (19) можно написать

                                                       (44)

 Величина , представляющая собой отклонение подвижной части гальванометра, приходящееся на единицу тока в рамке, называется чувствительностью гальванометра к току. При прохождении по рамке тока I падение напряжения в ней равно .

 Следовательно,

                                                           (45)

 Величина   называется чувствительностью гальванометра к напряжению.

 На практике под  часто понимается величина

                                                                        (46)

где rкр — полное критическое сопротивление.

 В последнем случае чувствительность гальванометра к напряжению характеризуется углом отклонения подвижной части, вызванного напряжением, равным единице и приложенным к цепи, которая состоит из гальванометра и сопротивления, равного внешнему критическому. При этих условиях время успокоения подвижной части гальванометра является наименьшим, что облегчает работу с прибором.

 При зеркальном отсчете отклонение светового указателя будет также зависеть и от расстояния между зеркальцем гальванометра и шкалой. Обычно чувствительность гальванометра приводится к расстоянию между зеркальцем гальванометра и шкалой, равному 1 м.

 Часто на гальванометре указывается не его чувствительность к току и напряжению, а величины, им обратные, которые называются постоянными гальванометра по току С и по напряжению С. Значения постоянных даются при расстоянии от шкалы до зеркальца гальванометра, равном 1 м. Постоянная по напряжению обычно указывается в предположении, что обмотка гальванометра замкнута на критическое сопротивление.

 Выше было отмечено, что большая чувствительность гальванометров достигается прежде всего путем уменьшения противодействующего момента за счет применения подвеса. Однако при этом на работу гальванометра начинают оказывать большое влияние внешние толчки и вибрации.

 Новое направление в конструировании гальванометров и выборе

режима их работы предложено Б. П. Козыревым. Для обеспечения

устойчивой работы гальванометра, т. е. для уменьшения его чувствительности  к механическим сотрясениям и толчкам,  которые всегда имеются даже, казалось бы, в самых спокойных условиях, Б.П. Козырев предложил применить переуспокоенный режим работы гальванометра ( = 5—10), а для уменьшения времени успокоения — существенно снизить период свободных колебаний Тза счет уменьшения момента инерции подвижной части.

 В табл. 2 приведены характеристики некоторых гальванометров ленинградского приборостроительного завода «Вибратор». Эти

гальванометры  имеют магнитный шунт,  который позволяет изменить постоянные в значительных  пределах  и внешнее критическое сопротивление более чем в 10 раз.

                                                                                                                   Таблица 2

Тип	а/мм/м	в/мм/м	r,ом	r,ом	Т, сек
М17/1 M17/3 M17/7 M17/10	3,2 0,5 0,5 0,02	0,17 0,12 5,0 3,0	12 25 350 2500	40 250 10 000 160 000	6 10 4 13

Работа гальванометров в баллистическом режиме

 Для измерения количества электричества кратковременного импульса тока может быть использован магнитоэлектрический гальванометр с увеличенным моментом инерции подвижной части. Обычно такие гальванометры называются баллистическими. В дальнейшем будет показано, что первый наибольший отброс подвижной части такого гальванометра, называемый баллистическим отбросом, пропорционален количеству электричества, протекшего через рамку гальванометра, при условии, что подвижная часть гальванометра практически начинает двигаться уже после окончания импульса.

 На рис. 20 схематически показана одна из конструкций баллистического гальванометра. На подвесе укреплена дополнительная деталь 1 в виде цилиндра с обращенным вверх конусообразным концом. При опускании вниз шайбы 2 при помощи специального рычага (на рис. 20 не показанного) на конус цилиндра 1 опустится шайба 3, вследствие чего увеличится момент инерции подвижной части. 

Рис.20 Схематическое устройство баллистического гальванометра.

 Таким образом, этот гальванометр может работать как обыкновенный и как баллистический.

 Так как увеличение момента инерции подвижной части не изменяет принципа действия гальванометра, а лишь влияет на характер движения его подвижной части, то для баллистического гальванометра будет справедливо уравнение (26):

                                                             (26a)

с той лишь разницей, что величина тока изменяется во времени, и поэтому, в отличие от уравнения (26), в уравнении (26а) фигурирует мгновенное значение тока. В основу дальнейших рассуждений положим уже высказанное соображение о том, что импульс тока закончится до начала движения подвижной части гальванометра. В дифференциальное уравнение введем безразмерные координаты и степень успокоения  аналогично тому, как это было сделано было ранее.

 Принимая во внимание,   что во время прохождения    импульса  подвижная часть неподвижна, т. е. , а  значит, и  равны нулю, уравнение (26а) перепишем так:

                                                                                 (47)

здесь  ат — наибольший угол поворота подвижной части.

 Интегрируя уравнение (47) в пределах от 0 до , т. е. за время прохождения импульса тока, и принимая во внимание, что

где Q — количество электричества, протекшего через рамку гальванометра за этот промежуток времени, получим

                                                                                                     (48)

 Достигнув этой начальной скорости, подвижная часть затем будет совершать движение, подчиняясь уже уравнению

                                                                                                (49)

 Характер движения (колебательный или апериодический) зависит от величины . Рассмотрим наиболее простой случай, когда , что в первом приближении может иметь место, если сопротивление внешней цепи гальванометра очень велико (например, через катушку гальванометра разряжается конденсатор с хорошим диэлектриком). Решение уравнения (49) при  = 0, как известно, имеет вид

                                                                                              (50)

где С и С2 — постоянные интегрирования, определяемые начальными условиями. При  = 0 y = 0, а  определяется уравнением (48). Следовательно,

,

и решение уравнения (49) приобретает следующий окончательный вид:

                                                                                      (50)

 Наибольшее значение у = 1  получается в моменты времени, когда  = 1. Таким образом,

откуда

                                                                                (51)

т. е. наибольшее отклонение подвижной части гальванометра пропорционально количеству электричества, протекшего через рамку.                                                             Коэффициент пропорциональности между наибольшим отбросом подвижной части и количеством электричества

                                                                                                         (52)

называется чувствительностью гальванометра к количеству электричества, или баллистической чувствительностью.

 С учетом уравнения (52) уравнение (51) принимает следующий вид:

                                                                                                              (53)

 Баллистическая чувствительность обычно определяется как амплитуда первого отклонения подвижной части гальванометра, выраженная в миллиметрах шкалы, отстоящей от зеркальца на расстоянии 1 м, и полученная при прохождении через рамку количества электричества в 1 мкк. 

 Величина, обратная баллистической чувствительности, называется баллистической постоянной:

                                                                                                                                   (54)

 Если степень успокоения 0 и находится в пределах 0 , то движение подвижной части гальванометра носит колебательный характер. Интеграл уравнения (49) имеет вид

 Постоянные интегрирования С1 и С2 находим из тех же начальных условий, что и для случая = 0:

и решение уравнения (49) приобретает следующий вид:

                                                                    (55)

 Производная от у по  равна

где

 Баллистический отброс в этом случае происходит через отрезок времени

 При этом у = 1, и из уравнения (55) находим

                                                                            (56)

 При критическом успокоении ( = 1) решение уравнения (49) будет иметь вид

 Определяя постоянные интегрирования по тем же начальным условиям, что и раньше, найдем, что С1 = 0 и

Следовательно, решение уравнения (49) имеет вид

                                                                                                                (57)

 Баллистический отброс при критическом успокоении происходит через отрезок времени  = 1. При этом у = 1, и из уравнения (57) получим

                                                                                                            (58)

 Баллистическая чувствительность в этом случае равна

                                                                                                           (59)

 Рассмотрение полученных результатов показывает, что баллистическая чувствительность в отличие от чувствительности гальванометра к току и напряжению зависит от степени успокоения .

               

        Рис.21 Характеристики баллистического                   Рис.22 Схема измерения магнитного потока

                                      гальванометра                                        постоянного магнита при помощи баллис-

                                                                                                                              тического гальванометра

 Наибольшая баллистическая чувствительность получается при 0. По мере увеличения  чувствительность падает и при критическом успокоении ( = 1) уменьшается по сравнению со случаем  = 0 в е раз. Время баллистического отброса 1 также уменьшается по мере увеличения степени успокоения. На рис. 21 показано изменение этих характеристик в зависимости от степени успокоения.

 Одним из наиболее часто встречающихся случаев применения баллистического гальванометра является измерение им не изменяющегося во времени магнитного потока, например магнитного потока постоянных  магнитов   или   электромагнитов   постоянно тока и т. п.

 Для измерения магнитного потока баллистический гальванометр присоединяется  к  контуру, охватывающему измеряемый поток. Контур выполняется в виде катушки, называемой измерительной. Размеры и число витков этой катушки зависят от условий измерения. В схеме, показанной на рис. 22, для измерения магнитного потока измерительная катушка ИК. должна быть снята и удалена от постоянного магнита. При изменении магнитного потока в измерительной катушке индуктируется э. д. с., которая уравновешивается активным и индуктивным падением напряжения в цепи гальванометра, т. е.

                                                                                             (60)

где к — число витков измерительной катушки;

       — сопротивление цепи;

       — индуктивность цепи.

 Проинтегрируем выражение (60) в пределах времени от момента начала изменения потокосцепления до момента его окончания. Учитывая, что в эти моменты времени ток i равен нулю, полагая L неизменной и опуская знак «минус», получим

                                                                                                                             (61)

где — изменение потока за указанное время;

       — количество электричества, протекающего в цепи измерительной катушки и гальванометра.

 Учитывая, что первый наибольший отброс подвижной части баллистического гальванометра пропорционален количеству электричества, протекшего через рамку, находим

                                                                                                            (62)

где  — баллистическая постоянная гальванометра;

       — постоянная гальванометра в единицах магнитного потока (веберах) на деление шкалы.

 Баллистическая постоянная определяется посредством образцовой катушки взаимной индуктивности следующим образом. Вторичная обмотка катушки взаимной индуктивности присоединяется к баллистическому гальванометру, а в первичной обмотке изменяется ток на некоторую величину . В контуре вторичной обмотки катушки взаимной индуктивности и баллистического гальванометра произойдет изменение магнитного потока [вб], где М — взаимная индуктивность в генри. Баллистическая постоянная гальванометра, выраженная в веберах на деление, может быть в этом случае подсчитана следующим образом:

.

 Сопротивление цепи гальванометра как во время градуировки прибора, так и при пользовании им для измерений должно быть одинаковым. Поэтому вторичная обмотка градуировочной катушки должна быть постоянно включена в цепь гальванометра.

 Баллистический метод измерения магнитного потока был впервые предложен и осуществлен русскими учеными Э.X. Ленцем и Б.С. Якоби.

Веберметр

 Веберметр (флюксметр) представляет собой магнитоэлектрический измерительный механизм с подвижной рамкой практически противодействующего момента, вследствие чего его подвижная часть находится в безразличном равновесии.

 Если рамку веберметра соединить с измерительной катушкой, охватывающей измеряемый поток, и изменить величину потокосцепления, то по отклонению подвижной части прибора, как будет показано ниже, можно судить о величине измеряемого потока.

 Для веберметра остается справедливым уравнение (26) с той лишь разницей, что удельный противодействующий момент W принимаем равным нулю. Кроме того, сделаем допущение, что наибольшее влияние на значение коэффициента успокоения Р оказывает коэффициент электромагнитного успокоения, что практически и имеет место при небольшом значении внешнего сопротивления, на которое замыкается катушка измерительного механизма. В соответствии с этим уравнение (26) применительно к рассматриваемому случаю имеет вид

                                                                                                         (63)

 Э. д. с., индуктированная в измерительной катушке, как уже указывалось при рассмотрении баллистического гальванометра, определяется выражением (60). Находя из этого выражения ток i и подставляя его значение в (63), получим

                                                                                            (64)

 Интегрируем выражение (64) за промежуток времени от начала (t = 0) до конца (t = t1) движения подвижной части веберметра. Поскольку в моменты времени t = 0 и t = t1 подвижная часть веберметра находится в состоянии покоя, первый член уравнения (64) после интегрирования за этот промежуток времени обратится в нуль, а второй член уравнения будет равен Р2 . Где   — изменение угла отклонения подвижной части веберметра. Кроме того, в начальный и конечный моменты времени ток i = 0. Следовательно,

Входящий в правую часть этого уравнения интеграл равен, где  — изменение потока в измерительной катушке. Принимая во внимание выведенное в ранее выражение

окончательно получим

                                                                                          (65)

где Сф — постоянная веберметра в вебервитках на одно деление.

 Как видно из (65), отклонение подвижной части веберметра не зависит от сопротивления измерительной катушки. Но следует иметь в виду, что это имеет место лишь при условии преобладания электромагнитного торможения над воздушным. По мере увеличения сопротивления измерительной катушки электромагнитное торможение уменьшается, а относительное влияние трения о воздух и в опорах, которым мы пренебрегаем при выводе уравнения (63), возрастает, в результате чего выражение (65) становится несправедливым.

Рис.23 Схема веберметра.

 На шкале веберметра указывается наибольшее значение внешнего сопротивления (обычно не больше 20 ом), при котором гарантируется определенная точность прибора.

 Как было отмечено, подвижная часть веберметра находится в безразличном равновесии и, отклонившись при измерении на какой-либо угол, остается в этом положении. Для установки подвижной части перед измерением в начальное положение обычно предусматривается корректор. На рис. 23 приведена схема веберметра с корректором, выпускаемого ленинградским приборостроительным заводом «Вибратор».

 Подвижная рамка 1 веберметра укреплена на кернах и расположена между полюсами 2 постоянного магнита. Концы обмотки рамки через тонкие, практически безмоментные токопроводы 3 соединены с переключателем 4, ручка которого выведена на верхнюю крышку прибора. Верхнее (по схеме рис. 23) положение переключателя соответствует рабочему (положение «Измерение»); при этом рамка прибора соединена с наружными зажимами 5, к которым ппвключается измерительная катушка 6.

 Нижнее (по схеме рис. 23) положение переключателя 4 используется при работе корректора. Рабочая рамка 1 соединяется вспомогательной поворотной рамкой 7,  встроенной в  корпус прибора, расположенной между полюсами 8 постоянного магнита и механически скрепленной с ручкой 9, также выведенной на наружную крышку прибора. При повороте вспомогательной рамки 7 в контуре рабочей рамки происходит изменение магнитного потока, для компенсации которого рамка 1 начинает поворачиваться в ту или иную сторону, что и позволяет установить стрелку прибора на начальную отметку шкалы.

 Постоянная веберметра может быть определена тем же способом, что и постоянная баллистического гальванометра. Обычно постоянная веберметра указывается на его шкале.

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

Общие замечания

 Высокая чувствительность, точность и малое собственное потребление мощности выгодно отличают магнитоэлектрические приборы от других электромеханических приборов. Ввиду этого понятно стремление использовать магнитоэлектрический измерительный механизм для измерений на переменном токе. Эта задача решена путем преобразования переменного тока в постоянный, с последующим измерением его обычным магнитоэлектрическим прибором.

 В качестве преобразователей переменного тока в постоянный вменяются полупроводниковые выпрямители, термопреобразователи, электронные лампы и полупроводниковые триоды. В соответствии с используемым типом преобразователя приборы носят название: выпрямительные, термоэлектрические и электронные.

 Полупроводниковые выпрямители имеют неограниченный срок службы, малые габариты и вес, что позволяет сделать выпрямительные приборы компактными, простыми и надежными в работе. Выпрямительные приборы отличаются высокой чувствительностью и малым потреблением мощности. Нестабильность характеристик проводниковых выпрямителей и сильное влияние температуры приводят к снижению точности выпрямительных приборов. Область применения таких приборов ограничена частотами порядка 10 - 20 кгц, что объясняется влиянием собственной емкости полупроводниковых выпрямителей.

 Термоэлектрические преобразователи обладают малой индуктивностью и малой емкостью, ввиду чего показания термоэлектрического прибора мало зависят от частоты. Использование теплового действия тока в термоэлектрических приборах приводят к заметному увеличению потребляемой прибором мощности. Термоэлектрические приборы применяются главным образом в качестве высокочастотных амперметров.

 Электронные измерительные приборы занимают особое место среди магнитоэлектрических приборов с преобразователями переменного тока в постоянный. Использование в качестве преобразователя электронной лампы значительно изменяет характеристики прибора. В ряде случаев электронные приборы оказываются незаменимыми, и их применение значительно расширяет возможности электроизмерительной техники. К числу основных достоинств электронных приборов нужно отнести их высокую чувствительность, получаемую за счет использования усилительных свойств электронных ламп, что особенно важно для измерений на переменном токе. Приборы могут работать в широком диапазоне частот: от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц. Практическое отсутствие потребления мощности из измеряемой цепи позволяет использовать эти приборы для измерений в маломощных цепях (наладка радиосхем, схем связи).

 Наряду с этими достоинствами электронные измерительные приборы обладают также и недостатками, к числу которых следует отнести в первую очередь сравнительно невысокую точность, а также наличие источника питания, потребляющего значительную мощность от сети, и связанную с этим громоздкость прибора. Срок службы электронных приборов ограничен сроком службы электронных ламп.

 Некоторые из этих недостатков могут быть частично устранены заменой электронных ламп полупроводниковыми элементами. Как известно, полупроводники имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными лампами: малые габариты, большой срок службы, механическая прочность, малое собственное потребление, отсутствие цепи накала. Однако полупроводники имеют пока меньшую стабильность и больший разброс параметров, чем электронные лампы.

 В настоящее время наиболее распространены электронные вольтметры переменного и постоянного тока, электронные частотомеры, тераомметры, приборы для измерения емкости и индуктивности и другие. Ряд перечисленных приборов, например вольтметры, частотомеры, тераомметры, серийно выпускаются отечественной промышленностью.

Выпрямительные приборы

 Выпрямительные приборы представляют собой соединение магнтоэлектрического измерительного механизма с одним или несколькими полупроводниковыми выпрямителями. Чаще в выпрямительных приборах применяются меднозакисные, германиевые и кремниевые выпрямители. Устройство меднозакисного и германиевых выпрямителей (точечного и плоскостного) показано на рис.24.

 Меднозакисный выпрямитель  (рис.24, а)  представляет собой пластинку (или шайбу), на которой путем нагревания и последующего быстрого охлаждения образован слой закиси меди. Решающую роль в процессе выпрямления играет очень тонкий слой между медью и закисью меди,  называемый запирающим слоем.

Рис. 24 Устройство полупроводниковых выпрямителей

а – меднозакисного; б – германиевого точечного; в – германиевого плоскостного.

 

 Для включения выпрямителя в схему один вывод припаивается  непосредственно к меди, а другой — к закиси меди, покрытой для

улучшения контакта слоем свинца.

 В германиевых точечных выпрямителях используются вентильные свойства запирающего слоя в месте контакта кристалла германия с пружинящей контактной иглой (рис. 24, б). Кристалл германия 1 с кристаллодержателем закреплен на металлическом основании 2, которое установлено на одном конце фарфоровой трубки 3. К другому концу трубки прикреплена втулка 4 с пружинящей мштактной иглой 5 из вольфрамовой проволоки. Для включения и цепь служат выводы 6. Такое устройство также обладает выпрямляющими свойствами.

 Германиевый выпрямитель плоскостного типа (рис. 24, в) конструктивно представляет собой тонкую пластинку 1 из германия, по обеим сторонам которой находятся металлические электроды 2 и 3. Один из электродов (2) изготовляется из такого металла, который обладает проводимостью другого типа, чем германий. Таким металлом обычно служит индий. На границе слоев с разными типами проводимости образуется переход, обладающий выпрямляющими свойствами. На рис. 24, в показаны также кристаллодержатель 4 и выводы 5.

 Плоскостные германиевые выпрямители, имеющие значительно большую площадь рабочего контакта, чем точечные, позволяют пропускать через них большие токи и рассеивать значительные мощности.

 Полупроводниковые выпрямители обладают конечными, но неодинаковыми сопротивлениями для обоих направлений тока. Меньшее сопротивление называется прямым, большее — обратным. Соответствующие токи носят название прямого и обратного. Действие выпрямителя характеризуется коэффициентом выпрямления kв, равным отношению прямого тока Iпр к обратному Iобр, протекающих при определенном напряжении, приложенном к выпрямителю, или, что то же самое, отношению обратного сопротивления к прямому:

 Коэффициент выпрямления для меднозакисных выпрямителей составляет 600 — 1000, для германиевых 4000 — 5000. Кремниевые выпрямители имеют коэффициент выпримжмшя 105 — 106. Прямое и обратное сопротивления выпрямителя не остаются постоянными, они в некоторых пределах изменяются в зависимости от приложенного напряжения, температуры и частоты.

 Влияние частоты, в частности, обусловливается тем, что выпрямители, кроме сопротивления, обладают довольно значительной емкостью. Собственная емкость меднозакисных выпрямителей около 60 пф/мм2. Емкости германиевых выпрямителей примерно в 10 раз меньше. Ввиду этого частотный диапазон использования меднозакисных выпрямителей составляет 2500 — 5000 гц, в то время как для германиевых выпрямителей он достигает 50 кгц.

Рис.25 Вольтамперные характеристики выпрямителей

а – меднозакисных; б – германиевых.

 На рис. 25, а и б изображены вольтамперные характеристики соответственно меднозакисного и германиевого выпрямителей для различных температур. Масштаб отрицательной полуоси тока сильно преувеличен, чтобы яснее показать ход отрицательной части характеристики.

 Как видно из характеристик рис. 25, а и б, прямое и обратное сопротивления меднозакисного и германиевого выпрямителей сильно зависят от температуры. С повышением температуры прямое и обратное сопротивления выпрямителей уменьшаются. Температурный коэффициент прямого сопротивления меднозакисного выпрямителя колеблется в пределах 10 - 15%, а обратного — в пределах 30 - 40% на 10° С. Коэффициент выпрямления выпрямителей при этом тоже уменьшается. Для меднозакисного выпрямителя изменение коэффициента выпрямления составляет 10-18%, на 10° С.

 Рабочее напряжение на один меднозакисный мыпрямитель обычно не превышает 1 - 1,5 в, обратное напряжение не должно быть больше 4 - 6 в, иначе произойдет пробой выпрямителя. Допустимое обратное напряжение для германиевых выпрямителей значительно выше: для различных типов оно составляет 30 - 400 в.

 В зависимости от соединения измерительного механизма с выпрямителями схемы выпрямительных приборов делятся на схемы с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением. В схемах первого типа (рис. 26, а) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, обратная полуволна пропускается через выпрямитель В2, включенный параллельно выпрямителю В1. Выпрямитель Б2, таким образом, защищает выпрямитель В1 от пробоя при обратной полуволне. Сопротивление r1, равное сопротивлению измерительного механизма, необходимо для уравнивания сопротивлений цепи в обоих направлениях тока.  

Рис.26 Схемы соединения измерительного механизма с полупроводниковыми выпрямителями:

а – с однополупериодным выпрямлением; б – с двухполупериодным выпрямлением;

в - с двухполупериодным выпрямлением последовательная; г - с двухполупериодным выпрямлением параллельная.

 В схемах двухполупериодного выпрямления (рис. 26, б, в, г), наиболее распространенных, выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода. При этом в схеме рис. 26, б по сравнению со схемой 26, а вдвое увеличивается ток через измерительный механизм и соответственно повышается чувствительность прибора к току.

 Однако в мостовых схемах на каждый выпрямитель приходится только половина измеряемого напряжения, и если оно мало, то выпрямители, как видно из характеристик рис. 25, будут работать с низким коэффициентом выпрямления; следовательно, для измерения очень малых напряжений лучше применять схему 26, а.

 На практике мостовые схемы выпрямительных приборов обычно строятся лишь с двумя выпрямителями, а два других заменяются сопроптлениями r (рис. 26, в, г). Преимуществом таких схем включения является меньшая зависимость показаний прибора от изменения окружающей температуры. Но в связи с тем, что в измерительный механизм ответвляется лишь часть выпрямленного тока, необходимо применять измерительный механизм большей чувствительности. Для измерения больших токов удобнее параллельная схема рис.26, г. В ней в каждый полупериод одно из сопротивлений r играет роль шунта.

 Вращающий момент, действующий на подвижную катушку измерительного механизма, как было показано заранее, определяется формулой

Здесь i — мгновенное значение переменного тока, протекающего и точение полупериода, пока ток имеет одно направление. Вследствие инерции подвижной части ее отклонение будет пропорционально среднему значению вращающего момента. Если ток i = Iт sint, то для схемы с однополупериодным выпрямлением угол поворота подвижной части

 

откуда

                                                                                                      (66)

 Для схемы с двухполупериодным выпрямлением правая часть завнения (66) увеличивается в два раза.

 Таким образом, при помощи выпрямительных приборов измелется среднее значение тока, протекающего в цепи. Как будет показано ниже, в цепях переменного тока обычно измеряется действующее значение тока, связанное со значением Iср через коэффициент формы кривой kф:

 Вводя, в выражение (66) действующее значение тока, получим для двухполупериодной схемы

 

 Следовательно, выпрямительный прибор может быть проградуирован на действующее значение тока только для некоторой, определенной формы кривой (обычно для синусоиды, для которой kф = 1,11). При изменении формы кривой измеряемого тока возникает дополнительная погрешность.

13

1. Задание 7 Предметная область ПО- Сбыт готовой продукции некоторые функции выполняемые со
2. Тема- Вибір обладнання штангової свердловинної насосної установки для видобутку нафт
3. на тему- Рынок государственных ценных бумаг Выполнил- Студентка ЮТД518 Гайдей
4. 1 Рівні аналізу в літературі1
5. Лекция 2 Основные этапы эволюции человека Основные этапы эволюции приматов Примат
6. Концепция человека в древнем Китае
7. валютная политика Для стран переходного типа важнее переключиться на политику высоких темпов роста чем бо
8. 26 марта Полис включает риск медицинских расходов на сумму 450 тыс
9. 112012 року 22 липня 2012 року в Самборі відкрився Туристичноінформаційний центр
10. Гигиенические требования к условиям труда медицинского персонала
11. 3.04 Львівський інститут економіки і туризму Кафедра теорії і практики туризму і готельного господарс
12. Хлібозавод 21 Загальна характеристика підприємства Досліджуване підприємство Відкрите акціонерне
13. задание листинг программы и результаты
14. Куріння серед молоді Виконала- Студентка 4 курсу Групи 9П23-10
15. Познакомить с историей открытия исследования и заселения территории Дальнего Востока
16. Украинский выбор
17. .1402.02.2014 13 января понедельник 14 января вт
18. Лекция 3 Движение новых человеческих отношений
19. интерната 37 III видаНовосибирск ОБОГАЩЕНИЕ СЛОВАРНОГО ЗАПАСА ГЛУХИХ КАК СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧЕ
20. Тема- Работа с экраном в текстовом режиме

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе