2.12. Градуировка амперметра и вольтметра

Цель работы: изучение электроизмерительных приборов, их градуировка.

I. Теоретическое введение

для выполнения измерения в общем случае нужны: во-первых, мера — вещественное воспроизведение единицы измерения (для взвешивания — гиря, для измерения сопротивления — образцовая катушка сопротивления); во-вторых прибор сравнения — техническое средство для выполнения сравнения (весы с коромыслом, измерительный мост). Часто измерение производится без видимого применения меры, прибором непосредственного отсчета (непосредственной оценки) показывающим числовое значение измеряемой величины (омметром, амперметром, счетчиком и т. п.). Но меры применяются при градуировании такого прибора.

Погрешности и классы точности

При любом измерении вследствие множества причин неизбежна некото­рая погрешность. Необходимо, чтобы эта погрешность не превышала прак­тически допустимую для данного из­мерения.

Причинами погрешностей в показаниях прибора являются недо­статки самого прибора (измеритель­ного механизма, измерительной цепи, неточности градуировки шкалы и т. д.) и внешние влияния (температура, по­ложение, магнитные и электрические поля и т. д.). В соответствии с этим погрешности прибора делятся на основные и дополнительные. В зависимости от наибольшей допускаемой основной погрешности электроизмерительные приборы делятся на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4, причем соответствующее значение допустимой погрешности служит обозначением класса.

Классом точности называется относительная ошибка, выраженная в %, даваемая прибором при измерении им максимально возможной для него величины.

η

Абсолютная ошибка ΔА остается неизменной для данного прибора. Тогда относительная ошибка, получаемая при измерении какой-либо величины А этим прибором связана с классом точности следующим образом:

η

Следовательно, чем ближе А к А_max , тем меньше относительная ошибка. Поэтому при измерении следует пользоваться второй половиной шкалы прибора.

Маркировка прибора

На лицевой стороне прибора (обычно на шкале) согласно ГОСТ должны быть сделаны условные обозначения, определяющие технические особенности электроизмерительного прибора: единицу измеряемой величи­ны, класс точности, род тока и число фаз, систему прибора, за­щищенность от внешних магнитных или электрических полей, группу прибора по условиям эксплуатации, ра­бочее, положение прибора и т. д. Важ­нейшие примеры условных обозначе­ний даны в таблице 1.

Таблица 1

Шунты и добавочные сопротивления

Приборы, служащие для измере­ния тока (амперметр) и напряжения (вольтметр), устроены в большинстве случаев, по существу, совершенно оди­наково и отличаются друг от друга главным образом способом включения в цепь, а также относительной вели­чиной своего сопротивления.

Амперметр должен быть включен последовательно с тем приемником, ток которого он должен измерять (рис. 1), чтобы через амперметр прошел весь ток приемника, при этом сопротивление амперметра должно быть настолько малым, чтобы в нем не происходила сколько-нибудь суще­ственная потеря напряжения.

Наоборот, вольтметр должен иметь большое сопротивление и включаться непосредственно между теми точками (рис. 2), напряжение между кото­рыми он должен измерять.

П

ри изменении напряжения на зажимах такой цепи будет пропорционально изменяться потребляемый ею ток и, следователь­но, показание прибора будет пропор­ционально напряжению между теми точками цепи, между которыми он включен. При малом собственном со­противлении вольтметр потреблял бы большой ток, без пользы нагружая источник энергии и соединительные провода.

При помощи различным образом включенных сопротивлений можно расширить пределы измерения вольтметра и амперметра. У вольтметра такое со­противление включается последовательно с прибором (рис. 3) и называется добавочным сопротивлением. На самый прибор при­ходится при этом лишь часть U_B на­пряжения U, пропорциональная со­противлению прибора.

Величина R_д для данного прибора определяется на основании номинальных значений измеряемого напряжения U, тока I_V и сопротивления R_V са­мого прибора следующим образом:

, (1)

, (2)

, (3)

где -коэффициент расширения пределов измерения.

В силу самого принципа построе­ния вольтметра ток через прибор дол­жен быть пропорционален напряже­нию, а следовательно, сопротивление цепи прибора должно быть постоянно во времени и не меняться при измене­ниях температуры. По этой причине добавочные сопротивления наматыва­ются из проволоки, изготовленной из специальных сплавов с ничтожным температурным коэффициентом сопро­тивления.

Один и тот же вольтметр с не­сколькими добавочными сопротивле­ниями может измерить напряжения различного порядка.

В тех случаях, когда затруднитель­но или нецелесообразно пропускать через амперметр весь намеряемый ток, параллельно измерителю вклю­чается шунт (англ. Shunt — ответвле­ние), через который пропускается большая часть измеряемого тока (рис. 4). Шунт представляет со­бой небольшое сопротивление извест­ной величины.

Так как при напряжения на параллельно соединенных участках равны, напряжение на амперметре, равно напряжению на шунте. В соответствии с законом Ома получим:

. (4)

а так как измеряемый ток

(5)

то, подставив (4) в (5), получим:

(6)

Тогда

, (7)

где k_ш — шунтовой коэффициент.

Для точности измерения необходи­мым условием является постоянство k_ш, что должно быть обеспечено пра­вильным выполнением схемы соедине­ния шунта с измерителем и независимостью k_ш от внешних влияний.

Сопротивление шунта R_ш — вели­чина относительно малая, порядка10^-2-10^-4 ом; по сравнению с ней существенное значение имеют пере­ходные сопротивления контактов и со­противления соединительных проводов и частей. По этой причине шунты, как и все образцовые малые сопротивле­ния, снабжаются четырьмя зажимами (рис. 5), из которых два m (токо­вые) служат для включения шунта в цепь измеряемого тока, а два дру­гих п (потенциальные) —для присо­единения измерителя.

Из числа внешних влияний наибо­лее важным является влияние на k_ш температуры; в целях, его устранения шунты изготовляются из манганина.

Системы электроизмерительных механизмов

Электроизмерительные приборы классифицируются по системам в за­висимости от физического явления, используемого в них для целей измере­ния (обычно для получения вращаю­щего момента). Из числа этих си­стем, широкое применение имеют магнитоэлектрическая, электромагнитная, индукционная, электродинамиче­ская и ферродинамическая.

Вприборахмагнитоэлектри­ческой системы (рис. 6) вращающий мо­мент создается взаимодействием то­ка, проходящего по катушке с полем постоянного магнита, то есть использует­ся энергия магнитного поля системы, состоящей из постоянного магнита и контура с током.

На концах постоянного магнита 1 закреплены полюсные наконечники 2, между которыми помещен неподвижный ци­линдр 3. Полюсные наконечники и неподвижный цилиндр выполнены из магнитно-мягкого материала. Такая конст­рукция магнитной системы позволяет получить в зазоре между полюсными наконечниками 2 и цилиндром 3 равно­мерное радиальное постоянное магнитное поле. В этом поле находится подвижная катушка 4, которая чаще всего на­матывается на алюминиевый каркас, одновременно выпол­няющий роль электромагнитного успокоителя подвижней части системы. Подвижная катушка 4 крепится на полу­осях 5 или растяжках. Измеряемый постоянный ток посту­пает в катушку через спиральные пружины 6, которые соз­дают противодействующий момент. Кроме того, вспомога­тельными элементами конструкции магнитоэлектрического измерительного прибора являются: 7— устройство уста­новки нулевого положения указателя-стрелки 8, 9 — балан­сир, 10 — шкала.

Так как катушка (рамка) находится в магнитном поле, то, как только по ней начинает течь ток, появляется сила Ампера, создающая вращающий момент и поворачивающая катушку на полуосях 5. Отклонение катушки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент М_вр не уравновесится противодействующим моментом М_пр. При этом стрелка 8 отклонится на угол α, пропорциональный току в катушке (т.к. сила ампера F_A = IBl). То есть

I = C_пр∙α,

где С_Пр — постоянная прибора («цена деления»).

Магнито­электрические измерительные меха­низмы пригодны лишь для постоянно­го тока, поэтому для измерений пере­менного тока они соединяются с раз­личными преобразователями (выпря­мителями, термоэлементами, электрон­ными лампами), преобразующими из­меряемый переменный ток в пропор­циональный ему постоянный.

Маг­нитоэлектрические приборы чувстви­тельны и выносливы к перегрузкам. По этой причине чувствитель­ные гальванометры в большинстве слу­чаев изготовляются магнитоэлектриче­ской системы. Область применения этой систе­мы — лабораторные и промышленные измерения при постоянном токе.

В приборах электромагнит­ной системы вращающий момент создается воздействием магнитного поля измеряемого тока, проходящего по неподвижной катушке прибора, на подвижный ферромагнитный сердеч­ник. Механические силы, возникаю­щие в подобном устройстве, стремятся расположить сердечник так, чтобы магнитный поток был наибольшим, иными словами, чтобы энергия магнитного поля устройства была возможно больше.

Вприборе с круглой катушкой (рис. 7) внутри катушки устано­влены два сердечника: подвижный1 и неподвижный 2. Когда по катушке 4 проходит ток, тогда оба сердечника намагничиваются и отталкивание их одноименных полюсов создает вра­щающий момент. В приборе, показан­ном на рисунке, ферромагнитный экран 3 надет непосредственно на ка­тушку.

Вращающий момент приборов этой системы определяется изменением магнитной энергии W при поворо­те подвижной части.

При изменении направления тока напра­вление момента в приборе не меняет­ся, следовательно, прибор пригоден и для переменного тока.

Класс точности элек­тромагнитных приборов обычно не вы­ше 1,5 главным образом из-за влия­ния гистерезиса и вихревых токов. Влияние остаточного намагничивания особенно сказывается при измерениях постоянного тока, приборы этой системы исключительно выносли­вы к перегрузкам. Наряду с этим не­обходимо отметить их дешевизну и простоту устройства.

Областью применения электромаг­нитных приборов являются преимуще­ственно измерения переменных напря­жений и токов (кроме высокой часто­ты). Большинство амперметров и вольтметров в промышленных уста­новках принадлежит к электромаг­нитной системе.

Электродинамические при­боры основаны на принципе взаи­модействия проводников, по которым проходит ток: два проводника с одинаково направленными токами взаим­но притягиваются, с противоположно направленными токами взаимно от­талкиваются.

Прибор этой системы состоит из неподвижной 1 и подвиж­ной 2 катушек (рис. 8), ток в последнюю подводится через спи­ральные пружины 3, которые вместе с тем создают противодействующий момент. Подвижная катушка прибора стремится стать так, чтобы направле­ние ее магнитного поля совпало с на­правлением поля неподвижной ка­тушки. Вращающий момент прибо­ра может быть определен через изме­нение энергии общего магнитного поля катушек.

При одновременном изменении на­правления тока в обеих катушках направление вращающего момен­та остается неизменным, следователь­но, прибор пригоден как для постоян­ного, так и для переменного токов, причем шкала у прибора для обоих родов тока одна и та же. Благодаря отсутствию стали прибор может, быть сделан весьма точным.

электродинамические при­боры плохо выносят перегрузку (в особенности амперметр). Наконец, изго­товление прибора относительно слож­но, в силу чего он дорог.

Электродинамические приборы со стальным магнитопроводом носят на­звание ферродинамических. Однако применение стали уменьшает точность прибора вследст­вие влияния гистерезиса и вихревых токов; кроме того, конструкция прибо­ра значительно усложняется. В силу этих причин ферродинамические при­боры для точных измерений мало при­годны.

Область применения электродина­мических приборов — лабораторные измерения переменного тока, главным образом измерения мощности.

В индукционных приборах (рис. 9) вращающий момент со­здается взаимодействием токов, наво­димых в подвижной части прибора 1, с магнитными потоками неподвижных электромагнитов 2 и 3.

Результирующее вращающееся маг­нитное поле прибора создается двумя или более переменными магнитными потоками, не совпадающими по фазе и по расположению в пространстве. Вращающееся магнитное поле наводит вихревые токи в металле диска 1. Вих­ревые токи, в свою очередь, взаимо­действуя с вращающимся магнитным полем, создают вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора. Противодействующий момент создается спиральной пружиной4. В качестве успокоителя применяется постоянный магнит 5, в поле кото­рого движется диск прибора.

Индукционный прибор может быть сконструирован в виде вольтметра, амперметра и ваттметра.

достоинства этой системы, обусловлены применением стальных сердечников; приборы имеют большой вращающий момент, не боят­ся внешних магнитных влияний, а благодаря отсутствию подвода тока в подвижную часть устойчивы к пере­грузкам.

Электростатическая си­стема основана на использовании для измерения сил взаимодействия заряженных проводников. В электро­статическом вольтметре (рис. 10) имеется система подвижных пластин 1, укрепленных на общей оси, и система неподвижных пластин 2. Источник то­ка, напряжение которого должно быть измерено, соединяется одним полюсом с подвижной частью, другим — с не­подвижными пластинами. Пластины прибора образуют конденсатор, ем­кость С которого изменяется при от­клонении подвижной части; силы элек­тростатического притяжения стремят­ся увеличить энергию электриче­ского поля прибора и создают вра­щающий момент. Противодействующий момент со­здается пружиной.

Изменение знака напряжения не меняет знака вращающего момента, поэтому электростатический вольтметр приго­ден для измерения постоянного и пе­ременного напряжений. В ряде слу­чаев весьма существенным преиму­ществом прибора является то, что он практически не потребляет энергии.

Электростатические вольтметры при­меняются преимущественно в лабора­ториях для непосредственного измере­ния высоких напряжений.

Тепловая система основана на использовании для отклонения по­движной части удлинения металличе­ской нити, нагреваемой измеряемым током.

тепловые приборы плохо выно­сят перегрузки, неточны вследствие чувствительности к температурным влияниям и потребляют относительно много энергии. По всем этим причи­нам в настоящее время тепловые при­боры применяются лишь в немногих случаях для измерений токов высокой частоты.