Устройство электроизмерительных приборов

УСТРОЙСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

 

Оборудование: эталонный микроамперметр с зеркальной шкалой, исследуемый микроамперметр, батарейный модуль 1,5 В, набор постоянных и переменных резисторов с монтажными проводниками, мультиметр (несколько штук в аудитории).

 

Устройство электроизмерительных приборов

Рассмотрим конструкцию прибора магнитоэлектрической системы (рис. 1) с внешним магнитом. Измерительный механизм состоит из неподвижного постоянного магнита 1, сердечника из магнитомягкого железа 2 и вращающейся рамки (катушки) 3. На оси, соединенной с рамкой 3, закреплена указательная стрелка 4 с противовесами 5. Две спиральные пружины 6 выполняют функции возвратного устройства и токоподвода к рамке. Установка указательной стрелки на нулевую отметку шкалы может быть подкорректирована при помощи внешнего корректора 7, выведенного под шлиц.

Существуют также и магнитоэлектрические приборы с внутренним магнитом, в которых неподвижный магнит находится внутри подвижной рамки, а снаружи рамка окружена малогабаритным магнитопроводом.

Принцип действия приборов электромагнитной системы (рис. 2) заключается в том, что магнитное поле, создаваемое измеряемым током, текущим по катушке 1, втягивает внутрь катушки стальной сердечник-лепесток 2, укрепленный на оси, и поворачивает ось со стрелкой. Спиральная пружина 3 возвращает стрелку к нулевой отметке при отключении тока. На рис. 2 показан также и воздушный успокоитель (демпфер) 4, который быстро гасит колебания стрелки в тот момент, когда она под действием подвижной части измерительного механизма отклоняется до нужной отметки шкалы. Воздушный успокоитель состоит из поршня, соединенного с осью и корпуса (цилиндра).

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии токов, протекающих по неподвижной катушке 1 и вращающейся в ней подвижной катушке (рамке) 2 (рис. 3). Камерный воздушный успокоитель 3 гасит колебания стрелки. Спиральные пружины 4 выполняют функции возвратного устройства и токоподвода к рамке.

Для увеличения чувствительности неподвижную полесоздающую катушку 1 размещают на магнитопроводе 3 (рис. 4). Подвижная катушка (рамка) 2 закреплена на оси, с которой соединены камерный воздушный успокоитель 4, корректор нуля 5 и спиральные пружины 6. Эта разновидность электродинамической системы называется ферродинамической. Обмотка неподвижной катушки называется токовой обмоткой. Она имеет мало витков и включается в цепь последовательно. Обмотка подвижной катушки имеет много витков, включается в цепь параллельно и называется обмоткой напряжения.

Измерительный механизм электростатической системы (рис. 5) состоит из двух или нескольких неподвижных пластин 1 и одной или нескольких подвижных 2, связанных с осью стрелки. Измеряемое напряжение подводится одним полюсом к неподвижным пластинам, другим – к подвижным, которые втягиваются при этом внутрь неподвижных. Шкала прибора сжата вначале и почти равномерна в остальной части. Применяется прибор для измерения высоких напряжений в цепях постоянного и переменного тока.

Принцип действия приборов индукционной системы (рис. 6) – взаимодействие магнитных полей токов, протекающих по двум обмоткам, с магнитным полем тока, индуктируемого в алюминиевом диске, находящемся между этими обмотками. На рис. 6 обозначено: 1 – токовая об мотка, 2 – обмотка напряжения, 3 – подвижный алюминиевый диск, 4 – постоянный магнит (успокоитель). Следует отметить, что кроме воздушного успокоителя, рассмотренного выше, существуют и магнитоиндукционные успокоители, один из вариантов которого показан на рис. 6. В таком успокоителе в алюминиевом диске (лепестке), который движется в поле постоянного магнита, возникает индукционный ток, магнитное поле которого по правилу Ленца, тормозит диск (лепесток).

В биметаллическом измерительном механизме (рис. 7) через токоподводящую медную полоску 1 (упругостью которой можно пренебречь) подается ток, который, протекая через биметаллическую спираль 2, нагревает ее и вызывает деформацию. При этом начинает действовать соответствующий крутящий момент относительно оси измерительного механизма. В приборе имеется, отделенная теплозащитной шайбой 3, вторая биметаллическая спираль 4, с противоположным направлением закручивания. Вторая биметаллическая спираль действию тока не подвергается, а служит для коррекции крутящего момента при колебаниях температуры окружающей среды. Установка нуля осуществляется простым поворотом оси измерительного механизма.

В тепловом механизме (рис. 8) нагреваемая измеряемым током нить 1 удлиняется. Ее удлинение через плоскую пружину 2 и обесточенный проволочный мостик 3 передается при помощи растяжки 4 на ось указательной стрелки, вызывая ее отклонение. Коррекция нуля 5 вводится путем натяжения или ослабления проволочного мостика 3. Магнитоиндукционный успокоитель 6 гасит колебания стрелки.

Измерительный прибор термоэлектрической системы (рис. 9) представляет собой магнитоэлектрический прибор 1 с термопарой 2 (железо – константан). Переменный или постоянный ток нагревает металлическую нить 3, с которой соединена термопара. Шкала прибора неравномерная, близкая к квадратичной, т.к. по закону Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяемое током на данном сопротивлении в единицу времени, определяется квадратом силы тока. Точность таких приборов невысокая (2,5 – 5 %).

Вибрационный измерительный механизм (резонансный частотомер) (рис. 10) имеет электромагнит 1 и металлическую пластину 2, прикрепленную к "гребенке" из гибких металлических язычков 3. За счет разной массы или длины язычки имеют разные собственные резонансные частоты. Электромагнит 1 включается в измеряемую цепь параллельно. Когда по обмотке течет переменный ток, наиболее сильно колеблется лишь та пластина, собственная частота которой совпадает с частотой переменного тока.

Измерительные приборы выпрямительной системы (рис. 11) представляют собой сочетание прибора магнитоэлектрической системы с однополупериодным или мостовым выпрямителем. Эти приборы предназначены для измерения переменного напряжения или тока. Начальный участок шкалы прибора сжат (до 10 %). Это определяется характеристикой выпрямителя. В рабочей части шкала почти равномерна. Класс точности – не выше 1,5. На рис. 11 показан резистор R. Его сопротивление выбирают равным внутреннему сопротивлению магнитоэлектрического прибора для того, чтобы сопротивление выпрямительной схемы было одинаковым для обоих направлений переменного тока.

Фотоэлектрический способ измерения тока положен в основу фотоамперметра. Измеряемый ток протекает по нити лампы накаливания и нагревает ее до состояния свечения. Световой поток улавливается фотоэлементом, в цепь которого включен микроамперметр.

Для измерения малых токов и напряжений применяют гальванометры. Они применяются, прежде всего, в нулевых ветвях компенсаторов и измерительных мостов для индикации равновесия схемы (отсутствия тока) и имеют при этом в большинстве случаев шкалу без численных значений. Гальванометр – специальная форма измерительного механизма магнитоэлектрической системы. Высокая чувствительность обеспечивается ленточной (торсионной) подвеской миниатюрной подвижной катушки с как можно большим числом витков из тончайшей проволоки, пропитанных для прочности лаком, т.е. катушки без несущей рамки. Большинство систем гальванометров имеют маленькое зеркальце, соединенное с катушкой, оптическую схему и световой указатель.

Принцип действия омметра основан на измерении тока, протекающего через резистор или участок цепи, сопротивление которого надо измерить (рис. 12). Если замкнуть накоротко зажимы "R_X", то по цепи потечет ток

,

где R_ПР – внутреннее сопротивление прибора, R_Д – сопротивление добавочного резистора.

Сопротивление R_Д выбирают так, чтобы ток в цепи был равен току полного отклонения измерительного прибора (это нуль шкалы омметра). Если к зажимам "R_Х" подключить неизвестный резистор, то ток в цепи измерительного прибора уменьшится до величины

.

Если величина R_X будет бесконечно большой (обрыв цепи), то тока не будет, и стрелка прибора установится на крайнее левое деление шкалы. Как видно из приведенных формул шкала омметра получается неравномерной.

Если батарея разряжается, то стрелка прибора уже не будет отклоняться вправо до конца шкалы (до нуля). Чтобы устранить этот недостаток добавочный резистор изготавливают из двух последовательно включенных резисторов – переменного (для "установки нуля") и постоянного.

Ампервольтомметры (авометры, тестеры) – являются универсальными комбинированными измерительными приборами для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, а также сопротивления постоянному току. Отдельные типы этих приборов позволяют также измерять емкость, относительный уровень переменного напряжения в децибелах, отдельные параметры транзисторов (коэффициент усиления по току, обратный ток коллекторного и эмиттерного переходов, начальный ток коллектора). Комбинированные приборы обычно являются многопредельными и в их состав наиболее часто входят выпрямительные схемы, добавочные резисторы и шунты.

Условные обозначения на шкалах приборов приведены в ПРИЛОЖЕНИИ.