§ 29. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

Приборы непосредственной оценки подразделяют по: роду измеряемых величин, роду тока, принципу действия, степени точности, степени защищенности от внешних воздействий, габаритным размерам.

►   Устройство этих приборов разнообразно, но ряд деталей и узлов многих из них имеют много общего. Это относится к деталям для установки подвижной части, для создания противодействующего момента, для уравновешивания подвижной части, а также к успокоителям, корректорам.

При воздействии измеряемой величины на подвижную часть измерительного механизма прибора создается вращающий момент.

Кроме вращающего в большинстве измерительных приборов создается противодействующий момент (вследствие кручения растяжек, пружин, подвесок). Этот момент возрастает с увеличением угла поворота подвижной части. Стрелка прибора устанавливается в том положении, которое соответствует равенству двух моментов.

На рис. 129 представлено устройство подвижной части измерительного механизма, где ось 1 установлена в подпятниках 2, а противодействующий момент создается спиральными пружинами 6 и 7 из специальной бронзы. На оси закреплена стрелка 3, которая указывает на шкале 4 значение измеряемой величины. Для уравновешивания подвижной части служит противовес 10, для установки стрелки на нулевую отметку — корректор. Корректор состоит из винта 11, эксцентрично насаженного пальца 9, вилки 8 с поводком 5.

Рис. 129. Установка подвижной части измерительного механизма на опорах

В современных приборах применяют также установку подвижной части с помощью растяжек и подвесов на упругих металлических нитях. В таких конструкциях практически отсутствует трение между подвижными частями. Они более чувствительны и устойчивы к тряске и вибрациям.

Для уменьшения времени колебаний подвижной части приборы снабжаются успокоителями. В воздушных успокоителях (рис. 130, а) используется сопротивление воздуха движению поршня (крыла) 1 в закрытой камере 2; в магнитоиндукционных успокоителях колебания тормозятся за счет взаимодействия вихревых токов с полем постоянных магнитов 3 (рис. 130, б).

Для повышения точности отсчета приборы класса точности 0,5 и выше снабжают ножевидной стрелкой и зеркальной шкалой. Отсчет в этом случае производится при том положении глаза, когда стрелка закрывает свое изображение в зеркале.

В приборах с относительно малым отклонением подвижной части для повышения чувствительности применяют световой указатель. На рис. 131 изображены основные элементы такого прибора: 1 — катушка подвижной части с креплением на подвесе; 2 — зеркальце, закрепленное на подвижной части; 3 — шкала; 4 — источник света. Световой указатель, по сути дела, равноценен очень длинной стрелке.

Рис. 130. Устройство воздушного (а) и магнитного (б) успокоителей

Рис. 131. Устройство зеркального гальванометра со световым указателем

Измерительные механизмы. Основной частью каждого прибора непосредственной оценки является измерительный механизм.

В приборах магнитоэлектрической системы (рис. 132) вращающий момент создается взаимодействием катушки, намотанной на алюминиевую рамку 2, с полем постоянного магнита 1. В зазоре 3, где расположена рамка, между полюсными наконечниками и неподвижным стальным цилиндром 4 создается однородное магнитное поле. Вращающий момент М_вр, действующий на рамку, пропорционален току I, проходящему через катушку:

Противодействующий момент М_пр, создаваемый пружинами 5, пропорционален углу поворота:

В установившемся режиме эти моменты равны и угол поворота стрелки , где с — постоянная прибора (1/c — его чувствительность).

Рис. 132. Измерительный механизм магнитоэлектрической системы

Приборы магнитоэлектрической системы наиболее чувствительные и точные из приборов с непосредственным отсчетом. Их шкала равномерная, потребление мощности мало, точность показаний не зависит от внешних магнитных полей, так как собственное магнитное поле прибора велико. Однако эти приборы можно использовать только в цепях постоянного тока; они достаточно дорогие и чувствительны к перегрузкам.

►   Приборы магнитоэлектрической системы в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный применяют для измерений в цепях переменного тока.

В приборах выпрямительной системы переменный ток преобразуется в пульсирующий с помощью полупроводниковых диодов. Его постоянная составляющая измеряется прибором магнитоэлектрической системы.

В приборах термоэлектрической системы измеряемый переменный ток, проходя по нагревателю, вызывает нагревание рабочих концов термопары. Возникают термоэлектродвижущая сила и ток в рамке магнитоэлектрического прибора. Термопреобразователи имеют очень малые индуктивность и емкость, благодаря чему показания этих приборов практически не зависят от частоты измеряемого тока и позволяют производить измерения на частотах 10—50 МГц.

Рис. 133. Устройство прибора электромагнитной системы

В приборах электромагнитной системы (рис. 133) измеряемый ток, проходя по неподвижной катушке 1, намагничивает стальной сердечник 2, укрепленный на оси 3 подвижной части прибора, и втягивает его в катушку. Поскольку сердечник втягивается в катушку при любом направлении тока, электромагнитный измерительный механизм применяется для измерений в цепях постоянного и переменного тока. На рис. 133 показаны также корректор 4, пружина 5 и успокоитель 6.

Приборы электромагнитной системы имеют относительно большое собственное потребление мощности, но просты по конструкции, дешевы и весьма устойчивы к перегрузкам. Поэтому щитовые электромагнитные амперметры и вольтметры переменного тока широко применяют на практике.

Рис. 134. Устройство прибора электродинамической системы

В приборах электродинамической системы вращающий момент создается взаимодействием токов в неподвижной 2 и подвижной 3 катушках (рис. 134). Угол поворота подвижной части вследствие этого при включении прибора в цепь постоянного тока пропорционален произведению токов, проходящих через катушки.

В цепи переменного тока средний за период вращающий момент и угол поворота подвижной части прибора зависят не только от действующих значений токов, но и от угла сдвига их фаз. На рис. 134 показаны также стрелка 1, поршень воздушного успокоителя 4 и пружина 5.

►   Приборы электродинамической системы используют в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, причем ткала амперметров и вольтметров квадратичная ( ~ I²), а ваттметров — равномерная.

Такие приборы дороги из-за сложности изготовления, но являются одними из наиболее точных (из-за отсутствия ферромагнитных материалов в механизме) и используются в качестве лабораторных.

Принцип действия приборов ферродинамической системы (рис. 135) тот же, что и электродинамических. Магнитный поток, создаваемый током неподвижной катушки 1, замыкается через стальной сердечник 2 и неподвижный стальной цилиндр 4, расположенный внутри подвижной катушки 3. Наличие стали магнитопровода позволяет устранить влияние внешних магнитных полей, создает сильное собственное магнитное поле и, следовательно, большой вращающий момент, что позволяет снизить потребление энергии прибором.

Рис. 135. Схема прибора ферродинамической системы

Ферродинамические приборы изготовляют щитовыми и переносными для работы на переменных токах. Ферродинамический механизм применяется в самопишущих приборах, где требуется большой вращающий момент.

Принцип действия приборов электростатической системы (рис. 136) основан на взаимодействии неподвижных 1 и подвижных 2 металлических, изолированных и противоположно заряженных пластин. Подвижные пластины вместе с указателем поворачиваются на валу 3 под действием электрического поля. Эти приборы применяют для измерения высоких напряжений в специальных лабораториях.

Электростатическим вольтметром измеряют постоянные и переменные напряжения, вольтметр практически не потребляет энергии, что позволяет использовать его в маломощных цепях.

Рис. 136. Устройство прибора электростатической системы

Измерительный механизм индукционной системы используют в счетчиках электроэнергии. Подвижная часть этих приборов вращается, и частота вращения ее должна быть пропорциональна мощности контролируемой нагрузки. Счетчик (рис. 137), по сути дела, является маленьким двигателем переменного тока. В приборе переменные потоки двух неподвижных электромагнитов 1 и 4 пронизывают установленный на оси алюминиевый диск 2, индуцируя в нем токи, взаимодействие которых с потоками электромагнитов создает вращающий момент.

Рис. 137. Устройство прибора индукционной системы.

Обмотка одного электромагнита с большим числом витков и, следовательно, обладающая большой индуктивностью, включается параллельно нагрузке; обмотка другого, с малым числом витков, включается в цепь последовательно с нагрузкой. Таким образом, один магнитный поток пропорционален напряжению U, а другой — току I нагрузки. В результате создается вращающий момент М_вр, пропорциональный мощности переменного тока:

Вращающему моменту в приборе противодействует тормозной, который создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита 3 с током, индуцируемым этим полем во вращающемся диске. Этот момент тем больше, чем больше частота n вращения диска:

При установившейся частоте вращения М_вр= М_торм и

Частота вращения диска n пропорциональна мощности нагрузки и соответственно число оборотов N пропорционально количеству электроэнергии, полученной нагрузкой за время вращения диска:

Вращение диска через червячную передачу и систему зубчатых колес передается счетному механизму, показания которого выражаются в киловатт-часах или гектоватт-часах.

Приборы индукционной системы устойчивы к перегрузкам, имеют большой вращающий момент, малую чувствительность к внешним магнитным полям. Однако они недостаточно чувствительны и их показания зависят от частоты измеряемого тока и температуры окружающей среды.