Раздел 3. Аналговые измерительные приборы

Тема 3.1. Измерение тока и напряжения. Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы.

Основной единицей измерения силы тока является ампер (А). Ампер — большая единица измерения силы тока, поэтому при электронных измерениях чаще используются дольные единицы:

- миллиампер (1 мА = 10^-3А);

- микроампер (1 мкА = 10^-6А).

В каталоговой классификации отечественные электронные амперметры обозначаются следующим образом: А1 — образцовые, А2 — постоянного тока, A3 — переменного синусоидального тока, А4 — переменного импульсного тока, А5 — фазочувствительные, А6 — селективные, А7 — универсальные.

В электронике требуется измерять силу тока от единиц микроампер до единиц ампер, в диапазоне частот от нуля до десятков мегагерц. Для измерения силы тока в таких широких диапазонах применяются амперметры, различающиеся по принципу работы.

Устройство приборов магнитоэлектрической системы. Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока.

Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с измеряемым током. Схема устройства такого прибора показана на рис.3.1.

Магнитное поле создается сильным постоянным магнитом (1) подковообразной формы, к ножкам которого прикреплены полюсные наконечники (2), обращенные друг к другу вогнутыми цилиндрическими поверхностями. Между ними неподвижно укреплен железный сердечник из мягкого ферромагнетика (3) в виде цилиндра. В небольшом зазоре между цилиндром и наконечниками может свободно поворачиваться на оси (7) катушка (4). Катушка состоит из алюминиевого каркаса прямоугольной формы с намотанной на нем тонкой проволокой. На той же оси укреплена стрелка (5), конец которой перемещается по шкале.

Рис.3.1 Устройство магнитоэлектрического механизма с неподвижным магнитом

 

Существенной особенностью магнитного поля этой системы является то, что вектор магнитной индукции В всюду в кольцевом зазоре между магнитом и сердечником перпендикулярен поверхности сердечника и одинаков по величине. (Рис.3.2)

Рис.3.2 Примерный вид линий магнитного поля в зазоре между полюсными наконечниками магнита и сердечником.

 

Благодаря этому, момент сил, действующих на рамку со стороны магнитного поля при пропускании через нее измеряемого тока, не зависит от положения рамки в зазоре и равен:

М₁ = I×S×N×B (3.1)

,где I - сила тока в рамке, S - площадь витка, N - число витков, B - магнитная индукция.

При повороте рамки под действием магнитного поля на нее действует в обратную сторону момент сил упругости М₂ со стороны двух спиральных пружин (6). Момент упругих сил прямо пропорционален углу поворота рамки a:

М₂ = γa (3.2)

При некотором значении угла a моменты М₁ и М₂ сравняются. Это и будет положение равновесия рамки с током. При этом между значением угла a и силой тока I существует соотношение:

a = I S N B / γ (3.3)

,из которого следует, что угол отклонения рамки a прямо пропорционален силе тока I, а следовательно, шкала измерительного прибора магнитоэлектрической системы является линейной.

Чтобы устранить влияние силы тяжести на стрелку при повороте, к стрелке прикрепляют противовесы, так что общий центр тяжести находится на оси, вокруг которой поворачивается стрелка. Кроме того, в конструкциях приборов данной системы предусмотрено устройство, обеспечивающее плавный подход рамки к положению равновесия.

При протекании через прибор тока I напряжение на клеммах прибора будет, очевидно, равно:

U = I r (3.4)

,где r - внутреннее сопротивление прибора, так что прибор может использоваться в качестве вольтметра при соответствующей градуировке шкалы.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются:

- высокая чувствительность и точность показаний;

- равномерность шкалы;

- нечувствительность к внешним магнитным полям;

- малое потребление энергии.

К недостаткам данной системы относятся возможность измерений только в цепях постоянного тока и чувствительность к перегрузкам (прибор легко перегорает).

 

Из-за высокой чувствительности пределы измерения приборов магнитоэлектрической системы, как правило, невелики. Для того чтобы их можно было использовать для измерения токов и напряжений, превышающих предельные значения данного прибора, применяют простой прием, при котором прибор фиксирует только часть измеряемой величины.

Если к амперметру, имеющему сопротивление r, подключить параллельно резистор (он называется шунт) с сопротивлением R_ш, и включить прибор в цепь с током I_о, то через амперметр пойдет ток I_A, составляющий только часть от общего тока:

I_A = I_оR_ш / (R_ш + r), (3.5)

Рис. 3.3 Подключение шунта к амперметру

 

Тогда амперметр может быть использован и в тех случаях, когда измеряемые токи превышают предельное значение для данного прибора.

Если мы хотим увеличить предел измерения амперметра до значения I₂, следует подобрать величину шунтирующего сопротивления так, чтобы часть тока, идущего через амперметр, не превышала его предельного значения I₁:

R_ш = r/(n - 1) (3.6)

,где n = I₂ / I₁. (3.7)

При этом наряду с изменившимся пределом измерения, прибор будет иметь измененные цену деления и чувствительность.

Пусть теперь необходимо измерить напряжение в цепи между точками А и В, причем заранее известно, что величина U_АВ больше предельного значения напряжения, измеряемого вольтметром. Если включить последовательно с вольтметром, имеющим сопротивление r, добавочное сопротивление R_доб, то падение напряжения на приборе U_v будет составлять только часть от общего напряжения:

U_v = U_АВ r / (r + R_доб). (3.8)

Рис.3.4 Подключение добавочного сопротивления к вольтметру

 

Тогда вольтметр может быть использован и в тех случаях, когда измеряемые напряжения превышают предельное значение для данного прибора. Для увеличения предела измерения вольтметра до значения U₂ необходимо подобрать добавочное сопротивление так, чтобы на вольтметр приходилась только часть напряжения U₂, равная U₁:

R_доб = (n - 1) r_v (3.9)

,где n = U₂ / U₁. (3.10)

После этого необходимо заново пересчитать цену деления.