Измерение постоянных токов

Измерение постоянных токов

R?gas Tehnisk? Universit?te

DMZC

Vladimirs Bernatovi?s

Kursa darbs

(Elektriskie m?r?jumi)

L?dzstr?vas m?r??ana ar ?unta pal?dz?bu

2002

Saturs.

1. Ievads

3

2. Teoretisk? da?a

4

3. Apr??inu da?a

13

4. Secin?jums

16

5. Literat?ra

17

6. Pielik?ms

18

Ievads.

Dota uzdevuva man j?izm?ra l?dzstr?vu ar ?unta palidz?bu. ?unts pla?i

izmantas, lai papla?in?t m?r?mo str?vas interv?lu. V?l man j?izdara

statistisko apstr?di un un apr??in?t k?udas.

Измерение постоянных токов

Общие замечания. Измерение постоянных токов в подавляющем большинстве

случаев производится посредством магнитоэлектрических амперметров и

вольтметров. Для этой цели применяют также электромагнитные,

электродинамические, ферро-динамические и электростатические приборы, а

также потенциометры постоянного тока и цифровые приборы.

Магнитоэлектрические амперметры. Измерительные механизмы

магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не

различаются. 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 шунта. В

вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается

добавочный резистор, и прибор подключается к тем точкам схемы, между

которыми необходимо измерить напряжение.

Амперметр без шунта применяется в том случае, если весь измеряемый ток

можно пропустить через токоподводящие пружинки (или растяжки) и обмотку

рамки измерительного механизма. Обычно значение этого тока 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 удельный противодействующий момент пружинок

(или растяжек) уменьшается примерно на 0,2— 0,4% на каждые 10 К повышения

температуры. Магнитный поток постоянного магнита падает приблизительно на

0,2% на каждые 10 К повышения температуры.

Так как ослабление пружинок и уменьшение магнитного потока вызывают

одинаковые изменения противодействующего и вращающего моментов по значению,

но с разными знаками, то эти два явления практически взаимно компенсируют

друг друга. .. и

2. Изменяется- электрическое сопротивление обмотки рамки и пружинок. Это

является основным источником температурной погрешности магнитоэлектрических

приборов.

В большинстве случаев температурная погрешность вольтметров является

незначительной. Это объясняется тем, что температурный коэффициент

сопротивления (ТКС) цепи вольтметра определяется не только ТКС «медной»

части обмотки измерительного механизма, но и добавочного резистора,

выполняемого из материала с очень малым ТКС.

Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является

амперметр с шунтом. При повышении температуры и неизменных значениях

измеряемого тока и сопротивления шунта .Rш (шунт, как указывалось выше,

выполняется из манганина) ток /, протекающий через измерительный механизм,

уменьшается и появляется отрицательная погрешность.

Для компенсации температурной погрешности часто применяются специальные

схемы. Наиболее широко используемые схемы для температурной компенсации

представлены на рис. 3.23 и 3.24. Простейшим способом уменьшения

температурной погрешности является включение последовательно с обмоткой

рамки добавочного резистора Ra из манганина (рис. 3.23). Недостаток этой

схемы заключается в том, что на рамку попадает только часть напряжения,

снимаемого с шунта. Для прибора класса точности 0,2 напряжение, попадаемое

на рамку, составляет всего 5%. Обычно этот способ применяется только для

приборов класса точности не выше 1,0.

[pic]

Рис. 3.23. Схемы для температурной

компенсации амперметров с

добавочным резистором Рис. 3.24.

Последовательно-параллельная

схема для температурной

компенсации

[pic]

Последовательно-параллельная схема (рис. 3.24) широко используется в

прибсрах высоких классов точности (0,5; 0,2; 0,1). В такой схеме

последовательно с уедной рамкой включается резистор из манганина R3. Эта

цепь шунтируется резистором R1 из материала с большим температурным

коэффициентом (меди или никеля) и через последовательно включенный

манганиновый резистор R2 подключается к шунту Rm. При повышении температуры

возрастают сопротивления рамки и R1. Однако, поскольку последовательно с

рамкой включен резистор R3, имеющий практически нулевой температурный

коэффициент, то по сравнению с цепью рамки увеличение сопротивления в цепи

R1 будет больше. Поэтому изменится распределение токов /2 и It таким

образом, что в обмотку рамки будет ответвляться несколько большая часть

общего тока, чем раньше. Так как сопротивление между точками a и с

увеличивается, а ток !х не изменяется, напряжение Uac между этими точками

несколько увеличится. Выбором сопротивлений можно добиться того, чтобы при

изменении температуры ток в обмотке рамки менялся в пределах, определяемых

допускаемым значением температурной погрешности.

При создании приборов для измерения очень малых напряжений (например, э.

Д. с. термопар) желательно, чтобы всё 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 сопрот тивление шунта возрастает, что

приводит к увеличению индукции в воздушном зазоре и к малой зависимости

показаний от температуры.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры выпускают переносными и

щитовыми. Переносные приборы в большинстве случаев делают высокоточными

(классов 0,1—0,5), многопредельными (до нескольких десятков пределов) и

часто комбинированными (например, вольтамперметрами). В качестве

многопредельного комбинированного прибора можно указать, например,

милливольт-.миллиамперметр типа М1109 класса точности 0,2. Прибор имеет 15

пределов измерений: 8 — по напряжению (от 15 мВ до 3 В) и 7 — по току (от

0,15 до 60 мА). Щитовые приборы выпускают обычно однопредельными, чаще

всего классов точности 1,0 и 1,5.

Магнитоэлектрические гальванометры. Гальванометром называется

электроизмерительный прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую

чувствительность к току или напряжению.

Рис. 3.25. Схематическое

устройство гальванометра

на подвесе

Гальванометры широко используются в качестве нуль-индикаторов, а также

для измерения малых токов, напряжений и количеств электричества, если

известна постоянная гальванометра.

Кроме магнитоэлектрических существуют и некоторые другие виды

гальванометров, например электростатические, называемые электрометрами.

Однако их применение весьма ограничено.

Основное требование, предъявляемое к гальванометрам, — высокая

чувствительность, которая достигается, главным образом, путем уменьшения

противодействующего момента и использования светового указателя с большой

длиной луча.

По конструктивному оформлению различают: а) гальванометры переносные

(со встроенной шкалой), в которых используются как стрелочные, так

и световые указатели; б) гальванометры зеркальные, с отдельной шкалой,

требующие стационарной установки по уровню.

В переносных гальванометрах подвижная часть устанавливается на

растяжках, а в зеркальных — на подвесе (рис. 3.25). В последнем случае

токоподвод к обмотке рамки 1 осуществляется посредством подвеса 2 и

безмоментной нити 4. Для измерения угла поворота рамки служит зеркальце 3,

на которое фокусируется луч света от специального осветителя.

Постоянная зеркального гальванометра данной конструкции зависит от

расстояния между зеркальцем и шкалой. Ее условились выражать для

расстояния, равного 1 м, например: С1 = 1,2*10-6 А*м/мм. Для

переносных гальванометров в паспорте указывают цену деления шкалы,

например: 1 деление = 0,5*10-6 А.

Наиболее чувствительные современные зеркальные гальванометры имеют

постоянную до 10-11 А*м/мм; у переносных гальванометров постоянная

составляет примерно 10-8 — 10-9 А/дел.

Стандарт на гальванометры (ГОСТ 7324 — 68) допускает отклонение

постоянной (или цены деления) от указанной в паспорте на ±10%.

Важной характеристикой гальванометра является постоянство, нулевого

положения указателя, под которым понимают невозвращение указателя к нулевой

отметке при плавном его движении от крайней отметки шкалы. По этому

параметру гальванометры делят на разряды постоянства. Условное обозначение

разряда постоянства нулевого положения указателя гальванометра, состоящее

из цифрового обозначения разряда постоянства, заключенного в ромб, наносят

на шкалу гальванометра при маркировке.

Многие гальванометры снабжают магнитным шунтом. Регулируя положение шунта

посредством выведенной наружу ручки, можно менять значение магнитной

индукции в рабочем зазоре. При этом изменяется постоянная, а также ряд

других параметров гальванометра. По требованию стандарта, магнитный шунт

должен изменять постоянную по току не менее чем в 3 раза. В паспорте

гальванометра и в его маркировке указывают значения постоянной при двух

крайних положениях шунта — полностью введенном и полностью выведенном.

Гальванометр должен иметь корректор, перемещающий при круговом вращении

указатель в ту или другую сторону от нулевой отметки. Гальванометры с

подвижной частью на подвесе должны быть снабжены арретиром (приспособлением

для механической фиксации подвижной части), который включают, например, при

переноске прибора.

Гальванометры ввиду высокой чувствительности необходимо защищать от

помех. Так, от механических сотрясений гальванометры защищают, устанавливая

их на капитальные стены или специальные фундаменты; от токов утечек —

электростатическим экранированием и т. п.

Характер движения подвижной части гальванометра при изменении измеряемой

величины зависит от его успокоения, которое определяется сопротивлением

внешней цепи. Для удобства работы с гальванометром это сопротивление

подбирают близким к так называемому внешнему критическому сопротивлению Rк,

указанному в паспорте гальванометра. Если гальванометр замкнут на внешнее

критическое сопротивление, то указатель плавно и за минимальное время

подходит к положению равновесия, не переходит его и не совершает около него

колебаний (см. § 3.10).

Баллистический гальванометр позволяет измерять малые количества

электричества (импульс тока), протекающие в течение коротких промежутков

времени — долей секунды. Таким образом, баллистический гальванометр

предназначен для импульсных измерений. Теория баллистического гальванометра

(см. § 3.10) показывает, что если принять допущение о том, что подвижная

часть начинает свое движение после окончания импульса тока в обмотке

подвижной рамки, то количество электричества Q, протекшее в цепи,

пропорционально первому максимальному отклонению указателя alm, т. е.

Q = C6a1m, (3.36)

где Сб — баллистическая постоянная гальванометра, выражаемая в кулонах на

деление.

Следует отметить, что Сб не остается неизменной для данного

гальванометра, а зависит от сопротивления внешней цепи, что требует обычно

ее определения в процессе измерений опытным путем.

Указанное выше допущение выполняется тем точнее, чем больше момент

инерции подвижной части гальванометра и, следовательно, больше период

свободных колебаний Т0. Для баллистических гальванометров Т0 составляет

десятки секунд (для обычных гальвано-,метров — единицы секунд). Это

достигается увеличением момента {инерции подвижной части гальванометра с

помощью дополнитель-|ной детали в виде диска.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы. В магнитоэлектрических

измерительных механизмах вращающий момент создается в результате

взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля

'проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки — рамки.

Обратимся к рассмотрению принципа действия магнитоэлектрических

измерительных механизмов.

На рис. 3.1 показана подвижная рамка измерительного механизма,

находящаяся в равномерном радиальном магнитном поле. При протекании по

обмотке рамки тока возникают силы F, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы

ее плоскость стала перпендикулярной к направлению Ох — 02. При равенстве

вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавливается.

Для получения зависимости между углом отклонения и током в рамке

обратимся к уравнению (3.1), которое применительно к нашему случаю

представляется так:

[pic]

(3.5) где Ф — поток, сцепляющийся

с обмоткой рамки; I — ток в обмотке рамки.

Величина Ф может быть подсчитана как произведение индукции В в воздушном

зазоре, числа витков w обмотки рамки и суммы площадей двух боковых

поверхностей, описанных активными сторонами подвижной катушки при ее

повороте на угол а я от нейтрального положения (оси О1 — O2).

В соответствии с рис. 3.1 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,

Ф = B2rlwa,

где r— радиус рамки относительно оси вращения; / — длина рамки; а —

угол отклонения рамки от нейтрального положения. Обозначив площадь катушки

через s, можем написать

Ф = Bswa.

Подставляя это выражение в формулу (3.5) и дифференцируя его, получим

[pic]

(3.6)

Так как противодействующий момент создается упругими элементами, то можно

воспользоваться формулой (3.2) и для режима установившегося отклонения

написать

[pic]

откуда

[pic] (3.7)

Как видно из выражения (3.7), 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 соблюдать указанную на приборе полярность.

Из выражения (3.7) и определения понятия чувствительности следует, что

для магнитоэлектрических измерительных механизмов и, следовательно, для

магнитоэлектрических приборов чувствительность

[pic]

(3.8)

Из уравнения (3.8) видно, что чувствительность магнитоэлектрического

прибора не зависит от угла отклонения и постоянна по всей шкале; отсюда