Тепловые измерительные приборы

Принцип действия тепловых приборов основан на удлинении металлической нити при нагревании её током, которое затем преобразуется во вращательное движение подвижной части прибора.

На фиг. 332 показано устройство теплового прибора. Между точками А₁ и А₂ натянута металлическая нить 1 длиной 100 — 160 мм, диаметром 0,03—0,05 мм, изготовленная из сплава платины с иридием (или с серебром). В точке Б платиноиридиевую нить оттягивает другая металлическая нить 2 (мостик), закреплённая другим своим концом неподвижно в точке В. Мостик в точке Г оттягивается тонкой шёлковой нитью 3, которая, обвивая ролик 4, другим концом крепится к плоской, стальной пружине 5.

Ток, проходя по платиноиридиевой нити, нагревает её (в некоторых конструкциях до 300°). В результате линейного удлинения нити 1 смещаются металлическая нить 2, шёлковая нить 3 и пружина 5.

На фиг. 332 пунктиром показано положение отдельных частей прибора после удлинения платиноиридиевой нити. Количество тепла, выделяемое током, пропорционально квадрату тока и сопротивлению нити (I²r). Не принимая во внимание некоторое изменение сопротивления нити при нагревании, можно предположить, что нагрев нити пропорционален квадрату тока. Следовательно, шкала теплового прибора неравномерна.

Тепловой прибор может работать в цепях постоянного и переменного тока, причём в последнем случае прибор будет показывать действующее значение измеряемой величины. Поскольку в работе прибора не участвуют магнитные поля, на его показания не влияют внешние магнитные поля. Отсутствие железа и ничтожная индуктивность короткой нити обеспечивают независимость показаний теплового прибора от изменений частоты тока в широких пределах.

Этим обстоятельством объясняется широкое применение приборов этого типа в цепях с повышенной и высокой частотой.

Успокоение прибора чаще всего бывает электромагнитное. Для этой цели на оси прибора находится алюминиевая пластинка 7, расположенная между полюсами сильного подковообразного магнита 8. При поворачивании оси пластинка 7 пересекает магнитное поле и в ней индуктируются вихревые токи, которые, взаимодействуя с полем магнита, быстро успокаивают подвижную часть прибора.

 

Но одновременно с положительными качествами тепловые приборы обладают целым рядом недостатков. Наиболее существенным из них является зависимость показаний прибора от внешней температуры. Для уменьшения такого влияния плита 9, на которой крепятся все части прибора, изготовляется из двух различных металлов, имеющих тот же коэффициент теплового расширения, что и платиноиридиевая нить, благодаря чему при действии внешней температуры плита и нить расширяются одинаково и натяжение нити остаётся без изменений. Имеются и другие способы компенсации влияния внешней температуры. Тепловые приборы боятся перегрузки, так как в этом случае нить перегорает или получает остаточную деформацию, после чего шкалу прибора приходится градуировать заново.

ОММЕТРЫ

Приборы, предназначенные для непосредственного измерения сопротивлений, получили название омметров. Поясним принцип действия омметра.

Электрическая схема простейшего омметра изображена на рисунке 2-26. В цепь магнитоэлектрического прибора (измерителя) включены резистор переменного сопротивления R и источник постоянного тока 8 (например, один элемент от батареи карманного фонаря). Так как малому сопротивлению соответствует большой ток (и наоборот), то для нахождения положения нулевого деления на шкале накоротко замыкают зажимы 33 и перемещением движка резистора R добиваются наибольшего отклонения стрелки. Это положение стрелки соответствует нулевому делению шкалы. Затем поочередно к зажимам 33 подключают известные сопротивления, отмечая всякий раз их значения против положения стрелки. Так изготовляется шкала, на которой фактически против определенных значений тока наносят соответствующие этим токам при данном напряжении сопротивления. Отсчет ведется по такой шкале справа налево, а так как по закону Ома между током и сопротивлением существует обратная пропорциональная зависимость, то шкала такого прибора (омметра) неравномерная. Она сильно сжата у конца, соответствующего большим значениям сопротивлений.

В выпускаемых промышленностью омметрах резистор переменного сопротивления, а иногда и источник тока вмонтированы внутри приборов. Перед измерениями зажимы для подключения

Рис. 2-26

измеряемых сопротивлений закорачивают и перемещением движка резистора переменного сопротивления стрелка омметра устанавливается на нуль. Это необходимо делать всякий раз, так как ЭДС источника уменьшается по мере эксплуатации прибора.

В некоторых омметрах установка стрелки на нуль осуществляется с помощью магнитного шунта МШ (рис. 2-27).

Здесь при использовании новой батареи (когда ЭДС её максимальна) значительная часть магнитного потока замыкается через стальную пластинку — через магнитный шунт МШ, минуя воздушный зазор, в котором находится рамка. По мере уменьшения ЭДС батареи магнитный шунт смещают в сторону так, что магнитный поток, замыкающийся через воздушный зазор, возрастает. Так поддерживают значение вращающего момента, действующего на рамку и обеспечивающего отклонение стрелки на всю шкалу при коротком замыкании зажимов омметра После того как стрелка омметра установлена на нуль, прибор подключают к тому участку (или к концам той детали), сопротивление которого хотят измерить.

Кратко рассмотрим простейшие омметры М-57 и М-471.

В омметре-пробнике М-57 (рис. 2-28) источник тока (батарею КБС) вставляют внутрь прибора. Установку нуля осуществляют

Рис. 2-27

Рис. 2-28

Рис. 2-29

магнитным шунтом (ручка регулятора выведена на заднюю стенку).

Рис. 2-30

В омметре М-471 (рис. 2-29) источник тока подключают к зажимам Б и при нажатой кнопке К (цепь измеритель-источник тока замкнута) установку стрелки на нуль осуществляют вращением ручки МШ — регулятора магнитного шунта. Резистор измеряемого сопротивления подключают к зажимам 1—2 или 1—3.

Для измерения изоляции обмоток приборов, машин, кабелей и очень больших сопротивлений применяют мегомметры (меггеры), с помощью которых можно измерять сопротивления до 100 МОм. Принципиально это такие же омметры, но вместо батареи они снабжены маленькими генераторами постоянного тока с ручным приводом, дающими напряжение до 500 В (рис. 2-30).

ЛОГОМЕТРЫ

Логометры — электроизмерительные приборы, у которых положение подвижной системы определяется отношением токов, протекающих по двум отдельным обмоткам.

Логометры могут быть разных систем. Наибольшее распространение получили логометры магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной систем.

В отличие от обычных приборов, у логометров нет устройства для создания противодействующего момента. При отключённом приборе положение его подвижной системы безразлично, а при включенном приборе на подвижную систему действуют два противоположно направленных вращающих момента. Подвижная система поворачивается в сторону большого момента до тех пор, пока оба момента не сравняются.

В магнитоэлектрическом логометре (рис. 2-31) неподвижная часть состоит из постоянного магнита со стальными полюсными наконечниками и цилиндра из мягкой стали. Вокруг цилиндра могут поворачиваться две жестко связанные между собой рамки, укрепленные на оси со стрелкой. Токи в рамках создают два противоположно направленных вращающих момента.

Магнитное поле в воздушном зазоре специально делают неоднородным (нерадиальным). Это можно достигнуть, если

Рис. 2-31

цилиндру или полюсным наконечникам придать специальную форму. В этом случае вращающие моменты оказываются зависимыми от положения подвижной системы. При повороте подвижной системы в сторону большого момента момент одной рамки возрастает, в то время как момент другой рамки уменьшается. Поэтому поворот происходит до тех пор, пока моменты не окажутся равными при данном соотношении токов в рамках. Причем при одновременном и одинаковом изменении токов в рамках точно так же изменяются и вращающие моменты, оставаясь по-прежнему равными. Следовательно, положение подвижной системы логометра не зависит от абсолютных значений токов в рамках, а определяется отношением токов в них.

Магнитоэлектрические логометры часто используют как омметры и мегомметры для непосредственного измерения сопротивлений.

В логометрах электродинамической и ферродинамической систем происходит взаимодействие токов в рамках с полем неподвижной катушки. Если логометры работают в цепях переменного тока, то положение подвижной системы определяется не только отношением токов в подвижных катушках, но и отношением сдвигов фаз между этими токами и током неподвижной катушки. Это позволяет использовать логометры электродинамической и ферродинамической систем в качестве фазометров, частотометров и т. д.

Логометры получили широкое практическое применение как щитовые, переносные и регистрирующие приборы.