Измерительный прибор магнитоэлектрической системы

Ты уже знаешь, что токи измеряют амперметрами, миллиамперметрами или микроамперметрами, напряжения— вольтметрами, а то и милливольтметрами. Несмотря на различия в наименованиях, все эти приборы работают принципиально одинаково: отклонение стрелки показывает, что через прибор течет ток. Чем больше ток, тем больше отклонение стрелки прибора. А шкалу прибора, в зависимости от того, для каких измерений он приспособлен, градуируют соответственно в амперах, миллиамперах, вольтах. Так же работает и омметр прибор для измерения сопротивлений резисторов, цепей.

Существует несколько систем стрелочных приборов: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические. Для радиотехнических же измерений применяют главным образом приборы магнитоэлектрической системы, обладающие по сравнению с приборами других систем рядом преимуществ, в том числе высокой чувствительностью, большой точностью результатов измерений и равномерностью шкал.

Чтобы лучше уяснить принцип работы электроизмерительного прибора такой системы, предлагаю провести опыт с моделью этого прибора. Ее конструкция показана на рис. 106. Из тонкого картона вырежь две полоски шириной 12 15 мм и склей из них рамки: квадратную со сторонами длиной 20 мм и прямоугольную со сторонами 30 и 40 мм. Чтобы углы рамки были прямыми, картон с наружной стороны изгибов надрежь ножом. В квадратную рамку вставь ось швейную иглу длиной 40 мм, проколов ею противоположные стороны рамки. Намотай на эту рамку 150 200 витков провода ПЭВ 1 0,15 0,25, уложив их поровну по обе стороны от оси. Чтобы витки не сползали, готовую катушку скрепи тонким слоем клея БФ 2 или кусочками липкой ленты.

Один конец провода длиной 5 6 см получившейся катушки с предварительно удаленной эмалью намотай на иглу и закрепи в ушке. Другой конец такой же длины пропусти петлей через проколы в каркасе и сверни спиралью. В средней части верхней стороны второй рамки закрепи полоску жести, предварительно сделав в ней небольшое углубление для тупого конца иглы; она же будет служить и выводным контактом катушки.

Спиралевидный конец провода катушки припаяй к жестяной скобке, обжимающей край картона нижней стороны рамки. Изгибая витки спирали, установи катушку так, чтобы ее плоскость была параллельна плоскости внешней рамки. Легко вращаясь на оси в обе стороны, катушка под действием пружинящей спирали должна возвращаться в исходное положение.

Помести катушку между полюсами подковообразного магнита и подключи к ней через лампу карманного фонаря батарею 3336Л. Образуется электрическая цепь. Лампа загорится, а магнитное поле тока в катушке, взаимодействуя с полем магнита, заставит повернуться ее на некоторый угол. Чем меньше ток в катушке, тем меньше угол поворота катушки. В этом нетрудно убедиться, включая последовательно в цепь катушки отрезки проволоки сопротивлением в несколько ом. Измени включение полюсов батареи на обратное или переверни магнит. Теперь катушка будет поворачиваться в противоположном направлении.

К рамке катушки можно приклеить легкую стрелку, а к магниту полоску плотной бумаги с делениями. Получится простейший прибор, которым можно грубо измерять постоянный ток. А если в измерительную цепь включить диод, он будет реагировать и на переменный ток.

Устройство стрелочного прибора магнитоэлектрической системы приборов типа М24 и М49 показано на рис. 107. Измерительный механизм прибора состоит из неподвижной магнитной системы и подвижной части, связанной с отсчетным приспособлением. В магнитную систему входят постоянный магнит 2 с полюсными наконечниками 3 и цилиндрический сердечник 10. Полюсные наконечники и сердечник изготовлены из магнито мягкого материала (мягкими называют сплавы железа, обладающие малым магнитным сопротивлением, но сами не намагничивающиеся). Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником везде одинаков, благодаря чему в зазоре устанавливается равномерное магнитное поле, что является обязательным условием для равномерности шкалы.

Подвижная часть механизма прибора состоит из рамки 11, двух кернов полуосей 5 рамки, двух плоских спиральных пружин 8 и стрелки 1 отсчетного приспособления с противовесами 9. Рамка представляет собой катушку, намотанную изолированным медным или алюминиевым проводом на прямоугольном каркасе из тонкой бумаги или фольги (рамки приборов особо высокой чувствительности бескаркасные). Керны служат осью вращения рамки. Для уменьшения трения концы подпятников 4, на которые опираются керны, выполняют из полудрагоценных камней. Керны прикреплены к рамке с помощью буксов.

Спиральные пружины, изготовляемые обычно из ленты фосфористой бронзы, создают противодействующий момент, который стремится возвратить рамку в исходное положение при ее отклонении. Они, кроме того, используются и как токоотводы. Наружный конец одной из пружин скреплен с корректором. Корректор, состоящий из эксцентрика 6, укрепленного на корпусе прибора, и рычага 7, соединенного с пружиной, служит для установки стрелки прибора на нулевое деление шкалы. При повороте эксцентрика поворачивается и рычаг, вызывая дополнительное закручивание пружины. Подвижная часть механизма при этом поворачивается, и стрелка отклоняется на соответствующий угол.

Электроизмерительный прибор этой системы, как и его модель, которую, надеюсь, ты испытал, работает следующим образом. Когда через рамку течет ток, вокруг нее образуется магнитное поле. Это поле взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего рамка вместе со стрелкой поворачивается, отклоняясь от первоначального положения. Отклонение стрелки от нулевой отметки будет тем большем, чем больше ток в катушке. При повороте рамки спиральные пружины закручиваются. Как только прекращается ток в рамке, пружины возвращают ее, а вместе с нею и стрелку прибора в нулевое положение.

Таким образом, прибор магнитоэлектрической системы является не чем иным, как преобразователем постоянного тока в механическое усилие, поворачивающее рамку. О значении этого тока судят по углу, на который под его воздействием смогла повернуться рамка.

(микроамперметр) и возле конечной отметки шкалы стоит число 100, значит, ток полного отклонения стрелки равен 100 мкА (0,1 мА). Такой прибор можно включать только в ту цепь, ток в которой не превышает 100 мкА. Больший ток может повредить прибор. Значение второго параметра R_и, необходимого при расчете конструируемых измерительных приборов, часто указывают на шкале. Для комбинированного измерительного прибора, о котором я буду рассказывать в этой беседе, потребуется микроамперметр на ток 100 мкА, желательно с большой шкалой, например такой, как М24. Чем меньше ток, на который рассчитан прибор, и больше шкала, тем точнее будет конструируемый на его базе измерительный прибор.

Как узнать систему данного прибора, не разбирая его? Для этого достаточно взглянуть на условный знак на шкале. Если он изображает подковообразный магнит с прямоугольником между его полюсами, значит, прибор магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой. Рядом с ним еще знак, указывающий положение прибора, в котором он должен находиться при измерениях. Если не придерживаться этого указания, то прибор будет давать неточные показания.

и рассчитан для измерения постоянных токов не более чем до 100 мкА, т. е. до 0,1 мА. Сопротивление его рамки, судя по надписи на шкале, 720 Ом. Именно такой микроамперметр я и буду рекомендовать для твоего комбинированного измерительного прибора. Если такой микроамперметр использовался ранее как миллиамперметр, то на его шкале может быть надпись mA, как амперметр буква А, как вольтметр буква V.

Еще раз подчеркиваю: независимо от внешнего вида и названия механизмы и принцип работы магнитоэлектрических приборов совершенно одинаковы и отличаются они один от другого в основном только токами, при которых их стрелки отклоняются на всю шкалу.

Если магнитоэлектрический прибор используют для измерения сравнительно больших токов, например в амперметре, параллельно рамке присоединяют резистор, называемый шунтом (рис. 109, а). Сопротивление шунта R_ш подбирают таким, чтобы через него шел основной ток, а через измерительный прибор РА только часть измеряемого тока. Если из такого прибора удалить шунт, то предельный ток, который можно будет им измерять, уменьшится. В том случае, когда магнитоэлектрический прибор используют в вольтметре, последовательно с его катушкой включают добавочный резистор R_Д (рис. 109, б). Этот резистор ограничивает ток, проходящий через прибор, повышая общее сопротивление прибора.

Шунты и добавочные резисторы могут находиться как внутри корпусов приборов (внутренние), так и снаружи (внешние). Чтобы амперметр, миллиамперметр или вольтметр превратить в микроамперметр, иногда достаточно изъять из него шунт или дополнительный резистор. Именно такой, бывший в употреблении прибор магнитоэлектрической системы может оказаться в твоем распоряжении. И если его основные параметры I_и и R_и неизвестны, то измерить их придется самому. Для этого потребуются: гальванический элемент 332 или 343, образцовый (т.е. как бы эталонный) миллиамперметр на ток 1 2 мА, переменный резистор сопротивлением 5 10 кОм и постоянный резистор, сопротивление которого надо рассчитать. Постоянный резистор (назовем его добавочным) нужен для ограничения тока в измерительной цепи, в которую будешь включать неизвестный прибор. Если такого резистора не будет, а ток в измерительной цепи окажется значительно больше тока I_и проверяемого прибора, то его стрелка, резко отклонившись за пределы шкалы, может погнуться. Если ток очень велик, то может даже сгореть обмотка рамки.

Сопротивление добавочного резистора рассчитай, пользуясь законом Ома. Вначале, для страховки, полагай, что I_и проверяемого прибора не превышает 50 мкА. Тогда при напряжении источника питания 1,5 В (один элемент) сопротивление этого резистора должно быть около 30 кОм (R = U/I_и = 1,5 В/0,05 мА = 30 кОм).

Проверяемый измерительный прибор РА_и образцовый миллиамперметр (PA₀) переменный регулировочный резистор R_p и добавочный резистор R_Д соедини последовательно, как показано на рис. ПО. Проверь, нет ли ошибок в по гярности соединения зажимов прибо ров. Движок резистора R_р , поставь в положение наибольшего сопротивления (по схеме в крайнее нижнее) и только после этого включай в цепь элемент G — стрелки обоих приборов должны отклониться на какой то угол. Теперь постепенно уменьшай введенное в цепь сопротивление переменного резистора. При этом стрелки приборов будут все более удаляться от нулевых отметок их шкал. Заменяя добавочный резистор R_Д резисторами меньшего номинала и изменяя сопротивление переменного резистора, добейся в цепи такого тока, при котором стрелка проверяемого прибора установится точно против конечной отметки шкалы. Значение этого тока, отсчитанное .по шкале, образцового миллиамперметра, и будет параметром R_и, т.е. током полного отклонения стрелки неизвестного прибора. Запомни его значение.

Теперь измерь сопротивление рамки. Сначала, как и при измерении параметра R_и переменным резистором R_р установи стрелку проверяемого прибора на конечную отметку шкалы и запиши показание образцового миллиамперметра. После этого подключи параллельно проверяемому прибору переменный резистор сопротивления 1,5 3 кОм (на рис. 110 он показан штриховыми линиями и обозначен R_ш ). Подбери такое его сопротивление, чтобы ток через проверяемый прибор PA_п уменьшился вдвое. При этом общее сопротивление цепи уменьшится, а ток в ней увеличится. Резистором R_р установи в цепи (по миллиамперметру) начальный ток и точнее подбери сопротивление резистора R_ш добиваясь установки стрелки микроамперметра точно против отметки половины шкалы. Параметр R_и твоего микроамперметра будет равен сопротивлению введенной части резистора R_ш

Измерить это сопротивление можно омметром.

Теперь поговорим о том, как магнитоэлектрический прибор приспособить для измерения разных значений токов, напряжений, сопротивлений.