ВИМІРЮВАЛЬНИЙ ПРИЛАД магнітоелектричної системи
Ти вже знаєш, що струми вимірюють амперметрами, міліамперметр або мікроамперметр, напруги - вольтметром, а то і мілівольтметр. Незважаючи на відмінності в найменуваннях, всі ці прилади працюють принципово однаково: відхилення стрілки показує, що через прилад проходить струм. Чим більше струм, тим більше відхилення стрілки приладу. А шкалу приладу, в залежності від того, для яких вимірів він пристосований, градуируют відповідно в амперах, міліамперах, вольтах. Так само працює і омметр - прилад для вимірювання опорів резисторів, ланцюгів.
Існує кілька систем стрілочних приладів: електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні. Для радіотехнічних же вимірювань застосовують головним чином прилади магнітоелектричної системи, що володіють в порівнянні з приладами інших систем низку переваг, в тому числі високою чутливістю, великою точністю результатів вимірювань і рівномірністю шкал.
Щоб краще усвідомити принцип роботи приладу електровимірювання такої системи, пропоную провести досвід з моделлю цього приладу. Її конструкція показана на рис. 106. З тонкого картону виріж дві смужки шириною 12-15 мм і склей з них рамки: квадратну зі сторонами довжиною 20 мм і прямокутну зі сторонами 30 і 40 мм. Щоб кути рамки були прямими, картон із зовнішнього боку вигинів надріж ножем. В квадратну рамку встав вісь - швейну голку довжиною 40 мм, проколів нею протилежні сторони рамки. Намотай на цю рамку 150-200 витків дроту ПЕВ-1 0,15-0,25, уклавши їх порівну по обидва боки від осі. Щоб витки не сповзали, готову котушку скрепі тонким шаром клею БФ-2 або шматочками липкої стрічки.
Один кінець дроту довжиною 5-6 см вийшла котушки з попередньо віддаленої емаллю намотай на голку і закрепи у вушку. Інший кінець такої ж довжини пропусти петлею через проколи в каркасі і зверни спіраллю. У середній частині верхньої сторони другій рамки закрепи смужку жерсті, попередньо зробивши в ній невелике заглиблення для тупого кінця голки; вона ж слугуватиме й вивідним контактом котушки. Спиралевидний кінець дроту котушки припаяй до жерстяної скобці, обжимаються край картону нижньої сторони рамки.
Мал. 106. Модель приладу магнітоелектричної системи
Згинаючи витки спіралі, встанови котушку так, щоб її площину була паралельна площині зовнішньої рамки. Легко обертаючись на осі в обидві сторони, котушка під дією пружної спіралі повинна повертатися у вихідне положення.
Поклади котушку між полюсами подковообразного магніту і підключи до неї через лампу кишенькового ліхтаря батарею 3336Л. Утворюється електричний ланцюг. Лампа загориться, а магнітне поле струму в котушці, взаємодіючи з полем магніту, змусить повернутися її на деякий кут. Чим менше струм в котушці, тим менше кут повороту котушки. У цьому неважко переконатися, включаючи послідовно в ланцюг котушки відрізки дроту опором в декілька ом. Зміни включення полюсів батареї на зворотне або переверни магніт. Тепер котушка буде повертатися в протилежному напрямку.
До рамки котушки можна приклеїти легку стрілку, а до магніту - смужку щільного паперу з поділами. Вийде найпростіший прилад, яким можна грубо вимірювати постійний струм. А якщо в вимірювальну ланцюг включити діод, він буде реагувати і на змінний струм.
Пристрій стрілочного приладу магнітоелектричної системи - приладів типу М24 і М49 - показано на рис. 107. Вимірювальний механізм приладу складається з нерухомої магнітної системи і рухомої частини, пов'язаної з відліковим пристроєм. У магнітну систему входять постійний магніт 2 з полюсними наконечниками 3 і циліндричний сердечник 10. Полюсні наконечники і сердечник виготовлені з магнітомягкого матеріалу ( «м'якими» називають сплави заліза, що володіють малим магнітним опором, але самі не намагнічується). Повітряний зазор між полюсними наконечниками і сердечником скрізь однаковий, завдяки чому в зазорі встановлюється рівномірний магнітне поле, що є обов'язковою умовою для рівномірності шкали.
Рухома частина механізму приладу складається з рамки 11, двох кернів - піввісь 5 рамки, двох плоских спіральних пружин 8 і стрілки 1 відлікового пристосування з противагами 9. Рамка являє собою котушку, намотану ізольованим мідним або алюмінієвим дротом на прямокутному каркасі з тонкого паперу або фольги ( рамки приладів особливо високої чутливості безкаркасні). Керни служать віссю обертання рамки. Для зменшення тертя кінці підп'ятників 4, на які спираються керни, виконують з напівкоштовних каменів. Керни прикріплені до рамки за допомогою буксов.
Спіральні пружини, виготовлені зазвичай з стрічки фосфористої бронзи, створюють протидіючий момент, який прагне повернути рамку в початкове положення при її відхиленні. Вони, крім того, використовуються і як струмовідводи. Зовнішній кінець однієї з пружин скріплений з коректором. Коректор, що складається з ексцентрика 6, укріпленого на корпусі приладу, і важеля 7, з'єднаного з пружиною, служить для установки стрілки приладу на нульову поділку шкали. При повороті ексцентрика повертається і важіль, викликаючи додаткове закручування пружини. Рухома частина механізму при цьому повертається, і стрілка відхиляється на відповідний кут.
Електровимірювальні прилади цієї системи, як і його модель, яку, сподіваюся, ти відчув, працює наступним чином. Коли через рамку тече струм, навколо неї утворюється магнітне поле.
Мал. 107. Пристрій вимірювального механізму магнітоелектричної системи і зовнішній вигляд приладів М24 і М49
Це поле взаємодіє з полем постійного магніту, в результаті чого рамка разом зі стрілкою повертається, відхиляючись від первинного положення. Відхилення стрілки від нульової позначки буде тим більшому, чим більше струм в котушці. При повороті рамки спіральні пружини закручуються. Як тільки припиняється струм в рамці, пружини повертають її, а разом з нею і стрілку приладу в нульове положення.
Таким чином, прилад магнітоелектричної системи є не чим іншим, як перетворювачем постійного струму в механічне зусилля, повертаюче рамку. Про значення цього струму судять за кутом, на який під його впливом змогла повернутися рамка.
Основних електричних параметрів, за якими можна судити про можливе застосування приладу для тих чи інших вимірів, два: ток повного відхилення стрілки I та, тобто найбільший (граничний) струм, при якому стрілка відхиляється до кінцевої позначки шкали, і опір рамки приладу Rн. Про першому параметрі приладу зазвичай говорить його шкала. Так, наприклад, якщо на шкалі написано мікроамперметр і біля кінцевої позначки шкали варто число 100, значить, струм повного відхилення стрілки дорівнює 100 мкА (0,1 мА). Такий прилад можна включати тільки в ту ланцюг, струм в якій не перевищує 100 мкА, Більший струм може пошкодити прилад. Значення другого параметра Rн, необхідного при розрахунку конструюються вимірювальних приладів, часто вказують на шкалі. Для комбінованого вимірювального приладу, про який я буду розповідати в цій бесіді, потрібно мікроамперметр на струм 100 мкА, бажано з великою шкалою, наприклад такий, як М24. Чим менше струм, на який розрахований прилад, і більше шкала, тим точніше буде конструюються на його базі вимірювальний прилад.
Як дізнатися систему даного приладу, не розбираючи його? Для цього досить поглянути на умовний знак на шкалі. Якщо він зображує підковоподібний магніт з прямокутником між його полюсами, значить, прилад магнітоелектричної системи з рухомою рамкою. Поруч з ним ще знак, який вказує положення приладу, в якому він повинен знаходитися при вимірах. Якщо не дотримуватися цієї вказівки, то прилад буде давати неточні показання.
Ці та деякі інші умовні позначення на шкалах приладів зображені на рис. 108. Так, наприклад, прилад М24, зовнішній вигляд якого показаний на рис. 107 (вгорі) є мікроамперметром (позначення) і розрахований для вимірювання постійних струмів не більше ніж до 100 мкА, т. Е. До 0,1 мА. Опір його рамки, судячи з напису на шкалі, 720 Ом. Саме такий мікроамперметр я і буду рекомендувати для твого комбінованого вимірювального приладу. Якщо такий мікроамперметр використовувався раніше як міліамперметр, то на його шкалі може бути напис mА, як амперметр - буква А, як вольтметр - буква V.
Ще раз підкреслюю: незалежно від зовнішнього вигляду і назви механізми і принцип роботи магнітоелектричних приладів абсолютно однакові і відрізняються вони один від іншого в основному тільки струмами, при яких їх стрілки відхиляються на всю шкалу.
Якщо магнітоелектричний прилад використовують для вимірювання порівняно великих струмів, наприклад в амперметр, паралельно рамці приєднують резистор, званий шунтом (рис. 109, а).
Мал. 108. Умовні позначення на шкалах вимірювальних приладів: а - електромагнітний прилад з рухомою рамкою; б - прилад для вимірювання постійного струму; в - робоче положення приладу горизонтальне; г - робоче положення приладу вертикальне; д - між корпусом і магнітоелектричної системою приладу напруги не повинно перевищувати 2 кВ; е - клас точності приладу, відсотки
Мал. 109. Підключення шунта і додаткового резистора до електровимірювальних приладів РА
Опір шунта Rш підбирають таким, щоб через нього йшов основний струм, а через вимірювальний прилад РА - тільки частина вимірюваного струму. Якщо з такого приладу видалити шунт, то граничний струм, який можна буде їм вимірювати, зменшиться. У тому випадку, коли електромагнітний прилад використовують в вольтметрі, послідовно з його котушкою включають додатковий резистор Rд (рис. 109, б). Цей резистор обмежує струм, що проходить через прилад, підвищуючи загальний опір приладу.
Шунти і додаткові резистори можуть перебувати як усередині корпусів приладів (внутрішні), так і зовні (зовнішні). Щоб амперметр, міліамперметр або вольтметр перетворити в мікроамперметр, іноді досить вилучити з нього шунт або додатковий резистор. Саме такий, що був у вжитку прилад магнітоелектричної системи може виявитися в твоєму розпорядженні. І якщо його основні параметри I та й Rн невідомі, то виміряти їх доведеться самому. Для цього будуть потрібні: гальванічний елемент 332 або ЗЧ3, зразковий (тобто як би еталонний) міліамперметр на струм 1-2 мА, змінний резистор опором 5-10 кому і постійний резистор, опір якого треба розрахувати. Постійний резистор (назвемо його додатковим) потрібен для обмеження струму в вимірювальної ланцюга, в яку будеш включати невідомий прилад. Якщо такого резистора не буде, а струм в вимірювального ланцюга виявиться значно більше струму I та перевіряється приладу, то його стрілка, різко відхилившись за межі шкали, може погнутися. Якщо струм дуже великий, то може навіть згоріти обмотка рамки.
Опір додаткового резистора розрахуй, користуючись законом Ома. Спочатку, для страховки, вважай, що I та перевіряється приладу не перевищує 50 мкА. Тоді при напрузі джерела живлення 1,5 В (один елемент) опір цього резистора повинно бути близько 30 кОм (R = U / I та = 1,5 В / 0,05 мА = 30 кОм).
Перевіряється вимірювальний прилад РАП, зразковий міліамперметр (РАО), змінний регулювальний резистор Rд і додатковий резистор з'єднай послідовно, як показано на рис. 110. Перевір, чи немає помилок в полярності з'єднання затискачів приладів. Движок резистора Rд постав в положення найбільшого опору (за схемою - в крайнє нижнє) і тільки після цього включай в ланцюг елемент G - стрілки обох приладів повинні відхилитися на якийсь кут. Тепер поступово зменшуй введене в ланцюг опір змінного резистора. При цьому стрілки приладів будуть все більш віддалятися від нульових позначок їх шкал. Замінюючи додатковий резистор Rд резисторами меншого номіналу і змінюючи опір змінного резистора, доможися в ланцюзі такого струму, при якому стрілка перевіряється приладу встановиться точно проти кінцевої позначки шкали. Значення цього струму, відраховані за шкалою зразкового міліамперметра, і буде параметром Rн, тобто струмом повного відхилення стрілки невідомого приладу. Запам'ятай його значення.
Тепер зміряй опір рамки. Спочатку, як і при вимірюванні параметра Rн, змінним резистором Rд встанови стрілку перевіряється приладу на кінцеву позначку шкали і запиши показання зразкового міліамперметра. Після цього підключи паралельно перевіряється приладу змінний резистор опору 1,5-3 кОм (на рис. 110 він показаний штриховими лініями і позначений Rш). Підбери таке його опір, щоб струм через перевіряється прилад РАП зменшився вдвічі. При цьому загальний опір кола зменшиться, а струм в ній збільшиться. Резистором Rp встанови в ланцюзі (по міліамперметру) початковий струм і точніше підбери опір резистора Rш, домагаючись установки стрілки мікроамперметра точно проти позначки половини шкали. Параметр Кі твого микроамперметра буде дорівнює опору введеної частини резистора Rш.
Мал. 110. Схема вимірювання параметрів I та й Rн стрілочного приладу
Виміряти цей опір можна омметром.
Тепер поговоримо про те, як електромагнітний прилад пристосувати для вимірювання різних значень струмів, напруг, опорів.