Мощность потерь. 
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА- Хотунцев Ю.Л.

При работе измерительного прибора в нем расходуется энергия на нагрев проводников, перемагничивание стали сердечника (магнитопровода) и вихревые точки.

Эта энергия повышает температуру прибора и может вызвать заметные изменения в режиме работы электрической цепи, к которой подключен измерительный прибор, что, в свою очередь, приводит к дополнительным погрешностям измерения. Потребление энергии измерительным прибором особенно существенно при измерении в цепях малой мощности. Поэтому желательно, чтобы приборы обладали малой мощностью потерь. Применительно к амперметрам это требование означает необходимость снижения сопротивления /?_А прибора, поскольку мощность потерь равна.

Применительно к вольтметрам из этого требования вытекает необходимость увеличения сопротивления прибора, так как в данном случае мощность потерь равна.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Измерительный механизм магнитоэлектрической системы состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть измерительного механизма часто выполняется из сильного постоянного магнита, сделанного из магнитотвердой стали, стальных пластин с полюсными наконечниками и стального цилиндра (см. рис. 4.1.8). В воздушном зазоре между цилиндром и полюсными наконечниками образуется однородное радиальное магнитное поле с постоянным значением магнитной индукции в пределах полюсных наконечников. Полюсные наконечники и цилиндр изготавливаются из магнитомягкой стали.

Принцип действия измерительного механизма основан на взаимодействии тока и магнитного поля постоянного магнита. Подвижная часть состоит из алюминиевого каркаса с намотанной на нем обмоткой из медной или алюминиевой проволоки диаметром 0,02…0,2 мм (рис. 4.4.1).

Рис. 4.4.1.

Каркас с обмоткой называется рамкой. На рамку наклеивают полуоси-керны, с помощью которых она и устанавливается в подпятниках. Спиральные пружины, которые создают противодействующий момент, обеспечивают также соединение рамки с зажимами прибора. Передняя пружина внешним концом соединяется с поводком, в вилку которого входит палец эксцентрика. Вращая эксцентрик, устанавливают стрелку прибора на нулевую отметку шкалы перед началом измерений.

Пружины обычно рассчитаны на ток 50 мА, и прохождение больших токов по пружинам связано с их перегревом и потерей упругости, что ведет к нарушению градуировки прибора. Каркас рамки является частью магнито-индукционного успокоителя (см. рис. 4.1.7, б).

Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы состоит в следующем. При протекании тока / через рамку на каждую сторону рамки действует сила Ампера:

где / — длина рамки; В — индукция магнитного поля; ш — число витков рамки.

В результате к рамке приложена пара сил, которая создает вращающий момент.

где |— плечо силы; b — ширина рамки; Ф — магнитный поток через рамку.

В момент измерения вращающий момент уравновешен противодействующим моментом пружины Отсюда.

т.е. угол поворота пропорционален току — прибор данной системы имеет равномерную шкалу. Здесь S, — чувствительность прибора. Найдем из последнего выражения ток I:

где С, — постоянная по току.

Поскольку рамка обладает сопротивлением R, к зажимам прибора должно быть приложено напряжение U, чтобы протекал ток 1

т.е. отклонение подвижной части пропорционально напряжению, и данный прибор можно использовать не только для измерения токов, но и для измерения напряжений.

Так как подвижная часть прибора обладает достаточно большим моментом инерции, отклонение определяется средним вращающим моментом М_СР=— ^Mdt, и соответствующие приборы магнитоэлектрической системы показывают среднее значение тока; в частности, в схеме выпрямителя таким прибором можно измерить постоянную составляющую тока.

При протекании через рамку переменного тока силы, приложенные к рамке, периодически меняют свое направление и среднее значение момента за период равно нулю. Поэтому приборы магнитоэлектрической системы нельзя непосредственно использовать для измерения переменных токов. Необходимо дополнить такой прибор электрической цепью, способной преобразовать переменный ток в постоянный, т. е. дополнить прибор выпрямителем. Тогда получается прибор детекторной системы (см. § 4.11). Однако если подвижная часть прибора обладает малым моментом инерции и период собственных колебаний системы равен или меньше периода колебаний переменного тока, то при демонстрациях низкочастотных колебаний возможно применение приборов магнитоэлектрической системы без выпрямителей.

Измерительные механизмы (измерители) приборов магнитоэлектрической системы обычно изготовляются стандартными. Их номинальный ток (ток, при котором стрелка прибора отклоняется на всю шкалу) бывает 3; 4; 5; 15 и 50 мА, но не более допустимого тока для спиральных пружин (50 мА). Номинальным значениям тока соответствуют номинальные значения напряжений (при которых происходит полное отклонение стрелки), например 45; 75; 100; 150 мВ.

чие. 4.4.2).

Рис. 4.4.2.

В простейшем случае для измерения малых токов рамка измерительного механизма может включаться в электрическую цепь непосредственно, однако такая схема прибора (миллиамперметр) имеет существенные недостатки: во-первых, прибор будет пригоден для измерения чрезвычайно малых токов; во-вторых, показания прибора будут зависеть от температуры окружающей среды, так как температурный коэффициент сопротивления меди или алюминия весьма значителен и составляет примерно 4% на 10 °C. Поэтому даже при измерении малых токов последовательно с рамкой измерительного механизма включается дополнительное сопротивление из манганина (сплава меди, марганца и никеля), температурный коэффициент сопротивления которого ничтожно мал. При достаточно большом дополнительном сопротивлении изменение сопротивления обмотки рамки с изменением температуры практически не будет вызывать существенного изменения тока в рамке и уменьшится влияние температуры на точность показаний прибора. Таким образом, сопротивление, включенное последовательно с обмоткой рамки, играет роль температурного компенсатора. Для измерения токов, превышающих 50 мА, измеритель снабжают шунтом. Измеритель в сочетании с шунтом называется амперметром

Шунты бывают внутренние и наружные. Амперметры с пределом измерения до 100 мА часто имеют внутренние шунты. Каждый шунт имеет четыре зажима: двумя (токовыми) зажимами он включается в линию, а с помощью двух других (потенциальные зажимы) подключается измерительный механизм, который выступает в роли милливольтметра и измеряет падение напряжения на шунте, пропорциональное току в линии. Поэтому каждый шунт маркируется не только по току, но и по допустимому падению напряжения, которое возникает на зажимах шунта при номинальном токе. Маркировка 100 мА, 75 мВ означает, например, что данный шунт на 100 мА может использоваться с любым измерителем, номинальное напряжение которого равно 75 мВ.

Для измерения малых напряжений измеритель может быть подключен непосредственно к участку цепи с измеряемым напряжением. Поэтому милливольтметры для работы в маломощных цепях изготавливаются с большим внутренним сопротивлением и малым током полного отклонения (порядка нескольких микроампер).

Рис. 4.4.3.

Для измерения значительных напряжений последовательно с измерительным механизмом включают одно или несколько дополнительных сопротивлений. На рисунке 4.4.3 показана схема вольтметра.

Ток полного отклонения стрелки вольтметра у большинства приборов составляет 1… 15 мА. Добавочное сопротивление к вольтметрам изготовляется из манганина и подразделяется на внутреннее и наружное. Наружные добавочные сопротивления могут применяться с любым прибором, номинальный ток которого не превышает номинального тока добавочного сопротивления.

К положительным свойствам магнитоэлектрических приборов следует отнести:

1) большой диапазон измеряемых величин: тока (1 O'⁶… 100 А), напряжения (10*³…10²В и выше) с применением добавочных сопротивлений; 2) большую точность измерений (до 0,1%); 3) высокую чувствительность (до 5 дел/мкА); 4) малую подверженность влиянию внешних магнитных полей; 5) незначительное влияние температуры на показания прибора; 6) малую мощность потерь (от долей Ватт до 10*⁹ Вт) при полном отклонении; 7) равномерность шкалы; 8) хорошее успокоение подвижной системы.

Из отрицательных свойств магнитоэлектрической системы можно выделить: пригодность для работы только в цепях постоянного тока; чувствительность к перегрузкам (из-за пружин); сравнительно высокую стоимость.