книга в верде после распозна (Евтихеева Н.Н. - Измерение электрических и неэлектрических), страница 6

1.7. ЭТАЛОНЫ. ОБРАЗЦОВЫЕ И РАБОЧИЕ МЕРЫ

Эталоны. Средство измерений (или комплекс средств изме­рений) , обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы ве­личины с целью передачи ее размера другим средствам измерений и офи­циально утвержденное в установленном порядке, называется эталоном единицы физической величины. Эталоны, воспроизводящие одну и ту же величину, подразделяются на следующие: первичный эталон, обеспе­чивающий наивысшую точность воспроизведения единицы; вторичный эталон, установленный на основании произведенных с метрологической точностью сличений с первичным эталоном; рабочий эталон, применяе­мый для передачи размера единицы образцовым средствам измерения высшей точности.

Образцовые и рабочие меры. Образцовыми называются меры, слу­жащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Рабочие меры предназначены для целей измерения во всех областях народного хозяйства.

При измерении электрических величин используют образцовые и ра­бочие меры ЭДС, сопротивления, индуктивности, взаимной индуктив­ности, емкости.

В настоящее время мерами ЭДС служат нормальные элементы (НЭ), которые представляют собой стабильные гальванические элементы с точно известными значениями ЭДС. НЭ подразделяются на два типа — насыщенные и ненасыщенные, в зависимости от того, насыщенный или ненасыщенный водный раствор сернокислого кадмия используется в них в качестве электролита. Насыщенные НЭ стабильнее ненасыщенных. Согласно ГОСТ 1954-82 они могут иметь один из следующих классов точности: 0,0002 (с 1986 г.); 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; эти значения соответствуют наибольшим допускаемым изменениям ЭДС за 1 год на 5, 10, 20 и 50 мкВ. Наибольший ток, который можно пропускать через насыщенный НЭ, определяется временным режимом работы и зависит от класса точности элемента. Согласно ГОСТ 1954-82 наибольший допусти­мый ток лежит в диапазоне от 0,002 до 1 мкА. Значения ЭДС при 20 ° С заключены между 1,018540 и 1,018730 В. Если температура отличается от 20 °С, то изменение ЭДС следует учитывать, используя известную зависимость ЭДС от температуры. Эта зависимость для насыщенного НЭ выражается формулой

Ef = Е20 - 40,6 ■ Ю-6 (f - 20) - 0,95 • Iff"6 (г - 20)2 + + 0,01 • 10_6 (г - 20)3,

0

где Е^ — ЭДС, В, при температуре г, °С; Е20 — ЭДС, В, при температу­ре 20 С, указанная в паспорте нормального элемента.

Внутреннее сопротивление насыщенных НЭ составляет 500—2000 Ом.

Ненасыщенные НЭ выпускаются с классами точности 0,002; 0,005; 0,01 и 0,02. Это соответствует допустимым изменениям ЭДС на 20, 50, 100 и 200 мкВ в год. Их ЭДС лежит в диапазоне 1,018800-1,019600 В и незначительно зависит от температуры (не более 0,0002% на 1 К). Внутреннее сопротивление — 300—600 Ом. При работе с НЭ следует оберегать их от тряски, опрокидывания, перегрева и воздействия силь­ного света.

Мерами сопротивления являются катушки сопротивления. Для их из­готовления используются ленты или проволока из манганина, который имеет большое удельное сопротивление, малый температурный коэф­фициент и малую термоЭДС в паре с медью, а также хорошо противо­стоит окислению. Номинальные значения сопротивления катушек должны выбираться из ряда 10й Ом, где п = —5, —4, . . . , + 15, +16. Со­гласно ГОСТ 23737-79 катушки сопротивления имеют один из следую­щих классов точности: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 и 0,2.

При работе в цепях переменного тока может существенную (и неже­лательную) роль играть реактивность катушки, обусловленная ее ин­дуктивностью L0 и собственной емкостью С0. При этом полное сопро­тивление катушки приближенно дается формулой

Z = R + j(x)(L0 - R2C0).

Отношение

т = (L0 - R2C0)IR

характеризует степень реактивности катушки.

Величина г называется постоянной времени. Ее значение обычно лежит в пределах 10"8 — 10"5 с. Чтобы уменьшить г, применяют специальные виды намотки. Так, например, катушка наматывается бифилярно на плоскую диэлектрическую пластину.

В лабораторных условиях в качестве мер сопротивления исполь­зуются также штепсельные и рычажные магазины сопротивлений. В их паспортах указываются допустимые значения мощности и тока, а также частотный диапазон.

Мерами индуктивности служат катушки и магазины индуктивности. Катушки выполняются из тонкой медной изолированной проволоки, намотанной на пластмассовый или фарфоровый каркас. Они имеют следующие номинальные значения индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Гн и классы точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1. Магазины индуктивности состоят из набора катушек индуктивности, образующих декады. Катушки взаимной индуктивности имеют две изолированные

0

обмотки с коэффициентом взаимной индуктивности 1 или 10 мГн. Меры индуктивности и взаимной индуктивности предназначены для ра­боты в цепях переменного тока различных частот (до 10 ООО Гц). Тре­бования к мерам индуктивности указаны в ГОСТ 21175-75.

Меры емкости выполняются в виде воздушных или слюдяных кон­денсаторов, а также магазинов емкостей. Номинальные значения емко­стей воздушных конденсаторов лежат в пределах от 50 до 4000 пф, слюдяные конденсаторы имеют большие значения емкостей (до 1 мкФ). Тангенс угла потерь мер емкости составляет Ю-3 — Ю-4. Согласно ГОСТ 6746-75 для мер емкости установлены следующие классы точ­ности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1.

9

Глава вторая

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1. ГДБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ

Аналоговыми измерительными приборами называются при­боры, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Важным классом аналоговых приборов являются электромеханические показывающие приборы прямого действия. Они просты, надежны, удобны в эксплуатации. Их разнообразие и точностные характеристики удовлетворяют требованиям широкого круга техничес­ких измерении.

Структурная схема. Аналоговые электромеханические приборы строятся по структурной схеме, представленной на рис. 2.1. Они состоят иэ измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устрой­ства. Измерительная цепь осуществляет количественное или качествен­ное преобразование измеряемой электрической величины X в электри­ческую X', удобную для измерения. Измерительный механизм преобра­зует электрическую величину X в механическое перемещение (угловое или линейное) а, значение которого отсчитывается по шкале отсчетного устройства, обычно проградуированной в единицах измеряемой вели­чины.

Измерительная цепь содержит резисторы и другие элементы, необ­ходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной ча­стей. В зависимости от принципа преобразования электромагнитной энергии в энергию движения подвижной части механизма различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, элект­

0

Рис. 2.1

ростатические и индукционные приборы. Кроме того, имеются выпря­мительные, термоэлектрические и электронные приборы, которые ис­пользуют магнитоэлектрические механизмы с соответствующими преоб­разователями рода тока.

Отсчетное устройство состоит из указателя (стрелочного или свето­вого) , связанного с подвижной частью прибора, и неподвижной шкалы, представляющей собой совокупность отметок, нанесенных на лицевой стороне (циферблате) прибора. Расстояние между двумя соседними отметками называется длиной деления или просто делением шкалы. Цена деления, называемая также постоянной прибора, соответствует изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указа­теля на одно деление.

Общие узлы и детали. Электромеханические приборы всех систем имеют общие узлы и детали. К ним, в частности, относятся корпус, циферблат, указатель, детали для установки подвижной части, успокои­тель, устройство для создания противодействующего момента, кор­ректор.

Кропус защищает измерительный механизм от механических воздей­ствий и от попадания пыли и влаги. Он может быть изготовлен из метал­ла, пластмассы или дерева. Металлический корпус экранирует измери­тельный механизм от электрических и магнитных полей.

На циферблате обычно кроме шкалы имеется ряд обозначений, при помощи которых указываются единица измеряемой величины, класс точности, символ, соответствующий принципу действия прибора, рабо­чее положение, испытательное напряжение изоляции, год выпуска, за­водской номер и др. Некоторые из этих обозначений приведены в при­ложении 1.

Указатели бывают механическими и световыми. Механические указа­тели представляют собой легкие стрелки, изготовленные из стекла или алюминия. В световых указателях роль стрелки играет световой луч, отражающийся от легкого зеркальца, укрепленного на подвижной части измерительного механизма, и падающий затем на шкалу.

Детали для установки подвижной части должны обеспечивать сво­бодное вращение последней. Используются три способа установки: на кернах, на растяжках, на подвесе.

При установке на кернах ось, вокруг которой вращается подвижная часть, имеет два стальных острия — керна, которыми она опирается на агатовые или корундовые подпятники. Недостатком такой установки является наличие трения в опорах, т.е. между кернами и подпятниками.

2-6016

0

При установке на растяжках подвижная часть подвешивается между двумя растянутыми ленточками из бронзового сплава. Такой способ крепления свободен от трения в опорах.

При установке на подвесе подвижная часть подвешивается на метал­лической или кварцевой нити. Такой способ крепления применяется в особо чувствительных приборах.

Противодействующий момент может быть создан упругими силами или теми же электромагнитными силами, что и вращающий. В последнем случае прибор называется логометром.

Устройство для создания упругого противодействующего момента при установке на опорах представляет собой спиральную пружину, внеш­ний конец которой прикреплен к неподвижной части, а внутренний — к оси подвижной части измерительного механизма. Противодействую­щий момент М возникает из-за закручивания пружины при вращении подвижной части. В других случаях М появляется из-за упругости рас­тяжек или подвеса. Если бы противодействующего момента не было, вращающий момент Мвр, созданный электромагнитными силами при подаче измеряемой величины на вход прибора, нечем было бы уравно­весить и стрелка двигалась бы до упора. При наличии пружины стрелка останавливается в положении, при котором вращающий момент уравно­вешивается противодействующим.

Успокоитель предназначен для того, чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка не испытывала слишком долгих колебаний. Применяются воздушные, жидкостные и магнитоиндукцион-ные успокоители. В воздушных успокоение достигается торможением алюминиевого крылышка или поршенька, жестко связанного с под­вижной частью внутри особой воздушной камеры.

Жесткостное успокоение использует эффект трения между различны­ми слоями вязкой жидкости при движении в ней подвижной системы или ее части.

В магнитоиндукционных успокоителях торможение осуществляется взаимодействием магнитных полей магнита и токов, индуцированных в проводящих частях подвижной системы при их движении в поле этого магнита.

Успокоители каждого вида имеют свои достоинства и недостатки. Так, воздушный и жидкостный успокоители не создают электрических или магнитных полей, влияющих на показания приборов, но относитель­но сложны в изготовлении и настройке, тогда как магнитоиндукционные просты и допускают легкую регулировку, но могут применяться только тогда, когда порождаемые ими поля не сказываются на результатах измерений.

Корректор предназначен для установки стрелки в нулевое положе­ние, из которого по разным причинам она может оказаться смещенной при невключенном приборе.

0

г уравнение преобразования измерительного механизма электромеха­нического прибора. Положение подвижной части прибора относительно неподвижной в установившемся режиме можно определить из условия равенства вращающего и противодействующего моментов, действующих на подвижную часть:

Мвр = Мпр. (2-1)

Согласно законам механики выражение для вращающего момента имеет вид

Мвр = dW/da, (2.2)

где а — угол поворота подвижной части; W — электрокинетическая энер­гия, т.е. запас энергии электромагнитного поля в измерительном меха­низме.

Значение вращающего момента зависит как от измеряемой величи­ны ЯГ, так и от параметров измерительного механизма Л, т.е.

Жвр = V(X, Л) (2.3)

Противодействующий момент, создаваемый упругим элементом, опи­сывается выражением

Мпр = Wa , (2.4)

где W — удельный противодействующий момент, характеризующий упругость упругого элемента.

Таким образом, при равновесии имеет место равенство

<р{Х, Л) = Wa, (2.5)

или

а = Mbv/W = „(ЯГ, X)IW. (2.6)

Уравнение (2.6) называется уравнением преобразования механизма прибора, оно связывает показания прибора со значением измеряемой величинь}; и характеризует свойства измерительного прибора в целом. Здесь и далее для простоты не проводится различия между углом а и показанием прибора, хотя в действительности отсчетное устройство прообразует угол а в пропорциональное ему линейное перемещение.

2.2. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия. В приборах магнитоэлектрической систе­мы используется взаимодействие поля постоянного магнита с катуш­кой (рамкой), по которой протекает ток. Конструктивно измеритель­ный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2.2 показана конструкция прибора с

0

подвижной катушкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсны­ми наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердеч­ником создается сильное равномер­ное радиальное магнитное поле, в ко­тором находится подвижная прямо­угольная катушка (рамка) 4, намо­танная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или же без каркаса). Катушка за­креплена между полуосями 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 пред­назначены для создания противо­действующего момента. Одновременно они используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные Ерузики на усиках 10.

Уравнение преобразования можно получить, если подставить в фор­мулу (2.6) выражение для вращающего момента Мвр, действующего на подвижную часть магнитоэлектрического механизма. Мвр определяется изменением энергии магнитного поля системы, состоящей из постоян­ного магнита и рамки с током /, при вращении подвижной части: