Магнитоэлектрический милливольтметр

Схема его измерительного механизма показана на рисунке 14.136.

Механизм состоит из рамки 2, вращающейся в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками постоянного магнита NS и цилиндрическим сердечником 1 из мягкой стали. Рамка 2 вместе со стрелкой 7 для отсчета показаний по шкале 6 прибора закреплены на кернах 5, опирающихся на подпятники 3. Установленные на кернах спиральные пружинки 4, создающие противодействующий повороту рамки момент, крепятся одним концом к оси 5, а другим — к неподвижной части прибора. Кроме того, эти пружинки являются токоподводящими элементами рамки. Рамка, закрепленная на кернах, изготавливается как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения. Для обеспечения большей чувствительности милливольтметров, гальванометров и самопишущих милливольтметров их рамка крепится на вертикальных ленточных растяжках из фосфористой бронзы. Эти ленты при повороте рамки, скручиваясь, создают противо­действующий момент, и одновременно по ним осуществляется подвод тока в рамку. Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2г и состоит из n витков тонкой медной проволоки, скрепленных между собой лаком. Благодаря сердечнику 1, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в силу чего, независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается параллельной вектору магнитной индукции В. Таким образом, при протекании по рамке электрического тока I на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент, который можно вычислить по формуле (14.60) /8/

Рисунок 14.136 - Схема измерительного механизма магнитоэлектрического мильвольтметра

(14.60)

Противодействующий момент Мпр, создаваемый спиральной пружиной или подвеской вычисляют по формуле (14.61) /8/

, (14.61)

где W – удельный противодействующий момент.

При некотором угле поворота имеем М_пр=М_мэ т.е. учитывая (14.60) и (14.70) получаем (14.71) /8/

, (14.71)

Из (14.72) получаем (14.73) /8/

(14.72)

где - чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.

Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U, подведенного к зажимам прибора с внутренним сопротивлением R_M, из (14.72) имеем (14.73) /8/

(14.73)

Из (14.73) следует, что чувствительность прибора к напряжению тем меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление прибора.

Измерение термоЭДС милливольтметром осуществляется по схеме на рисунке 14.137. Генерируемая ТЭП термоЭДС создает в замкнутой цепи ток, вычисляемый по формуле (14.74) /8/

, (14.74)

где R_AB, R_FD, R_C, R_Y, R_P, R_Д — сопротивления термоэлектродов АВ, удлинительных проводов FD соединительных линий С, уравнительной катушки, рамки милливольтметра и добавочной катушки соответственно;

- внешнее по отношению к зажимам аb прибора сопротивление цепи;

- внутреннее сопротивление милливольтметра.

Представим (14.74) в виде (14.75) /8/

, (14.75)

Из (14.75) можно заключить, что измеряемое милливольтметром напряжение U_ab, подведенное к его зажимам аb, всегда меньше, чем ЭДС в цепи, на значение падения напряжения IR_BH во внешней цепи, обусловленного проходящим в контуре током.

Рисунок 14.137 – Схема измерения термоЭДС миливольтметром

В силу того что сведение к нулю IR_BH при использовании милливольтметра невозможно, принципиально невозможно непосредственное измерение ЭДС милливольтметром. В то же время при соблюдении определенных условий измерения с некоторой погрешностью можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от развиваемой в цепи термоЭДС.

Подставляя (14.74) в (14.72) получаем (14.76) /8/

, (14.76)

Отсюда следует, что если бы имело место , то меж­ду показанием милливольтметра и измеряемой ЭДС была однозначная зависимость и шкалу милливольтметра можно было бы градуировать в градусах, соответствующих термоЭДС для данного преобразователя АВ. В то же время как R_BH, так и R_M изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения. Покажем, что уменьшение указанной погрешности может быть достигнуто путем уменьшения отношения R_BH/R_M и уменьшения R_P/R_M.

Преобразуем (14.74) к виду (14.75) /8/

(14.75)

Из выражения (14.75) видно, что чем меньше отношение R_BH/R_M по сравнению с единицей, тем в меньшей мере изменение этого отношения, вызванного, например, изменением температуры окружающей среды, сказывается на линейной связи между U_ab и . Уменьшение отношения R_BH/R_M возможно за счет увеличения R_M. Так как рамка милливольтметра выполнена из медного провода с сопротивлением R_P, то R_M увеличивают за счет уве­личения последовательно соединенного с рамкой добавочного соп­ротивления R_Д, выполненного в виде манганиновой катушки. Значительное увеличение R_M приводит к уменьшению чувствительности S_U милливольтметра. Обычно R_M == 100 — 500 Ом, а отношение , что значительно уменьшает температурный коэффициент прибора. Значение R_BH стандартизовано в пределах 0,6—25 Ом и указано на шкале прибора.

Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо сопротивление у внешней линии подогнать к значению R_BH, указанному на шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления R_Y. Если милливольтметр имеет милливольтовую шкалу, то она наносится без учета сопротивления внешней линии и показания по шкале соответствуют напряжению на зажимах, т. е. U_ab, по которому при известных R_BH и R_M определяют из (14.75) термоЭДС для ТЭП любой градуировки, а затем значение измеряемой температуры по градуировочным таблицам.

Милливольтметры, предназначенные для работы в комплекте с ТЭП, по конструктивному исполнению бывают переносными и стационарными (щитовыми).

Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие милливольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.

Переносные милливольтметры имеют две шкалы (градусную и милливольтовую) или только одну милливольтовую. Эти приборы выполняют как показывающие и имеют классы точности: 0,2; 0,5; 1,0.

Рисунок 14.138 - Принципиальная схема потенциометра

Потенциометры

Принцип действия этих приборов основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника. Схема, поясняющая компенсационный метод измерения ЭДС, показана на рисунке 14.138 Замкнутый контур 1 содержит дополнительный источник тока напряжением E_б и реохорд (компенсационный резистор) R_ab. Этот контур называют компенсационным. Контур измерения 2 включает в себя ТЭП, термоЭДС которого измеряется, и высокочувствительный гальванометр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ), а также часть R_ac реохорда от точки а до подвижного контакта движка с. Функция нуль-индикатора состоит в обнаружении тока в цепи. Из­меряемый источник включен навстречу дополнительному источнику Е_б так, что токи от обоих источников на участке R_ac идут в одном направлении. Если обозначить ток, проходящий в контуре /, через I_б (рабочий ток), а ток для контура // при некотором положении движка С через I_T, то на основании закона Кирх­гофа для контура // справедливо равенство , где R_НИ и R_BH—сопротивления нуль-индикатора и внешних проводов, включая ТЭП, откуда . Перемещая движок С, можно добиться того, чтобы I_T стал равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда справедливо равенство (14.76) /8/

(14.76)

Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение напряжения на участке R_ac служит мерой измеряемой ЭДС. Преимуществом компенсационного метода измерения термоЭДС является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета значений сопротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры.

Компенсирующее напряжение I_бR_ac можно изменять двумя методами:

1) поддерживая значение тока I_б на постоянном уровне, изменять сопротивление R_ac;

2) сохраняя сопротивление R_ac постоянным, изменять значение рабочего тока I_б.

Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока, показанный на рисунке 14.139

Рисунок 14.139 – Схема потенциометра с постоянной силой рабочего тока

Для контроля за постоянством тока I_б предусмотрен дополнительный контур /// — контур нормального элемента. Нормальный элемент представляет собой образцовую меру ЭДС, равную E_НЭ=1,0186 В и сохраняющую это значение рабочего тока при кратковременных и малых нагрузках в течение длительного времени.

При установке ключа Кл в положение К (контроль) проводят сравнение ЭДС нормального элемента E_НЭ с падением напряжения U_da на постоянном резисторе R_K .Если при этом стрелка нуль-индикатора не на нуле, т. е. в контуре /// проходит ток, а это означает, что , то с помощью реостата R_б изменяют ток I_б в контуре / до тех пор, пока стрелка нуль-индикатора не установится на нуле. Тогда .Так как и R_K = 509,3 Ом, то = 1,0186/509,3 =2 мА. После стандартизации значения тока I_б ключ Кл переводят в положение И (измерение) и перемещают движок С реохорда R_ab до установления стрелки нуль-индикатора на нуле. При этом справедливо равенство (14.77) /8/

(14.77)

При равномерной намотке реохорда сопротивления его участков пропорциональны соответствующим длинам, т. е. , и тогда получаем равенство (14.78) /8/

(14.78)

где

Таким образом, измерение термоЭДС сводится к измерению длины l участка реохорда, которая проградуирована в единицах напряжения. Потенциометры, работающие по указанной схеме, имеют высокий класс точности, вплоть до 0,0005.

Схема потенциометра с переменной силой рабочего тока I_б показана на рисунке 14.140. Измеряемая термоЭДС Е_AB(tt₀) компенсируется здесь падением напряжения I_бR_ab на постоянном и известном сопротивлении R_ab путем изменения значения тока I_б в компенсационном контуре / с помощью реостата R_б. Движок последнего перемещается до тех пор, пока нуль-индикатор НИ в контуре // не покажет нуль, при этом отсчитывается значение тока I_б по шкале миллиамперметра. Ввиду того что измеряемая термоЭДС зависит от точности и стабильности показаний миллиамперметра, рассматриваемый потенциометр уступает по точности потенциометру с постоянной силой рабочего тока.

Рисунок 14.140 - Схема потенциометра с переменной силой рабочего тока

В то же время схема потенциометра с переменной силой рабочего тока находит применение, в частности, при построении нормирующих токовых преобразователей.