Безпосередні вимірювання малих напруг, струмів та зарядів. Гальванометри

Для безпосередніх вимірювань малих напруг, струмів та зарядів найширшого вжитку знайшли прилади магнітоелектричної системи.

Вимірювальний механізм магнітоелектричних приладів складається з нерухомої магнітної ланки та рухомої котушки, по якій протікає вимірюваний струм (рис. 6.2). Магнітна ланка утворюється сильним постійним магнітом 1 з двома полюсними наконечниками 2 з магнітом’якого матеріалу, які радіальним зазором охоплюють нерухомий точно центрований циліндр 3 також з магнітом’якого матеріалу. В радіальному зазорі розміщуються рухома котушка 4, з’єднана з півосями 5 і 6, кожна з яких жорстко з’єднана з кінцями спіральних пружин 7 і 8. Ці пружини призначені для створення протидіючого моменту і одночасно виконують роль провідників, що проводять струм від зовнішнього кола до рухомої котушки. На передній півосі закріплено показуючу стрілку 9 і противаги 10. Взаємодія провідників котушки, якими протікає вимірюваний струм, і магнітного потоку постійного магніту створює обертовий момент, під дією якого котушка (і стрілка) намагається повернутись на кут α, пропорційний вимірюваному струмові І.

Рисунок 6.3 - До визначення обертового моменту магнітоелектричного приладу

Вираз α=f(І) неважко отримати користуючись схемою рис.6.3, де зображено одновиткову рамку шириною b і з активною довжиною провідника l, яка перебуває в магнітному полі з індукцією В ₀ і по якій протікає вимірюваний струм І. Виділимо по активній довжині провідника елемент dl. Тоді елементарну силу df, що діє на цей елемент, можна записати виразом

. (6.1)

В реальному приладі рамка містить w витків, отже загальна сила, що діє в приладі на одну сторону рамки, F = B₀lwI. Пара цих сил створює обертовий момент

, (6.2)

де s=bl – площа рамки.

Вважаючи М_об=М_α , знайдемо і рівняння, що пов’язує кут α повороту рамки зі значенням вимірюваного струму І

, (6.3)

де S_i=B₀ws/W – чутливість приладу за струмом; W –питомий протидіючий момент.

Одним з різновидів таких приладів є гальванометри, які широко застосовують у лабораторній практиці для вимірювання малих струмів і як нульові прилади.

Гальванометром називається магнітоелектричний прилад з неградуйованою шкалою, що має дуже високу чутливість до струму чи напруги. За призначенням ці прилади ділять на гальванометри безпосереднього оцінювання, нульові, диференційні і балістичні. За способом відліку показів розрізняють гальванометри зі стрілковим, дзеркальним та світловим відліком. Його будову можна пояснити схемою рис. 6.4.

У

В міжполюсному просторі постійного магніту 1 з полюсними наконечниками, що охоплюють нерухоме осердя 4, розміщено легку (частіше безкаркасну) котушку 3. На відміну від звичайних приладів цієї системи котушка 3 кріпиться на тонкій пружній нитці 6, що працює на скручування, яка призначена для створення протидіючого моменту і є одним з провідників, що підводять струм до котушки. Другим провідником струму є тонка срібна смужка 5. Лічба кута повороту рухомої системи гальванометра проводиться оптичним шляхом за допомогою маленького дзеркальця 2, закріпленого на пружній нитці 6.

На рис. 6.5 показано схему відліку показів гальванометра.

Від джерела світла 1на дзеркальце 2 спрямовується вузький промінь, який, відбившись від дзеркальця 2, падає на шкалу 3 у вигляді тонкої світлової смужки. При повороті дзеркальця 2 на кут α світлова смужка переміщається вздовж шкали на n поділок.

Значення α і n зв’язані нелінійним рівнянням

. (6.4)

Якщо кут α невеликий (не більше 3˚), то тангенс можна замінити кутом і прийняти, що

. (6.5)

Для великих кутів відхилення слід користатися уточненою залежністю

. (6.6)

Поправка виникає внаслідок того, що відлікова шкала 3 прямолінійна, а не вигнута по дузі радіуса r.

Рівняння руху рамки гальванометра можна записати у вигляді

, (6.7)

де – степінь заспокоєння (W і I_α – відповідно питомий протидіючий момент і момент інерції рамки); ; y=α/α _ст – відносний кут відхилення рамки; P – коефіцієнт заспокоєння.

Степінь заспокоєння β конкретного гальванометра залежить лише від коефіцієнта заспокоєння Р, оскільки конструктивні параметри W та I_α для кожного окремого приладу постійні. Залежно від значення загасання рух рамки має коливний (β<1), аперіодичний (β>1) або критичний (β=1) характер. Останній і представляє найбільший інтерес на практиці, так як при β=1 час встановлення показів гальванометра мінімальний. Опір зовнішнього кола (зовнішній опір), при якому настає критичний режим, називають зовнішнім критичним опором. Цей опір (R _зов.кр.) є одним із важливих параметрів гальванометра і зазвичай вказується на його щитку. Критичне ж значення степеня заспокоєння β=1 визначають коефіцієнтом критичного заспокоєння

, (6.8)

де Р ₁ – частина коефіцієнта заспокоєння, що визначається тертям в опорах і об повітря; R _г – внутрішній опір гальванометра (опір рамки).

В загальному випадку для степеня заспокоєння β можна також записати так

. (6.9)

В усталеному режимі для гальванометра справджується рівність

. (6.10)

Величина S_i, що являє собою відхилення рухомої системи гальванометра на одиницю стуму, називають чутливістю гальванометра за струмом.

Опір рамки гальванометра дорівнює R _г, отже при проходженні струму І спадок напруги на ньому (опорі R _г) запишемо у вигляді U=IR _г і тоді

. (6.11)

Величина S_u називається чутливістю гальванометра за напругою. Чутливість гальванометра визначають за переміщенням світлової плями вздовж шкали, що розміщена на відстані 1м від дзеркальця, при одиничному значенні струму або напруги. Як правило приймають I= 1 мкА або U= 1 мкВ, тоді, наприклад, S_і= 250 мм/мкА; S_u= 0,5 мм/мкВ.

Для переносних гальванометрів основною метрологічною характеристикою є величина, обернена до чутливості, яка називається ціною поділки або ж сталою гальванометра (С_і або С_u). Це струм або напруга, що викликає відхилення стрілки приладу на 1мм або одну поділку шкали. Для переносних гальванометрів С_і=І/n, де n – кількість поділок шкали. Для стаціонарних (дзеркальних) гальванометрів, в яких шкала встановлюється на значній віддалі від дзеркальця, закріпленого на рухомій частині, і постійна прилада залежить від цієї відстані (l), прийнято приводити ціну поділки до l=1 м: C_i′=Cі/l, А·м/мм.

На практиці для кожної вимірювальної схеми гальванометр підбирають так, щоб він працював в умовах, близьких до критичного заспокоєння. Так, наприклад, для вимірювання малих струмів вибирають гальванометри з великою чутливістю S_і, малими R _зов.кр та R _г. Для вимірювання малих напруг (ЕРС) застосовуют гальванометри з великою чутливістю S_u по напрузі. Для вимірювання змінних струмів використовують вібраційні гальванометри а для вимірювання електричних зарядів використовують т. з. балістичні гальванометри з великим періодом Т ₀ власних коливань (до 30 с) і великим R _зов.кр. Про ці прилади буде сказано далі.

При зовнішніх опорах R _зов більше критичного R_зов.кр. струм від наведеної в рамці ЕРС зменшується, а разом з ним зменшуються коефіцієнт заспокоєння Р і степінь заспокоєння β рухомої частини гальванометра (область β<1). Рух набуває коливального (періодичного) характеру і рухома частина досягає усталеного відхилення, зробивши попередньо кілька загасаючих коливань.

Зі збільшенням опору R _зов зовнішнього кола степінь заспокоєння поступово збільшується, а тривалість часу заспокоєння зростає, і при граничних умовах R _зов = ∞ (коло гальванометра розімкнено) Р=0, β=0 – рух переходить у вільні, незгасаючі коливання. На практиці завдяки тертю об повітря коливання загасають і рухома частина порівняно швидко переходить до стану рівноваги.

В режимі, що відповідає R _зов = ∞, представляє інтерес період вільних коливань Т ₀ (), який називається періодом власних коливань рухомої частини і є одним з головних параметрів гальванометра.

При зовнішніх опорах менше за критичний R _зов< R _зов.кр (область β>1) режим руху, як вже зазначалося, робиться аперіодичним і рухома частина займає положення рівноваги без коливань за відповідно більший час. При R _зов=0 (затискачі гальванометра замкнуто накоротко) степінь заспокоєння β досягає максимуму і час, за який рухома частина приходить до

стану рівноваги, стає максимальним.

Чутливість гальванометра можна збільшити, зменшуючи жорсткість підвіски або змінюючи число витків котушки. Якщо у магнітоелектричного гальванометра збільшити масу рухомої системи так, щоб вона мала достатньо великий період власних коливань (порядку кількох секунд), то він набуває особливої властивості – реагувати не на значення струму, а на кількість електрики, що протікає по рамці за час, суттєво менший за період Т₀ його власних коливань. Збільшення маси рухомої системи досягають двома-чотирма додатковими тягарцями (рис. 6.6).

Гальванометр зі збільшеною масою рухомої системи називається балістичним гальванометром. Якщо котушкою такого гальванометра пропустити струм І(t) протягом часу τ<< T₀, то загальна кількість електрики (заряд), що протікає за час τ,

. (6.12)

У результаті взаємодії струму І(t) з магнітним полем котушки рухома система отримає імпульс сили , під впливом якого її буде відкинуто на деякий кут α_б (рис. 6.7). Після цього вона повернеться у вихідне становище або аперіодично, або здійснивши кілька коливань. Можна довести, що викид рухомої частини (кут α_б) пропорційне зарядові, якщо тривалість τ його протікання буде менше за одну десяту періоду Т ₀ власних коливань

, (6.13)

де S_б – балістична чутливість, що визначається як амплітуда

першого викиду рухомої частини гальванометра в міліметрах шкали, розміщеної на відстані 1м від дзеркальця, що отримується при протіканні через гальванометр заряду, що дорівнює одному кулону.

Величина, обернена до балістичної чутливості, називається балістичною сталою (C_q). Ця величина також приводиться до метрової відстані між дзеркальцем і шкалою (λ=1м): C_q′=C_q/λ, Кл·м/мм.

Балістичні гальванометри широко застосовуються в лабораторній техніці для вирішення завдань, пов’язаних з магнітними вимірюваннями, з визначенням дуже великих опорів тощо.

Магнітоелектричні прилади, магнітне поле яких утворюється нерухомим електромагнітом і постійним магнітом називаються вібраційними гальванометрами. Такі прилади застосовуються як індикатори нуля в мостах і компенсаторах змінного струму промислової частоти. Найвищої чутливості таких гальванометрів досягають регулюванням власних коливань (вібрацій) рухомої частини до отримання режиму резонансу, коли власні коливання стають рівними частоті вимірюваного струму. Такі прилади мають світловий вказівник. Промінь світла, відбиваючись від закріпленого на рухомій частині дзеркальця і попадаючи на шкалу, утворює світлову смугу, довжина якої залежить від сили струму, що протікає котушкою електромагніта.

Протидіючий момент створюється магнітним полем постійного магніту.

Диференційні гальванометри мають дві однакові обмотки, по яких струми проходять в протилежних напрямках (рис. 6.8). Обертовий момент і кут α повороту рамки пропорційні різниці струмів

(6.14)

де І ₁ і І ₂ – відповідно струми, що протікають в першій і другій рамках, С_і=1/S_і – ціна поділки гальванометра по струму.

При І ₁= І ₂ кут α=0, що дозволяє порівнювати між собою два струми і визначити значення одного з них, якщо значення іншого відомо.

Гальванометри вважаються найбільш точними (до класу 0,05) з усіх приладів електромеханічної групи. Найбільш суттєва доля загальної похибки цих приладів обумовлюється наявністю тертя в опорах рухомої частини, недосконалістю зборки, неточностями калібрування і виготовлення шкали. З джерел похибок, викликаних впливом зовнішніх факторів, найбільш суттєвим є температура зовнішнього середовища, що впливає на зміну опору провідників рухомої котушки, зміну жорсткості протидіючих пружин, якість постійного магніту.

Зовнішні магнітні поля мало впливають на роботу гальванометра, так як індукція в повітряному зазорі магнітної ланки приладу надто висока (до 0,15…0,2 Т і вище). Більшу небезпеку, як правило, несуть магнітні поля близько розташованих (менш ніж 18…20 см) приладів цієї системи.

Дата добавления: 2014-11-18