измерительные приборы. кр измер.приборы. Электрические измерительные аппараты
 Скачать 378 Kb.
|
|
Электрические измерительные аппараты. — Э. измерительными аппаратами называют приборы и приспособления, служащие для измерения Э., а также и магнитных величин. Большая часть измерений сводится к определению силы тока, напряжения (разности потенциалов) и количества электричества. Остальные же величины, включая сюда и магнитные, выводятся на основании той или другой зависимости, устанавливаемой между названными выше величинами и величинами, которые требуется измерить. Так, например, для измерения электрического сопротивления мы можем воспользоваться зависимостью: v = i∙r, где v — напряжение у концов искомого сопротивления r, через которое проходит ток i. Измерив i и v, найдем r. Электрическая емкость также может быть измерена на основании зависимости: q = v∙e, где q — количество электричества, v — напряжение у зажимов искомой емкости. Если хотят измерить магнитный поток через данный контур замкнутого проводника, то пользуются зависимостью: q = Φ/r, где q — количество электричества, индуктированное в данном контуре в то время, когда в этом контуре произошло изменение силовых линий магнитного потока от 0 до Φ или от Φ до 0. Измерив q и сопротивление контура r, мы найдем таким образом Φ. Из сказанного следует, что наиболее важными, так сказать, основными измерительными аппаратами являются приборы, дающие возможность измерять силу тока, напряжение и количество электричества. Ниже мы покажем, что приборы, измеряющие силу тока, могут быть приспособлены для измерения напряжения, а также и для измерения количества электричества. Гальванометры и амперметры. Аппараты, служащие для измерения силы тока, называются гальванометрами, а также амперметрами. Второе название дают аппаратам, служащим для непосредственного измерения сильных токов порядка амперов. Принцип их конструкции тот же, что и гальванометров, только части их грубее. В зависимости от того, какими действиями тока пользуются для измерения его силы, гальванометры и амперметры могут быть разделены на следующие категории: 1) гальванометры и амперметры, основанные на механических действиях тока, в которых механические силы, развиваемые данным током, уравновешиваются другими механическими силами, например пружиной, грузом, кручением нити и т. п.; 2) гальванометры и амперметры, основанные на тепловых действиях тока, каковые действия обнаруживаются либо путем удлинения данной проволоки, либо путем ослабления натянутости этой проволоки; 3) гальванометры и амперметры, основанные на химическом действии тока, главным образом на разложении током какой-либо металлической соли: сила тока определяется по весу отложившегося металла; такие гальванометры называются вольтаметрами. На практике больше всего применяют гальванометры первой и второй категории. Гальванометры, не измеряющие силу тока, а служащие лишь для обнаружения присутствия этого последнего, называются гальваноскопами. Гальванометры 1-й категории, в свою очередь, могут быть разделены на следующие группы: 1) гальванометры, основанные на взаимодействии токов и магнитов; 2) гальванометры, основанные на взаимодействии только токов. Гальванометры первой группы устраиваются по одному из следующих способов. а) Между полюсами постоянных магнитов помещается подвижная обмотка (рамка с намотанной на нее проволокой), через которую пропускается измеряемый ток. Вследствие взаимодействия между этим током и постоянным магнитным полем упомянутых выше магнитов развивается механическое усилие, стремящееся повернуть рамку вокруг ее оси так, чтобы плоскость оборотов проволоки стала перпендикулярна к направлению силовых линий магнитного поля магнитов, т. е. перпендикулярна к линии, соединяющей полюсы (северный и южный) магнитов. Упомянутое выше усилие, вращающее рамку гальванометра, уравновешивается спиральной пружиной или просто кручением нити, к которой подвешена рамка: чем больше угол поворота рамки, тем больше будет сопротивление, развиваемое кручением пружины или нити. При хорошо подобранной пружине или достаточно упругой нити упомянутое выше сопротивление, развиваемое кручением, можно считать пропорциональным углу кручения или, что то же, углу поворота рамки; если этот угол небольшой, то и взаимодействие между током рамки и постоянным магнитом можно считать не зависящим от поворота рамки, а в таком случае это взаимодействие только будет пропорционально силе тока, ибо поле магнитов — величина постоянная. Следовательно, вращающее усилие, развиваемое током, будет вида А∙i, где А — некоторый постоянный множитель (коэффициент), а i — сила тока. С другой стороны, при повороте рамки на угол а1 сопротивляющееся усилие, развиваемое закручиванием пружины или нити, будет вида В∙а, где В — тоже постоянный множитель. Таким образом, при равновесии между вращающим усилием тока и сопротивляющимся усилием пружины или нити мы будем иметь: А∙i = В∙а, откуда i = (В/A)∙x. Но В и А величины постоянные, зависящие только от силы и конструкции магнитов, числа оборотов проволоки на подвижной рамке, величины этой последней, от упругости пружины или нити и т. п. данных, относящихся к конструкции данного гальванометра. Отсюда следует, что сила тока будет пропорциональна углу поворота рамки, и можно написать: i = k∙α, величина k называется постоянной гальванометра. Типичным гальванометром этой группы является гальванометр Deprez d’Arsonval’я показанный на фиг. 1.  Гальванометрическая рамка В помещается между полюсами постоянных магнитов А и подвешивается на металлической нити, служащей в то же время проводником для тока; натяжение этой нити регулируется сверху винтом, служащим в то же время и для установления рамки в определенном положении до пропускания тока, а снизу пружиной f. Внутри вращающейся рамки помещается неподвижная железная трубка, прикрепленная к колонке К и служащая для сгущения силовых линий магнитного потока внутри рамки. Ток подводится к зажимам КК, от одного из них он направляется к пружине f (внизу подвесной проволоки), откуда идет по подвесной проволоке через обмотку рамки, по выходе из которой направляется через верхнюю часть подвесной проволоки, верхний регулировочный винт, колонку КК, откуда уже возвращается ко второму зажиму. Зеркальце S служит для отсчета отклонений рамки посредством отражения от него светового пучка от какого-либо источника света; отражаемое изображение принимается на шкале, т. е. на рейке с нанесенными делениями. При повороте рамки, а следовательно, и плоскости зеркальца S на угол α, отраженный луч (фиг. 2) источника P образует угол 2α, а световое пятно будет видно на шкале на расстоянии om от середины о.  Зеркальный способ отсчета применяется для измерения очень слабых токов. Для более грубых измерений можно к рамке прикрепить стрелку, конец которой может перемещаться по дуге круга, разделенной на равные части. В амперметрах, построенных на том же принципе, вместо подвесной нити применяют спиральные либо цилиндрические, либо плоские пружины, как это, например, сделано в амперметре Вестона, показанном на фиг. 3, причем рамка А вращается между подшипниками на твердых остриях; к рамке прикреплен указатель f в виде стрелки, перемещающейся по шкале, проградуированной на амперы.  Для измерения токов большой силы такие приборы обыкновенно шунтируют, т. е. между зажимами, к которым подводится ток, в ответвление вставляется более или менее толстая проволока или полоса, через которую проходит большая часть измеряемого тока. Таким образом, через подвижную рамку аппарата пройдет только определенная доля измеряемого тока; это делается для того, чтобы избежать применения чрезмерно толстой проволоки для обмотки рамки. Так, если нам требуется измерять токи порядка десятков ампер, а проволока рамки допускает, например, десятые доли ампера, то мы вставим между зажимами нашего аппарата такой кусок проволоки или такую полосу, чтобы через рамку проходила только 1/100 доля всего измеряемого тока. Тогда, если стрелка показала 10 делений шкалы и если каждое деление соответствует одной десятой ампера, то мы скажем, что измеряемый ток будет 10 десятых, помноженные на 100, т. е. 10 ампер и т. д. Эти толстые проволоки или полосы, ответвляемые от зажимов рамки амперметра, называются шунтами; на фиг. 4 показано схематически включение шунта: аа′ зажимы, к которым подходят концы обмотки g рамки амперметра, S — шунт. Как видно, измеряемый ток у зажимов aa′ разветвляется на две части; одна, наименьшая идет в обмотку g, а другая часть через шунт S.  Благодаря шунту мы можем, следовательно, амперметром который, например, измеряет только сотые доли ампера, измерять десятки, сотни, тысячи и т. д. ампер, стоит только подобрать шунты так, чтобы через обмотку амперметра проходила сотая, тысячная, десятитысячная и т. д. доля измеряемого тока. б) Принцип конструкции гальванометра, основанного на взаимодействии тока и магнита, можно представить себе еще и в следующем виде: предположим, что у нас имеется неподвижная катушка АА с более или менее значительным числом оборотов проволоки (фиг. 5) и что в какой-нибудь точке вдоль оси этой катушки расположена магнитная стрелка ns.  Установим предварительно катушку так, чтобы плоскость ее (т. е. средняя плоскость, параллельная оборотам проволоки) совпадала с плоскостью магнитного меридиана (т. е. с плоскостью, проходящей через магнитные полюсы земного шара). Если мы пропустим ток через катушку, то действие ее на магнит ns будет сводиться к силе, стремящейся повернуть ns по направлению оси XX катушки, действие же земного магнетизма выразится силой, стремящеюся установить ось магнита ns по направлению плоскости YY магнитного меридиана, т. е. перпендикулярно к оси XX, следовательно, окончательно стрелка ns примет некоторое среднее положение ns, причем ns будет тем больше отклоняться от направления YY плоскости магнитного меридиана, чем сильнее будет действие катушки, т. е. чем сильнее будет через нее проходить ток; таким образом, о силе пропускаемого через катушку А тока можно судить по углу отклонения α стрелки ns от плоскости YY, перпендикулярной к оси XX. Если длина магнита ns весьма мала по отношению к диаметру средних оборотов проволоки катушки, то зависимость силы тока от угла отклонения α выражается весьма простой формулой, а именно можно принять, что сила тока |