Приветствую, Дорогие читатели! Я рад видеть Вас на моем канале. В прошлой статье мы разобрались с тем, что такое погрешности, для чего они нужны и какими они бывают. В этой статье я обещал рассказать об средствах измерения. Пристёгивайтесь, сразу предупреждаю, легко не будет (вру конечно, я всё объясню легко и просто). Начнем с того, что такое средства измерения и для чего они нужны. Глупый риторический вопрос. Для проведения измерений естественно. Средства измерения – электронные, механические или электро-механические приборы, с помощью которых можно производить измерения различных величин. Мы конечно же не будем рассматривать что-то вроде весов или барометров – это нам не нужно по профессиональным притязаниям.
Для нас главное производить контроль параметров электрических сигналов (о них мы подробно говорили здесь) и параметров электронных компонентов (об этом также говорили в одной из прошлых статей). Начнем с параметров электрических сигналов. Нам нужно измерять ток, напряжение, частоту, и, добавим сюда еще и мощность. Для измерения тока используется амперметр. Амперметр включается по пути следования тока, то есть последовательно в цепь.
Ну вот, включили мы амперметр в эту цепь и что дальше? Снимаем показания и анализируем, находим погрешность измерения.
Амперметры – не универсальные приборы, то есть мы не можем «воткнуть» любой амперметр в цепь с постоянным или же с переменным током и они покажут нам точное значение. Нет, существуют амперметры для работы с переменным током и амперметры для работы с постоянным или выпрямленным током (в следующей статье поговорим о полупроводниковом диоде и выпрямителях, думаю, время пришло).
Для измерения падения напряжения на компонентах и участках цепи используются вольтметры. Вольтметры включаются параллельно измеряемому участку цепи.
Рассмотрим еще средство измерения мощности, и, думаю хватит, с остальным как-нибудь позже. Однажды преподаватель спросил моего товарища что измеряет ваттметр и тот в шутку ответил «ватность». Так вот, ваттметром измеряется мощность. Для этого, конечно же определяется ток и напряжение, а ваттметр, соответственно имеет четыре клеммы.
Итак, вот они – те приборы с которыми мы будем сегодня знакомиться: амперметр, вольтметр и прибор для измерения ватности ваттметр. Это была классификация по измеряемым величинам.
Прежде чем перейдем к рассмотрению типов, сделаю оговорку: если прибор прошёл поверку – то это измерительный прибор, он имеет класс точности (связан с приведенной погрешностью), его показаниям мы доверяем на сто процентов. Если же срок поверки прибора закончился или он вообще поверку не проходил, то такой прибор называют индикатором. Мы, в основном, работаем с индикаторами (ну если конечно у вас не позаимствованный с завода поверенный прибор).
Продолжим. О типах приборов. То есть классифицируем измерительные приборы по их строению и принципу работы. Рассмотрим основные типы: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и индукционные.
Электромагнитный прибор представляет собой катушку индуктивности, через которую пробегает измеряемый ток. Катушка намотана на полом каркасе в который при протекании через катушку тока затягивается сердечник из магнитомягкого материала. К сердечнику приделана стрелка. Для того, чтобы стрелка возвращалась в исходное, нулевое, положение после того как «кина не будет – электричество выключили», к стрелке приделана возвратная пружина. Смотрим на рисунок:
Давайте, чтоли рассмотрим физику процессов, протекающих на рисунке 5. По катушке индуктивности потек ток I, вокруг проводника с током конечно же образуется магнитное поле. Ну а про вектор магнитной индукции Bи про магнитный поток Ф мы говорили в одной из прошлых статей. Итак, посредством магнитного поля сердечник втягивается в катушку и стрелка показывает на шкале значение измеряемой величины. Как-то без формул не солидно, не находите? Определим зависимость отклонения стрелки по шкале от силы тока, протекающего через катушку. Самое «любимое», энергия магнитного поля катушки:
Разбираемся что и откуда здесь взялось. Индуктивность – коэффициент между магнитным потоком и током через провод катушки. Что такое энергия объяснять, наверное, не буду. Вспоминаем «чему я Вас учил») А именно: 1 Гн=1 Ом*с/м. А так как энергия – это работа:
Таким образом, ток I, протекающий по катушке с воздушным сердечником (мю=1), с площадью поперечного сечения S и количеством витков N отдает энергии в поле столько, сколько требуется для того, чтобы магнитный поток имел значение Ф. А как же отклонение стрелки? Очень просто: не забываем про «мю» сердечника. Под действием магнитного поля сердечник будет втягиваться в катушку, изменяя её индуктивность. Тогда у нас стрелка будет с изменением энергии поворачиваться на угол a. Такое изменение назовем вращающим моментом. Не пугайтесь, будет «дэ»:
Дэ-Е-по-дэ-альфа означает изменение энергии от угла, то есть маленький кусочек энергии изменится при повороте стрелки на альфа градусов, ну или столько энергии нужно вложить в магнитное поле, чтобы повернуть стрелку на угол альфа.
Теперь учтем энергию противодействующих пружинок, ведь они будут воздействовать на механизм постоянно, и лишь при отсутствии тока сбросят стрелку в «нуль». И как нам получить формулу, которая свяжет формулу (3) и формулу (1)? Вспоминаем физику, а именно Третий закон Исаака, который Ньютон: объект находится в покое или движется равномерно, когда сила действия равна силе противодействия. Нам нужно, чтобы стрелка достигла на шкале точного значения измеряемой величины и остановилась, а не бегала по ней как в часах. Отсюда получим, что при отклонении на угол альфа стрелка создаст противодействующий момент пружинок, которые отдадут на его формирование энергию Е’ под действием удельного противодействующего момента W.
Итак, ток через катушку пропустили – создали действие, магнитное поле появилось, втянуло в катушку сердечник, под действием внешней силы пружины сжались, то есть «впитали» энергию и начинают возвращаться в исходное состояние – создают противодействие. В один прекрасный момент противодействие сравнялось с действием и стрелка остановилась, указывая на шкале измеренное значение. В этот момент значение вращающего момента становится равно противодействующему моменту:
Выводим альфа:
Странно, скажете Вы, искали формулу, по которой найдем отклонение стрелки от тока в катушке, а получается, что это самое отклонение зависит от своей же величины. Не совсем всё так: во втором сомножителе учитывается приращение индуктивности при повороте на угол альфа. В общем, долго и нудно, но формулу вывели. А теперь подумаем, где такие приборы могут применяться. Могут они использоваться как в качестве амперметров, так и в качестве вольтметров. Так как отклонение стрелки пропорционально квадрату тока, то шкала прибора будет неравномерной: суженной от начала и уширяющейся к концу. Также, раз зависимость квадратическая, то и отображает прибор среднеквадратическое значение, то есть его можно использовать как для измерения постоянных токов и напряжений, так и для переменных.
Рассмотрим следующий тип приборов – магнитоэлектрический. Здесь также есть рамка с током, также есть вектора магнитной индукции, вот только рамка, то есть катушка, закреплена на стрелке, а вращение происходит за счет взаимодействия с магнитным полем постоянного магнита, в зазор, между полюсами которого помещена катушка. Смотрим на рисунок 6.
Итак, мы подаем ток в катушку. Ток побежал по виткам и создал магнитный поток Ф, который содержит в себе до неприличия много векторов магнитной индукции В. Таким образом у граней рамки создается магнитное поле определенной полярности. Но ведь постоянный магнит тоже имеет свои полюса? Конечно же да. А дальше всё просто как в компасе: противоположные полюса стараются притянуться и, чтобы стрелка не показала нам максимальное значение измеряемой величины, ей нужно создать противодействие в движении. Установим пружинки, а чтобы механизму было удобнее работать изолируем их от корпуса и ток в катушку пустим через них. Неплохая идея: ни лишних проводов, ни проблем с ними.
Ну что, выводим формулу отклонения стрелки? По катушке с индуктивностью L течет ток I, при этом магнитный поток пропорционален этому току, так как индуктивность катушки неизменна, то есть зависимость не квадратическая. Вспомним формулу (1) и интерпретируем с привлечением магнитного потока:
Ага, теперь учтем взаимодействие с внешним полем, то есть с полем постоянного магнита. Какую величину будет иметь это взаимодействие? Оно будет равно сумме воздействий со стороны магнита и электромагнита, то есть:
Не забываем про пружинки. Как определяется противодействующий момент мы уже знаем из формулы (4). Также знаем про силу действия и противодействия:
Почему в формуле (8) мы не учитывали угол альфа? Всё просто: в случае электромагнитного прибора у нас происходит преобразование линейного перемещения сердечника в перемещение стрелки, здесь же у нас зависимость перемещений линейная, то есть перемещение рамки с током относительно магнита – это и есть отклонение стрелки на угол альфа. Итак, выводим альфа:
Готово. Зависимость линейная – шкала равномерная. Приборы с магнитоэлектрической системой могут применяться в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока. Если включим в цепь с переменным током, то стрелка будет дергаться возле нуля.
Идем дальше, осталось изучить немного. Переходим к рассмотрению электродинамических приборов. Представьте, что у магнитоэлектрического прибора постоянный магнит заменили электромагнитом. Смотрим на рисунок 7.
Теперь наш прибор имеет четыре клеммы. А это значит «как вы яхту назовете, так она и поплывет», назовем амперметром или вольтметром – соединим катушки между собой, назовем ваттметром – не будем соединять катушки, а включим в цепь одну – последовательно, вторую – параллельно. Конечно же без формул никуда. По сути, в электродинамическом приборе мы объединили свойства электромагнитного с магнитоэлектрическим. От электромагнитного мы берем вращательное действие, от магнитоэлектрического – принцип взаимодействия между полями катушек. Разбираемся, какая энергия отдается полю:
Я специально не стал расписывать третью составляющую (первые две – вклад в поле подвижной и неподвижной катушек). E3 – составляющая, получаемая при взаимодействии катушек, то есть с учетом их взаимной индуктивности:
Теперь учтем, что под Lвзаим понимается «сумма взаимодействий катушек друг на друга», то есть, под действием поля неподвижной катушки, в подвижной происходит изменение индуктивности на L21. Равнозначное воздействие оказывается подвижной катушкой на неподвижную, в результате получаем изменение индуктивности на L12. «Обзовём» эту индуктивность буквой L’ и запишем формулу (11) как положено:
Взаимную индуктивность принято обозначать буквой М:
Итак, поворот стрелки обеспечивается изменением взаимной индуктивности, то есть это наше действие. А значит вращающий момент имеет вид изменения третьей составляющей формулы (14) относительно угла:
Ну а теперь – противодействие, учитываем пружинки:
Выражаем альфа:
Теперь смотрим: режим амперметра – катушки включаем последовательно, ток первой равен току второй, а значит зависимость угла поворота стрелки от тока квадратическая. То есть для тока I получим следующую формулу:
Для того, чтобы использовать прибор в режиме вольтметра рассмотрим катушки индуктивности как нагрузку:
Здесь мы представили ток в виде отношения напряжения к сопротивлению, при этом учли активное сопротивление катушек и реактивное сопротивление. Таким образом, из формул (18) и (19) мы понимаем, что шкала электродинамического прибора такая же неравномерная, как и у электромагнитного и может использоваться прибор для измерений как в цепях постоянного, так и переменного тока. Для измерения мощности учтем ток одной катушки и падение напряжения на клеммах второй:
С электродинамическими приборами вроде разобрались. Это маленький шаг для студента и большой для науки. Идем дальше: индукционные приборы. К ним мы вернемся, когда будем изучать устройство счетчика электроэнергии. Будет это не скоро, но там мы разберем устройство и принцип работы также подробно. А пока что всё. В этой статье мы подробно рассмотрели такие измерительные приборы, как амперметр, вольтметр и ваттметр и схемы их включения. Также мы рассмотрели несколько типов индуктивных измерительных приборов, вывели уравнения шкалы для каждого из них.
Надеюсь, эта статья поможет Вам в учебе. Я постарался объяснить всё сложное простыми словами, а всё простое – ещё более простыми. В следующей статье мы разберемся что такое диод. Спасибо что читаете! Удачи!
