3-9. Преобразование для измерений
Много есть приборов, которые отзываются и на постоянный, и на переменный ток: электромагнитные, электростатические, тепловые, электродинамические. Но приборы эти не так чувствительны, как магнитоэлектрические, и шкалы их не так равномерны. Магнитоэлектрический прибор имеет много ценных свойств. Одна беда — отзывается магнитоэлектрический прибор только на постоянный ток. Чтобы наперекор его «природе» использовать его все же для измерений переменного тока, специально превращают переменные токи в постоянные — ставят различного рода маломощные преобразователи.
Самые простые и дешевые — это выпрямители (вентили) из маленьких медных, покрытых закисью меди пластинок. Но выпрямительные свойства меднозакисных вентилей меняются с частотой тока, такие измерительные приборы не очень точны, а для весьма высоких частот они и вовсе не годятся.
Рис. 3-16. Схема включения миллиамперметра с термопреобразователем.
Чтобы точно мерить токи высокой частоты, часто применяют термопреобразователи рис. (3-16). К нихромовой проволочке приваривается тончайшая термопара. По проволочке пропускается высокочастотный ток. Проволочка нагревается сама и нагревает термопару. А та развивает постоянное напряжение, которое измеряется магнитоэлектрическим прибором. Грубые термопары требуют для нагрева нескольких десятых ампера, а чувствительные дают отклонение магнитоэлектрического прибора на полную шкалу при нескольких миллиамперах высокочастотного тока. Тонкую проволочку высокочастотный ток греет точно так же, как постоянный ток или ток низкой частоты. Поэтому прибор с термопреобразователем можно градуировать на постоянном токе.
У приборов с термопреобразователями шкала квадратичная, так как развиваемое в проволочке тепло пропорционально квадрату силы тока. Еще особенность термопреобразователей: они выдерживают лишь незначительную перегрузку. Достаточно в 2 раза превысить номинальное значение тока, и термопреобразователь сгорит.
Часто для измерений переменные токи выпрямляют при помощи электронных ламп. О ламповых измерительных приборах будет отдельный разговор.
Но не всегда для измерений переделывают переменные токи в постоянные. Бывает и так, что постоянный ток превращают в переменный. Это в тех случаях, когда подлежащее контролю постоянное напряжение очень мало. Его требуется предварительно усилить, а усиливать переменный ток легче, нежели постоянный.
3-10. Клещи для измерения силы тока
Рис. 3-17. Трансформатор тока в виде клещей для определения тока в проводниках без разрыва цепи.
Чтобы определить давление крови, нет надобности вскрывать артерию. Достаточно прижать ее снаружи через кожу резиновым баллоном, и по давлению воздуха в баллончике можно легко и безболезненно узнать кровяное давление.
Но вот количество жидкости, которое бежит по трубке, нельзя точно учесть, не затронув самого потока. Сила электрического тока в проводнике определяется количеством зарядов, проходящих в каждую секунду через поперечное сечение проводника. Но в отличие от токов жидкости или газа в трубе электрический ток можно измерять, и не забираясь внутрь проводника, не разрывая цепи проводника для включения амперметра. Электрический ток всегда связан с явлениями и процессами не только внутри самого проводника, но и вне его.
В пространстве вокруг проводника с током всегда возникают магнитные силы, и величина их является мерой силы тока в проводнике.
Удобно измерять, не разрывая цепи, переменный ток низкой частоты 50—60 Гц. Вокруг проводника с переменным током пульсируют магнитные силы. Если охватить проводник стальным сердечником, то в этом сердечнике возникнет переменный магнитный поток.
Можно сделать разъемный сердечник, чтобы он раздвигался, как клещи, и мог бы охватывать требуемый проводник (рис. 3-17). На раздвижном сердечнике укрепляется еще катушка — это вторичная обмотка. Она замыкается на измерительный прибор. Ток через этот прибор пропорционален переменному магнитному потоку в сердечнике, а следовательно, пропорционален и току в охваченном клещами проводнике. Можно проградуировать измерительный прибор так, чтобы по его шкале прямо прочитывать силу тока в охватываемом клещами проводнике.
Сердечник — клещи и измерительный прибор крепятся на длинных рукоятках из изоляционного материала. Поэтому можно безопасно измерять ток в проводнике, даже если этот проводник находится под напряжением в несколько тысяч вольт.
Рис. 3-18. Схема включения вольтметра с измерительным трансформатором напряжения.
Такие измерительные клещи удобны для контролеров, проверяющих нагрузки отдельных потребителей. Достаточно наложить клещи на ввод, чтобы установить потребление.
Правда, такой клещевой измеритель не дает столь высокой точности, какую можно получить от неразъемного трансформатора, выполняемого обычно с большим сечением стали (рис. 3-18 и 3-19).
3-11. Разные амперы и разные вольты
Когда по проводнику идет строго постоянный ток, то термин «один ампер» не нуждается ни в каком дальнейшем уточнении. Этот ток выделяет в секунду 0,001 г серебра из раствора, на сопротивлении в 1 Ом выделяет в секунду 0,24 кал, два длинных параллельных проводника, отстоящих на 1 см друг от друга и несущих одинаково направленные токи, притягиваются с силой, равной 4 Г на каждый сантиметр своей длины.
Если же ток переменный или пульсирующий, то недостаточно еще сказать, что сила его столько-то ампер. Надо еще условиться, какие это амперы.
Химическое действие тока прямо пропорционально его силе. Поэтому химическое действие тока, величина которого непрестанно меняется, такое же, как и действие строго постоянного тока, равного средней арифметической меняющегося тока. Но, проходя по металлическому проводнику, ток нагревает его пропорционально квадрату своей силы. Тепловое действие меняющегося тока будет такое же, как у строго постоянного тока, равного среднему квадратичному от тока меняющегося.
Для производства алюминия сначала применяли динамомашины, которые давали строго постоянный ток. Затем их повсеместно заменили ртутными выпрямителями, которые давали ток пульсирующий.
Рис. 3-19. Схема включения амперметра с измерительным трансформаторам тока.
Этот ток оказался «теплее», чем тот, что получался от динамомашин. При одной и той же силе, измеренной магнитоэлектрическим прибором, этот ток производит в электролитической ванне больше тепла.
Также и при измерении напряжения надо точно оговаривать, какие именно вольты меряются. Кривая напряжения может иметь сложную форму. Пробой между электродами определяется максимальным значением этой кривой. Для его измерения можно применить иногда разрядник, а если требуется большая точность или напряжение мало и разрядник неудобен, то можно применить пиквольтметр.
Статический прибор меряет среднее квадратичное значение напряжения — его действующее значение.
Самые сложные измерения приходится производить в радиотехнике, в радиолокации.
3-12. Движение на тормозах
Магнитные или электрические силы толкают подвижную систему измерительного прибора, двигают указатель — стрелку или зеркальце. С подвижной системой соединены гирьки или пружины, которые оттягивают ее обратно, Возвращают указатель в нулевое положение. Но мало того, к подвижной системе крепят еще тормоза. Редкие измерительные приборы строятся без тормозов.
Правда, не всякий тормоз годится для измерительного прибора. Сильное торможение создается сухим трением. Но нельзя допустить, чтобы подвижная система терлась обо что-нибудь. В измерительных приборах применяются лишь такие тормоза, у которых нет трения покоя, у которых сопротивление возникает лишь при движении. Замрет стрелка, и сопротивление тормоза прекращается. Но все-таки зачем эти тормоза вводят в прибор?
Указательная стрелка, которую гирька тянет к нулевому положению, — это маятник. Такой же маятник, как и в стенных часах. Указатель на пружине — это также маятник, только иной конструкции, такой, как в ручных или карманных часах.
Толкнет электрический ток подвижную систему измерительного прибора — и, если тормозов нет, она начнет качаться в точности как маятник. В часах долго качается маятник после одного-единственного толчка. Чем медленнее затухают колебания маятника, тем точнее ход часов. А в электроизмерительном приборе медленно затухающие качания указателя затрудняют точный отсчет. При включении измерительного прибора, у которого нет тормозов в подвижной системе, указатель будет двигаться, сначала ускоряясь, и по инерции неизбежно проскочит за то отклонение, которое соответствует измеряемой величине. Потом стрелка начнет возвращаться обратно и снова проскочит мимо положения равновесия. И так стрелка может колебаться долго, пока не замрет на должном делении (рис. 3-20,1).
При каждом новом изменении измеряемой величины указатель будет приходить в новое положение только после многих колебаний. Колебательная система имеет свою собственную, резонансную частоту колебаний. Если изменения измеряемой величины совпадут случайно с этой резонансной частотой, то подвижная система может очень сильно раскачаться и отсчет показаний просто станет невозможен.
В часах стремятся по возможности уменьшить затухание маятника, сделать систему как можно более колебательной, а в приборе для измерения электрических токов, напряжений, мощностей, наоборот, стремятся совсем лишить подвижную систему колебательных свойств, сделать ее апериодической. Вот для того-то, чтобы погасить колебания подвижной системы измерительного прибора, и крепят к ней тормоза или, как их еще называют, успокоители.
В хорошо успокоенном приборе стрелка сначала быстро движется, затем замедляется, без качаний подходит к нужному делению и замирает (рис. 3-20,2). Но если прикрепить к подвижной системе слишком сильные тормоза, если слишком сильно успокоить прибор, то движение стрелки чрезмерно замедлится. Она будет долгое время ползти, приближаясь к нужному отсчету (рис. 3-20, 3). И в этом случае отсчитывать показания также будет трудно.
Наилучшее успокоение такое, когда подвижная система измерительного прибора находится как раз на грани колебательного режима.
3-13. Вихри в воздухе и в металле
Тормоза в измерительных приборах строят на разные лады. Но при любой конструкции тормоз выполняет одну работу: поглощает энергию движения, превращает ее в тепло.
Часто к подвижной системе электрических измерительных приборов приделывают крылышки — воздушные тормоза. Чтобы увеличить сопротивление движению, крылышки помещают в трубки. Они ходят в трубках, как поршни. Но ни в коем случае нельзя допускать, чтобы эти поршни касались или даже только задевали стенки трубки. Подвижная система будет заедать, показания прибора станут неточными. Наличие большого трения покоя недопустимо. Крылышки ходят в трубке с зазором. При их движении в зазоре возникают воздушные вихри. Чем сильнее вихри, тем больше сопротивление движению. В вихрях и происходит превращение энергии движения в тепло. В некоторых случаях погружают крылышки в жидкость (масло, например). Масляные вихри тормозят движение при еще меньших скоростях. Но, как и воздушные тормоза, жидкостные действуют лишь при движении. Остановится подвижная система — и тормозящая сила исчезнет.
Рис. 3-20. Три кривые показывают движение стрелок различных вольтметров, когда к ним внезапно прикладывают постоянное по величине напряжение.
Первая кривая относится к прибору, подвижная система которого мало успокоена. Стрелка долго колеблется возле положения равновесия. Колебания стрелки медленно затухают.
Вторая кривая соответствует наилучшей величине успокоения. Стрелка быстрее всего приходит к положению равновесия.
Третья кривая описывается стрелкой прибора, у которого торможение чрезмерное. И в этом случае отсчет показаний затруднен.
Вместо вихрей в воздухе и в жидкости можно применить для торможения электронные вихри в металле.
Они тем сильнее, чем быстрее движется металл. Вихревые токи превращают энергию движения в тепло, создают требуемые тормозные усилия.
В магнитоэлектрических приборах таким тормозом часто является сам каркас, на котором намотана измерительная рамка. Каркас этот может быть выполнен в виде короткозамкнутого алюминиевого витка. Он пронизывается тем же постоянным магнитным потоком, что и измерительная обмотка. При движении рамки токи в короткозамкнутом витке успокаивают ее колебания.
Затухание магнитоэлектрических приборов зависит еще от того, на какое сопротивление замкнута сама измерительная обмотка. В измерительной обмотке при движении ее в магнитном поле, помимо основного измеряемого тока, наводятся еще индуктированные токи. Если сопротивление, через которое соединена измерительная обмотка с внешней цепью, велико, то эти наведенные токи очень малы и тормозного действия не оказывают. Сильнее всего наведенные токи тормозят подвижную систему при закорачивании измерительной обмотки. На некоторых типах гальванометров иногда указывается сопротивление, которое должно быть приключено к измерительной обмотке для получения лучшего успокоения.
Часто тормоз с вихревыми токами делают в виде плоского алюминиевого диска, который поворачивается внутри узкой щели между полюсами сильного магнита. В диске при движении возникает плоский электронный вихрь, который и создает тормозное усилие. Такие дисковые тормоза стоят решительно во всех электросчетчиках. Чем быстрее крутится этот диск, тем больше тормозная сила. Поэтому показания счетчика пропорциональны потребленной энергии. В большинстве счетчиков не только тормозная, но и движущая силы обеспечиваются вихревыми токами, взаимодействующими с электромагнитами переменного тока. Диск — самая теплая часть счетчика. Но вообще нагрев его очень невелик.
