Электроника:Постоянный ток/Измерения в электрических цепях постоянного тока/Что такое измеритель?

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Что такое измеритель?[1]

Измеритель (счётчик, контрольно-измерительный прибор, дозиметр, расходомер и прочие синонимы, которые будут использоваться в дальнейшем тексте) представляет собой любое устройство позволяющее, точно фиксировать и отображать количественные характеристики электричества в форме, понятной человеку. Как правило, эта «понятная форма» имеет визуальную природу: то ли это движение стрелки вдоль шкалы, или же серия ламповых сигналов, образующих «гистограмму», а иногда и некое отображение, состоящее из цифр. При анализе и тестировании электрических цепей используются специальные счётчики для точного измерения основных величин напряжения, силы тока и сопротивления. Счётчиков самого разного типа и предназначения существует немало, но в этой главе в основном рассматривается конструкции и функции трёх основных.

Большинство современных счётчиков имеют «цифровой» дизайн, то бишь, какие-то цифры выводятся на читаемый дисплей. Морально устаревшие образцы являются механическими по своей природе, обычно в них используется некий стрелочный механизм, который количественно отображает результаты измерений. В любом случае фундаментальные принципы одни и те же, которые применяются в этих устройствах для отображения замеров напряжения, силы тока или сопротивления.

Что такое движитель?

Когда речь идёт о механизме для отображения замеров контрольно-измерительного прибора, часто используется такое понятие как движитель. Использование в таком контексте – наследие тех времён, когда работа измерителей строилась на чистой механике. Механизм физически перемещал указатель вдоль шкалы, что позволяло буквально читать измеренное значение, на которое указывала стрелка. Хотя современные цифровые счётчики уже не имеют движущихся частей, термин «движитель» употребляется для базового устройства, которое выполняет функцию отображения замеров.

Электромагнитный измерительный движитель

Проектирование современных цифровых «механизмов» выходит за рамки этой главы, но конструкция механических измерительных движителей просто и понятна. Большинство механических движений происходит за счёт принципа электромагнетизма: электрический ток проходит через проводник и создает магнитное поле, перпендикулярное оси протекания тока. Чем больше сила тока, тем магнитное поле сильнее. Если магнитное поле, сформированное проводником, имеет возможность взаимодействовать с другим магнитным полем, между двумя источниками полей возникает физическая сила. Если один из этих источников может свободно перемещаться по отношению к другому, перемещение будет происходить по мере того, как через провод будет проходить ток, причём усилие, за счёт которого происходит данное движение (обычно, направленное против сопротивления пружины) будет пропорционально силе тока.

Первые измерительные механизмы известны как гальванометры и обычно создавались с учётом максимальной чувствительности. Очень простой гальванометр может быть сделан из намагниченной иглы (вроде стрелки от компаса), подвешенной над катушкой с проволокой. Ток через катушку с проволокой создаёт локальное магнитное поле, которое отклоняет стрелку в направлении магнитного поля Земли. Старинный струнный гальванометр показан на следующей фотографии:

Рис. 1. Старинный струнный гальванометр.
Рис. 1. Старинный струнный гальванометр.

Такие инструменты были полезны в старые добрые времена, но в современном мире они уже давно морально устарели и годятся разве что для учебных целей (поверка и демонстрация концепций работы элементарных экспериментальных устройств). Они чересчур восприимчивы к любому движению и к любым возмущениям в естественном магнитном поле Земли. Термин «гальванометр» обычно применяется к любой механической конструкции, которая измеряет электромагнитные характеристики, обладающей повышенной чувствительностью, и не обязательно представляющей собой столь грубый механизм, подобный тому, что показано на предыдущем фото. Механические движения внутри электромагнитного счётчика выполняются, когда поворотная катушка с проволокой подвешена в сильном магнитном поле, защищённом от внешних воздействий. Такой механизм известен как движитель с постоянным (т.е. неподвижным) магнитом и подвижной катушкой или ПМПК-движитель:

Рис.2. Счётчик, являющийся движителем с подвижной катушкой и неподвижным магнитом.
Рис.2. Счётчик, являющийся движителем с подвижной катушкой и неподвижным магнитом.

На этом рисунке стрелочка отсчитала примерно 35% от полной шкалы, при этом ноль находится на левом конце дуги, а максимальное значение – на правом. Увеличение силы тока приводит к тому, что указатель перемещается вправо, уменьшение приводит к тому, что указатель возвращается к своей точке покоя слева. Дуга на дисплее отмечена числами, показывая значение измеряемой величины, какой бы она ни была. Другими словами, если прибор рассчитан на максимальную силу тока в 50 мкА, то при максимуме стрелка будет вывернута полностью вправо (т.е. «полное передвижение на 50 мкА»), на шкале будет отмечено 0 мкА на левом конце, 50 мкА на правом и 25 мкА в середине шкалы. Скорее всего, шкала будет разделена на более мелкие градуированные отметки, вероятно, с шагом 5 или 1 мкА, чтобы тот, кто наблюдает за движением стрелки, мог снимать более точные показания. Движитель имеет пару металлических клемм (обычно они находятся на задней панели прибора) для входа и выхода тока. Большинство измерителей чувствительны к полярности: одно направление тока перемещает стрелку вправо, а другое - влево. У некоторых приборов стрелка расположена по центру пружины в середине развёртки шкалы, а не слева, что позволяет проводить измерения любой полярности:

Рис. 3. Движитель с нулевым центром позволяет определять не только силу тока, но и его полярность.
Рис. 3. Движитель с нулевым центром позволяет определять не только силу тока, но и его полярность.

Стандартные чувствительные к полярности механизмы сделаны на основе конструкции д'Арсонваля/Вестона, они относятся к типу ПМПК-движителей. Ток, протекающий по проводу в одном направлении, создаёт на игольчатом механизме крутящий момент по часовой стрелке, а если ток течёт в противоположном направлении, то создаётся крутящий момент против часовой стрелки.

Некоторые измерительные движители чувствительны к полярности за счёт поворота незамагниченного подвижного железного ползунка по направлению к стационарной, токонесущей проволоке, что и приводит к отклонению стрелки. Такие счётчики идеально подходят для измерения постоянного тока. Если замерять переменный ток, то чувствительный к полярности движитель будет просто дёргаться взад-вперёд, что делает такое измерение бесполезным.

Электростатический измерительный движитель

У большинства механических измерительных движителей механизм основан на электромагнетизме (ток течёт по проводнику и создаёт магнитное поле, отклоняющее стрелку). Но есть и движители, принцип действия которых основан на электростатике, то есть за счёт сил притяжения/отталкивания, создаваемыми электрическими зарядами, разнесёнными друг от друга на некоторое расстояние. Здесь то же явление, которое возникает при трении друг о друга некоторых материалов (таких как воск и шерсть). Если напряжение приложено между двумя проводящими поверхностями через воздушную прослойку, возникает физическая сила, притягивающая две поверхности друг к другу, что позволяет привести в движение какой-то индикаторный механизм. Эта физическая сила прямо пропорциональна напряжению, возникающей между пластинами, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между пластинами. Возникающая в таких условиях сила не зависит от полярности, что делает данный тип движителя нечувствительным к полярности:

Рис.4. Движитель электростатического счётчика.
Рис.4. Движитель электростатического счётчика.

Увы, но возникающая сила, создаваемая электростатическим притяжением, недостаточна если речь идёт об обычном напряжения. Фактически, настолько мала, что подобные конструкции непрактичны для использования в обычных измерительных приборах. Поэтому электростатические движители используются для измерения очень высоких напряжений (многие тысячи вольт, что создаёт достаточную силу притяжения). Но основное преимущество таких движителей в том, что они имеют чрезвычайно высокое сопротивление, тогда как электромагнитные движители (которые зависят от протекания тока через провод для создания магнитного поля) имеют гораздо меньшее сопротивление. Как мы увидим далее, большее сопротивление (приводящее к меньшей силе тока, которая тратится в тестируемой цепи для измерительного прибора) делает вольтметр более точным.

Электронно-лучевая трубка

Знаете, где больше всего применяются измерения электростатического напряжения? В устройстве, известном как электронно-лучевая трубка или ЭЛТ. Это специальные стеклянные трубки, разновидностью ЭЛТ являются кинескопы для телевизоров. В электронно-лучевой трубке пучок электронов, движущихся в вакууме, отклоняется от своего курса под действием напряжения между парами металлических пластин по обе стороны от пучка. Поскольку электроны заряжены отрицательно, они, как правило, отталкиваются от отрицательной пластины и притягиваются к положительной. Изменение полярности напряжения на двух пластинах приводит к отклонению электронного луча уже в противоположном направлении, что делает этот тип измерителя чувствительным к полярности:

Рис.5. Чувствительное к полярности движение электронов в электронно-лучевой трубке.
Рис.5. Чувствительное к полярности движение электронов в электронно-лучевой трубке.

Электроны, имеющие гораздо меньшую массу, чем металлические пластины, очень быстро и легко перемещаются под действием этой электростатической силы. Отклонение траектории можно проследить, когда электроны сталкиваются со стеклянным экраном трубки, где они сталкиваются с покрытием из фосфорного химического вещества, испуская свечение, видимое за пределами трубки. Чем больше напряжение между отклоняющими пластинами, тем дальше электронный луч будет отклоняться от своего прямого пути, и тем дальше от центра окажется светящееся пятно на экране.

Рис. 6. Фотография электронно-лучевой трубки.
Рис. 6. Фотография электронно-лучевой трубки.

В реальном ЭЛТ, что на фотографии выше, две пары отклоняющих пластин, а не одна пара. Это для того, чтобы электронный луч можно было направить в любую точку экрана, а не только по прямой линии, т.е. луч отклоняется в более чем одном измерении.

Хотя эти трубки способны точно регистрировать небольшие напряжения, они громоздки и немало требуют электроэнергии для своей работы (в отличие от электромагнитных измерительных механизмов, которые гораздо компактнее и приводятся в действие силой самого измеряемого тока, проходящего через эти приборы). К тому же они (трубки) очень хрупкие, в отличие от других разновидностей приборов для учёта электроэнергии. Обычно электронно-лучевые трубки используются в сочетании с внешними электрическими цепями, в результате чего получается достаточно крупное испытательное оборудование, известное как осциллограф. Который может отображать изменения напряжения во времени в виде графика, что является чрезвычайно полезным инструментом для определённых типов цепей, где напряжение и/или текущие уровни динамически меняются.

Шкала полной индикации

Независимо от типа счётчика или размера его движителя, чтобы определить границы полной шкалы, необходимо выяснить номинальное значение для напряжения и/или силы тока. Для электромагнитных движителей нужно определить «ток полного отклонения», при котором стрелка отклонится настолько, чтобы она указывала на конечный сектор шкалы индикации. Для электростатических движителей нужно значение напряжения, при котором стрелка максимально отклоняется, если приближать/отдалять пластины (в случае с ЭЛТ нужно определить значение напряжения, при котором электронный пучок отклоняется к самому краю экрана). Для цифровых «движителей» это величина напряжения, приводящая к переполнению счётчика на числовом дисплее: т.е когда цифры не могут отобразить большее значение.

Задача разработчика измерителя состоит в том, чтобы взять движитель конкретного типа и спроектировать необходимую внешнюю схему для полной индикации при некотором заданном значении напряжения или тока. Большинство измерительных движителей (за исключением электростатических) очень чувствительны и дают полную шкалу только если вольтов или амперов будет немного. Для большинства задач где нужно измерить напряжение и силу тока это непрактично. В реально возникающих проблемах чаще требуется счётчик, способный измерить высокое напряжения и большую силу тока.

Расширить полезный диапазон измерения можно, встроив движитель в схему делителя напряжения или тока. Для этой цели могут быть использованы прецизионные резисторы, о чём будет рассказано далее. Один из важных уроков, который вы извлечете из этой главы, - как спроектировать подобные схемы делителя напряжения.

Итог

  • «Движитель» – под этим понятием мы подразумеваем механизм для отображения считываемых электрических характеристик в измерительном приборе.
  • Электромагнитные движители работают за счёт магнитного поля, создаваемого электрическим током, который течёт по проводнику. Есть различные по своему принципу действия движители измерительных приборов, например, конструкция д'Арсонваля/Вестона или конструкция с железным ползунком.
  • Электростатические движители работают за счёт физической силы притяжения/отталкивания, создаваемой электрическим полем между парами пластин.
  • Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) используют электростатическое поле для изменения траектории электронного луча, обеспечивая индикацию конечного положения луча с помощью световых сигналов, создаваемых при попадании луча на экран стеклянной трубки.

См.также

Внешние ссылки