Стрелочные электроизмерительные приборы

Простые пробники и измеритель RCL, о которых я здесь рассказал, это только часть приборов самой первой необходимости. А как быть с измере­ниями токов и напряжений, без чего нельзя проверить и установить нужный режим работы аппаратуры, с измерением параметров транзисторов, чтобы знать их усилительные свойства? Для таких и ряда других измерений потре­буете» стрелочный измерительный прибор.

Ты хорошо знаешь, что токи измеряют амперметрами, миллиампермет­рами, или микроамперметрами, напряжения — вольтаметрами, а то и милли­вольтметрами. Несмотря на различия в наименованиях, все эти приборы работают принципиально одинаково: отклонение стрелки показывает, что через прибор течет ток. Чем больше ток, тем больше отклонение стрелки прибора А, шкалу прибора, в зависимости от того, для каких измерений он приспо­соблен, градуируют соответственно, в амперах, миллиамперах, вольтах. Такой же прибор можно использовать и в омметре — приборе для прямого (а не косвенного, как в измерителе RCL) измерения сопротивлений цепей, ре­зисторов.

Существует несколько систем стрелочных приборов: электромагнит­ные, магнитоэлектрические, электродинамические. Для ра­диотехнических же измерений применяют главным образом приборы магнито­электрической системы, обладающие по сравнению с приборами других систем рядом преимуществ, в том числе высокой чувствительностью, большой точ­ностью результатов измерений и равномерностью шкал.

Чтобы лучше уяснить принцип работы электроизмерительного прибора такой системы, предлагаю провести опыт с моделью этого прибора. Ее конструкция показана на рис. 225. Из тонкого картона вырежь две полоски шириной 12—15 мм и склей из них рамки: квадратную со сторонами длиной 20 мм и прямоугольную со сторонами 30 и 40 мм. Чтобы углы рамки были прямыми, картон с наружной стороны изгибов надрежь ножом. В квадратную рамку вставь ось — швейную иглу длиной 40 мм, проколов ею противополож­ные стороны рамки. Намотай на эту рамку 150 — 200 витков провода ПЭЛ или ПЭВ 0,15 — 0,25, уложив их равными частыми по обе стороны от оси. Чтобы витки не сползали, готовую катушку скрепи кусочками изоляционной ленты или липкой бумаги.

Один конец провода длиной 5 — 6 см получившейся катушки с предвари­тельно удаленной эмалью намотай на иглу и закрепи в ушке. Другой конец такой же длины пропусти петлей через проколы в каркасе и сверни спиралью. В средней части верхней стороны второй рамки закрепи полоску жести, предварительно сделав в ней небольшое углубление для тупого конца иглы; она же будет служить и выводным контактом катушки. Второй, спиралевид­ный конец провода катушки припаяй к жестяной скобке, обжимающей край картона нижней стороны рамки. Изгибая витки спирали, установи катушку так, чтобы ее плоскость была параллельна плоскости внешней рамки. Легко вра­щаясь на оси в обе стороны, катушка под действием пружинящей спирали должна возвращаться в исходное положение.

Помести катушку между полюсами подковообразного магнита и подключи к ней через лампу карманного фонаря батарею 3336Л. Образуется электри­ческая цепь. Лампа загорится, а магнитное поле тока в катушке, взаимодей­ствуя с полем магнита, заставит повернуться ее на некоторый угол. Чем меньше ток в катушке, тем меньше угол поворота катушки. В этом нетрудно убедиться, включая последовательно в цепь катушки куски проволоки сопро­тивлением в несколько ом. Измени включение полюсов батареи на обратное или переверни магнит. Теперь катушка будет поворачиваться в противополож­ном направлении.

К рамке катушки можно приклеить легкую стрелку, а к магниту — полоску плотной бумаги с делениями. Получится модель, с помощью которой можно грубо измерять постоянный ток. А если в цепь включить диод, модель будет реагировать и на переменный ток.

Устройство стрелочного прибора магнитоэлектрической системы — прибо­ров типа М24 и М49 — показано на рис. 226. Измерительный механизм при­бора состоит из неподвижной магнитной системы и подвижной части, связан­ной с отсчетным приспособлением. В магнитную систему входят постоянный магнит 2 с полюсными наконечниками 3 и цилиндрический сердечник 10. Полюсные наконечники и сердечник изготовлены из магнитно-мягкого материала («мягкими» называют сплавы железа, обладающие малым магнитным сопро­тивлением, но сами не намагничивающиеся). Воздушный зазор между полюс­ными наконечниками и сердечником везде одинаков, благодаря чему в зазоре

образуется равномерное магнитное поле, что является обязательным условием для равномерности шкалы.

Подвижная часть механизма прибора состоит из рамки 11, двух кернов — полуосей 5 рамки, двух плоских спиральных пружин 8 и стрелки 1 отсчетного приспособления с противовесами Р. Рамка представляет собой катушку, намотанную изолированным медным или алюминиевым проводом на прямоуголь­ном каркасе из тонкой бумаги или фольги (рамки приборов особо высокой чувствительности бескаркасные). Керны служат осью вращения рамки. Для уменьшения трения концы подпятников 4, на которые опираются керны, выполняют из полудрагоценных камней. Керны прикреплены к рамке с помощью буксов.

Спиральные пружины, изготовляемые обычно из ленты фосфористой бронзы, создают противодействующий момент, который стремится возвратить рамку в исходное положение при ее отклонении. Они, кроме того, используются и как токоотводы. Наружный конец одной из пружин скреплен с корректором.

Корректор, состоящий из эксцентрика 6, укрепленного на корпусе прибора, и рычага 7, соединенного с пружиной, служит для установки стрелки прибора на нулевое деление шкалы. При повороте эксцентрика поворачивается и рычаг, вызывая дополнительное закручивание пружины. Подвижная часть механизма при этом поворачивается, и стрелка отклоняется на соответствующий угол.

Электроизмерительный прибор этой системы, как и его модель, которую, надеюсь, ты испытал, работает следующим образом. Когда через рамку течет ток, вокруг нее образуется магнитное поле. Это поле взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего рамка вместе со стрелкой поворачи­вается, отклоняясь от первоначального положения. Отклонение стрелки от нулевой отметки будет тем большим, чем больше ток в катушке. При пово­роте рамки спиральные пружины закручиваются. Как только прекращается ток в рамке, пружины возвращают ее, а вместе с нею и стрелку прибора в нулевое положение.

Таким образом, прибор магнитоэлектрической системы является не чем иным, как преобразователем постоянного тока в механическое усилие, повора­чивающее рамку. О величине этого тока судят по углу, на который под его воздействием смогла повернуться рамка.

Основных электрических параметров, по которым можно судить о возмож­ном применении прибора для тех или иных измерений, два: ток полного отклонения стрелки, т. е. наибольший (предельный) ток, при котором стрелка отклоняется до конечной отметки шкалы, и сопротивление рамки при­бора Rи. О первом параметре при­бора обычно говорит его шкала. Так, например, если на шкале напи­сано мкА (микроамперметр) и возле конечной отметки шкалы стоит чис­ло 100, значит, ток полного откло­нения стрелки равен 100 мкА (0,1 мА). Такой прибор можно включать только у ту цепь, ток в которой не превышает 100 мкА. Больший ток может повредить при­бор. Величину второго параметра Rи необходимого при расчете кон­струируемых измерительных при­боров, часто указывают на шкале.

Для комбинированного измерительного прибора, который я буду рекомен­довать для твоей измерительной лаборатории, потребуется микроамперметр на ток 100 — 500 мкА, желательно с большой шкалой, например такой, как М24. Чем меньше ток, на который он рассчитан, и больше шкала, тем точнее будет конструируемый на его базе измерительный прибор.

Как узнать систему данного прибора, не разбирая его? Для этого доста­точно взглянуть на условный знак на шкале. Если он изображает подково­образный магнит с прямоугольником между его полюсами, значит, прибор магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой. Рядом с ним еще знак, указывающий положение прибора, в котором он должен находиться при изме­рениях. Если не придерживаться этого указания, то прибор будет давать неточные показания.

Эти и некоторые другие условные обозначения на шкалах приборов изображены на рис. 227. Так, например, прибор М24, внешний вид которого показан на рис. 226, является микроамперметром (обозначение мкА) и рассчитан для измерения постоянных токов не более чем до 100 мкА, т.е. до 0,1 мА. Сопротивление его рамки, судя по надписи на шкале, 720 Ом. Именно такой микроамперметр я и буду рекомендовать для твоего комбинированного изме­рительного прибора. Если такой микроамперметр использовался ранее как миллиамперметр, то на его шкале была бы надпись тA, как амперметр — буква А, как вольтметр — буква V.

Еще раз подчеркиваю: независимо от внешнего вида и названия механизмы и принципы работы этих приборов совершенно одинаковы и отличаются они один от другого в основном только токами, при которых их стрелки откло­няются на всю шкалу. Если магнитоэлектрический прибор используют для измерения сравнительно больших токов, например в амперметре, параллельно рамке присоединяют резистор, называемый шунтом (рис. 228, а). Сопротивление шунта Rш подбирают таким, чтобы через него шел основной ток, а через измерительный прибор ИП — только часть измеряемого тока. Если из такого прибора удалить шунт, то предельный ток, который можно будет им измерять, уменьшится.

В том случае, когда магнитоэлектрический прибор используют в вольт­метре, последовательно с его катушкой включают добавочный резистор Rд (рис. 228, б). Этот резистор ограничивает ток, проходящий через прибор, повышая общее сопротивление прибора.

Шунты и добавочные резисторы могут находиться как внутри корпусов приборов (внутренние), так и снаружи (внешние). Чтобы амперметр, миллиамперметр или вольтметр превратить в микроамперметр, иногда достаточно изъять из него шунт или дополнительный резистор.

Именно такой, бывший в употреблении прибор магнитоэлектрической системы может оказаться в твоем распоряжении. И если его основные пара­метры Iи и Ra неизвестны, то измерить их придется самому. Для этого потребуются: гальванический элемент 332 или 343, образцовый (т.е. эталонный) миллиамперметр на ток 1—2 мА, переменный резистор сопротивлением 5 — 10 кОм и постоянный резистор, сопротивление которого надо рассчитать. Постоянный резистор (назовем его добавочным) нужен для ограничения тока в измерительной цепи, в которую будешь включать неизвестный прибор. Если такого резистора не будет, а ток в измерительной цепи окажется значительно больше тока Iи проверяемого прибора, то его стрелка, резко отклонившись за пределы шкалы, может погнуться. Если ток очень велик, то может даже сгореть обмотка рамки.

Сопротивление добавочного резистора рассчитай, пользуясь законом Ома. Поначалу, в порядке страховки, полагай, что /и проверяемого прибора не превышает 50 мкА. Тогда при напряжении источника питания 1,5 В (один элемент) сопротивление этого резистора должно быть около 30 кОм (R =1,5/0,05 мА= 30 кОм).

Проверяемый измерительный прибор ИП образцовый миллиамперметр ИП0, переменный регулировочный резистор Rp и добавочный резистор Rд соедини последовательно, как показано на рис. 229. Проверь, нет ли ошибок полярности соединения зажимов приборов. Движок резистора Rp поставь в положение наибольшего сопротивления (по схеме — в крайнее нижнее) и только после этого включай в цепь элемент Э — стрелки обоих приборов должны отклониться1 на какой-то угол. Теперь постепенно уменьшай введенное в цепь сопротивление переменного резистора. При этом стрелки приборов

будут все более удаляться от нулевых отметок их шкал. Заменяя добавочный резистор Rд резисторами меньшего номинала и изменяя сопротивление пере­менного резистора, добейся в цепи такого тока, при котором стрелка прове­ряемого прибора установится точно против конечной отметки шкалы. Значе­ние этого тока, отсчитанное по шкале образцового миллиамперметра, и будет параметром I/н, т. е. током полного отклонения стрелки неизвестного прибора. Запомни его значение.

Теперь измерь сопротивление рамки. Сначала, как и при измерении пара­метра /н, переменным резистором установи стрелку проверяемого прибора на конечную отметку шкалы и запиши показание образцового миллиампер­метра. После этого подключи параллельно проверяемому прибору переменный резистор сопротивления 1,5 — 3 кОм (на рис. 229 он показан штриховыми линиями и обозначен Кш). Подбери такое его сопротивление, чтобы ток через прибор ИПп уменьшился вдвое. При этом общее сопротивление цепи умень­шится, а ток в ней увеличится. Резистором Rp установи в цепи (по милли­амперметру) начальный ток и точнее подбери сопротивление резистора Rш добиваясь установки стрелки микроамперметра точно против отметки половины шкалы. Параметр Ru твоего микроамперметра будет равен сопротивлению введенной части резистора Rш. Измерить это сопротивление можно измери­телем RCL или омметром.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель