Фотогальванометрический веберметр

Наиболее распространены фотогальванометрические компенсационные приборы(ФГКП), в которых используются гальванометрические усилители с фотоэлектрическими преобразователями.

Отечественная промышленность приобрела большой опыт и достигла значительных успехов в области изготовления ФГКП. Достаточно сказать, что выпускаются приборы с ценой деления 1*10 -9 В (Ф118) и 1*10 -11 А (Ф128). Следует отметить, что высокие технические характеристики ФГКП не исключают наличия у них ряда существенных недостатков, связанных с наличием фотоэлектрического преобразователя. В связи с этим исследуется возможности применения в компенсационных приборах гальванометрических усилителей с трансформаторными (индукционными) преобразователями (самопишущий милливольтметр Н37-1). Компенсационные приборы с использованием гальванометрических усилителей не могут применяться в условиях тряски и вибраций , так как они очень чувствительны к сотрясениям. В этих случаях используют компенсационные приборы с электронными усилителями переменного тока.

Структурная схема прибора такого типа (рис.1) содержит модулятор М, усилитель У ~ , фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, обратный преобразователь ОП и выходной прибор – миллиамперметр. В качестве модуляторов применяются вибропреобразователи и динамические конденсаторы (при измерениях в высокоомных цепях). Компенсационные приборы с электронными усилителями восприимчивы к электромагнитным помехам, что ограничивает их точность.

Принцип действия. На рис.2 показана принципиальная схема фотогальванометрического компенсационного микповольтметра.

Наличие напряжения Е х на входе гальванометрический усилитель вызовет появление тока в рамке гальванометра, а следовательно, ее вращение. При этом произойдет перераспределение освещенности фоторезисторов и в выходной цепи прибора появится ток I вых . Падение напряжения U к на сопротивлении r к ( U к =I вых r к ) стремится скомпенсировать входное напряжения E x (это обеспечивается определенной полярностью включения гальванометра). Полной компенсации в схеме не произойдет, так как для поддержания рамки в откланенном состоянии (в противном случае I вых = 0) в ее цепи должен протекать некоторый ток некомпенсации I нк . При достаточно высокой чувствительности гальванометра можно считать, что I нк » 0,тогда E х » U к = I вых r к ( * ). Как показывает равенство ( * ), выходной ток I вых может служить мерой E х . Для измерения этого тока используются обычно магнитоэлектрические миллиили микроамперметры, шкала которых градуируется в единицах напряжения.

Принципиальная схема фотогальванометрического микроамперметра приведена на рис. 3. В этой схеме в момент компенсации ток I х ’ , являющийся частью измеряемого тока I х , который составляет определенную часть выходного тока I вых . Если предположить, что r Г = r 1 + r 2 и r Г r х , а чувствительность гальванометра высокая ( D I » 0 ), то будут справедливыми равенства I к = I вых =I х , т.е. ток, измеряемый выходным прибором, пропорционален измеряемому току I х . В конструкциях ФГКП предусмотрены специальные зажимы для включения регистрирующего прибора, с помощью которого можно осуществить запись показаний (на рис.2 и рис.3, а эти зажимы обозначены как зажимы для включения сопротивления нагрузки r н ). Промышленностью выпускаются также фотогальванометрические компенсационные усилители постоянного тока (Ф115, Ф117 и др.), которые отличаются от ФГКП отсутствием встроенного выходного прибора (выходным прибором может служить стандартный показывающий или самопишущий прибор с соответствующим пределом измерения). Фотогальванометрический веберметр На рис. 4 приведена принципиальная схема использования баллистического гальванометра для измерения магнитного потока.

Обозначения на схеме : ИК – измирительная катушка, БГ – баллистический гальванометр ; М – катушка взаимной индуктивности ; А – амперметр. Если изменить поток, сцепленный с витками w к измерительной катушки ИК, например, от Ф х до 0, то на зажимах измерительной катушки возникает э.д.с. е х , которая будет уравновешена активным и реактивным падением напряжения в цепи баллистического гальванометра ; при этом первый наибольший отброс подвижной части гальванометра будет a 1 m : е х = - w к ir+L ,( * * ) где w к – число витков измерительной катушки ; i – ток в цепи ; r – сопротивление цепи гальванометра (сумма сопротивления рамки гальванометра и сопротивления внешней цепи) ; L – индуктивность цепи.

Интегрируя левую и правую часть выражения в пределах времени изменения потокосцепление и учитывая, что в момент начала и окончания изменения потокосцепления ток равен нулю, получим w к D Ф х = Qr , где D Ф х – изменение потока за указанное время (в нашем случае D Ф х =Ф х ); Q – количество электричества, прошедшего в цепи. Так как a 1 m =S б Q, то Q=C б a 1m , где С б – баллистическая постоянная гальванометра в кулонах на деление ; a 1 m – первый наибольший отброс подвижной части гальванометра.

Окончательно получаем D Ф х = a 1 m= a 1m , где С ф =С б r – постоянная баллистического гальванометра по магнитному потоку в веберах на деление. Из этого выражения видно, что постоянная баллистического гальванометра С ф зависит от сопротивления цепи, поэтому определять ее необходимо при том сопротивлении цепи, при котором производится измерение магнитного потока. Кроме того, так как точность интегрирования импульса зависит от его длительности, изменение потока должно происходить достаточно быстро,чтобы продолжительность импульса была в 20 – 30 раз меньше периода колебаний подвижной части гальванометра. Для определения постоянной баллистического гальванометра по магнитному потоку используют меру магнитного потока в виде двухобмоточной катушки с известной взаимной индуктивностью. При изменении тока в первичной обмотке катушки взаимной индуктивности на некоторую величину D I во вторичной ее обмотке, присоединенной к баллистическому гальванометру (см. рис. 4), произойдет изменение магнитного потока : D F = M D I , где М – коэффициент взаимной индуктивности катушки. Это изменение потока D F вызовет отброс подвижной части баллистического гальванометра b 1 m . Отсюда интерисующая нас постоянная баллистического гальванометра по магнитному потоку будет С ф = ¤ дел.

Баллистический гальванометр в рассмотренной схеме можно заменить веберметром. В магнитоэлектрическом веберметре используется измерительный механизм магнитоэлектрической системы с противодействующим моментом, близким к нулю, и большим моментом электромагнитного торможения (рамка веберметра замкнута на измерительную катушку, имеющую обычно малое сопротивление). Уравнение движения подвижной части веберметра можно записать в следующем виде : J 2 w i. Ток i определяется э.д.с., которая возникает в цепи веберметра при изменении потока, сцепляющегося с витками измерительной катушкой, подключенной к зажимам веберметра. Эта э.д.с. определяется выражением ( * * ) : J 2 x -L Интегрируя это выражение за время движения подвижной части (от 0 до t) и учитывая, что в момент времени 0 и t подвижная часть находится в состоянии покоя, получаем P 2 D a = D Ф х w к . окончательно получим D a = D F х = D F х , где С ф – постоянная веберметра, обычно выражаемая в веберах на деление.

Показания веберметра не зависят от времени магнитного потока (как это имело место в баллистическом гальванометре) и в некоторых пределах не зависит от сопротивления внешней цепи (если оно достаточно мало). Так как противодействующий момент прибора равен нулю, то его указатель может занимать произвольное положение. При определении магнитного потока D F х берут разность показаний прибора D a = a 2 - a 1 , где a 2 – конечное показание, a 2 – начальное показание. Для установления указателя на нулевую либо другую удобную отметку шкалы (например, ею иногда может быть средняя отметка) в приборе используют электрический корректор. Он представляет собой катушку, расположенную в поле постоянного магнита. Если соеденить эту катушку с рамкой веберметра и изменить поток, сцепляющийся с витками катушки (путем поворота катушки или магнита), то рамка веберметра отклонится; регулируя положение катушки или магнита, устанавливают указатель прибора в нужное положение.

Баллистический гальванометр превосходит магнитоэлектрический веберметр по чувствительности и позволяет изменять магнитные величины с большей точностью, но является прибором неградуированным и требует определения постоянной по магнитному потоку С ф в каждом конкретном случае.

Веберметр является переносным прибором, шкала его отградуирована в единицах магнитного потока, он прост и удобен в работе, его показания в довольно широких пределах не зависят от сопротивления цепи и времени изменения потокосцепления.

Основными недостатками его являются относительно низкая чувствительность и малая точность. В значительной мере лишен этих недостатков фотогальванометрический веберметр (ФЭВ).Упрощенная принципиальная схема ФЭВ, поясняющаяпринцип его действия, приведена на рис.5. Работает схема следующим образом.

Разность э.д.с. е х , возникающей на зажимах измерительной катушки ИК при изменении потокосцепления, и э.д.с. е о.с. обратной связи создает ток i , протекающий через обмотку рамки гальванометра Г с миниатюр ным зеркальцем на подвижной части.

Отклонение подвижной части гальванометра под действием тока i вызывает перемещение светового пятна по последовательно включенным фотосопротивлениям ФС1 и ФС2, в результате чего на входе усилителя У появится сигнал и выходной ток I усилителя скомпенсирует е х через отрицательную обратную связь при помощи катушки взаимной индуктивности М. Считая в приближении е х » е о.с. (предпологаем, что применен гальванометр высокой чувствите-льности к напряжению, и неучитываем э.д.с., индуктированную в рамке гальванометра при ее движении), получим w к » M , т.е. по току I можно судить о потоке Ф х . Ток I можно измерить магнитоэлектрическим прибором, а при необходимости записать самопишущим прибором или осциллографом.