"Радио Всем", №7, апрель, 1929 год, стр. 211-213

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АМПЕРМЕТР.

Г. В. Войшвилло.

В настоящей статье мы рассмотрим конструкцию амперметра электромагнитной системы.

Рис. 1.

Мы имеем цилиндрическую катушку с намагничивающей обмоткой А, внутри которой помещены подвижной и неподвижный кусочки железа В и С. Вследствие магнитного воздействия подвижная пластинка железа отходит от неподвижной, вращаясь вокруг оси вместе с прикрепленным указателем D (см. рис. 1). Силой, уравновешивающей отклонение, служит упругое крутящее воздействие специальной плоской спиральной пружинки Е.

Катушка.

Так же, как и в предыдущей конструкции¹), в качестве материала удобнее всего взять алюминий, хотя это не является обязательным (алюминий можно заменить любым немагнитным металлом). Катушка состоит из двух кольцевых дисков-щек и фасонной свернутой цилиндрической части. Все эти части вырезаются обычным способом из листового алюминия 1—1,2 мм толщины. Все размеры частей даны на рис. 2 и 3.

Рис. 2.

Нижний диск имеет лапки для монтировки на дне прибора причем в случае монтажа амперметра на щите (заподлицо) они не нужны и прибор прикрепляется к металлической шкале, которая уже в свою очередь сама устанавливается на распределительном щите.

Рис. 3.

Пунктирные линии показывают места сгибов. Все отверстия высверливаются заранее (до сгибания). Отверстия, имеющие нарезку, на всех рисунках сделаны сплошь зачерненными. Щели А делаются в случае работы при переменном токе, хотя вообще они облегчают вырезание внутренних круглых отверстий, поэтому их лучше прорезать. К цилиндрической части с отогнутыми ушками F (рис. 3), свернутой иа болванке 20 мм, приклепываются алюминиевыми или иными заклепками первая и вторая щеки. Вид свернутой трубки и разрез (по АВ) скрепления заклепкой изображен на рис. 4. Щели у трубки и у щек, конечно, должны лежать в одной плоскости (см. рис. 5). Там же видны отогнутые лапки нижней щеки.

Передний и задний упоры.

Упоры также удобнее вырезать из листового алюминия. Задний упор А (см. рис. 6) прикрепляется к наружной стороне щеки с лапками одновременно с цилиндром, причем заклепки проходят через отверстия F и G на щеке (рис. 2) и на самом упоре. В отверстие С внизу упора ввертывается короткий винтик К с коническим углублением. Передний упор сгибается в двух местах и прикрепляется к катушке двумя винтами через отверстие Е (см. рис. 2).

Рис. 4.

В передний упор в процессе сборки укрепляется и держится двумя гайками передний упорный винтик Н, имеющий также коническое углубление. Головки заклепок, проходящих через отверстия L (рис. 2) в верхней щеке, делаются коническими, так наз. потайными (наружная часть отверстий перед клепкой рассверливается на конус). На рис. 5 виден согнутый передний упор, укрепляющие его винтики, задний упорный винтик, передний винтик с надетой одной гайкой и отдельно лежащая, снятая с винта, гайка. На фотографии в верхней щеке катушки видны отверстия с нарезкой Е (рис. 2).

Рис. 5.

Неподвижная железная часть.

Вырезается из хорошего отожженного железа толщиной 0,5 мм, сгибается и свертывается в фигуру Р (рис. 7). Эту деталь видно на рис. 5 справа под стрелкой. Неподвижная железная часть держится на внутренней поверхности цилиндра небольшими лапками N, которые, будучи просунуты в специальные отверстия цилиндра, загибаются уже на наружной стороне цилиндрической поверхности. Удобнее неподвижную часть железа укрепить к еще не свернутой фасонной трубке и свернуть вместе с ней на болванке.

Рис. 6.

Отверстие М видно на рис. 5. Кроме того на пластинку напаивается капелька олова R (рис. 7 и 11), предупреждающая слипание подвижной и неподвижной частей благодаря остаточному магнетизму железа.

Намотка катушки.

Вообще количество витков определяется размерами катушки, а диаметр провода — главным образом величиной максимального измеряемого тока.

Рис. 7.

Для получения какого-нибудь максимального предела для измеряемого тока можно итти несколькими путями.

1. Создав некоторую обмотку на катушке, можно менять максимальный предел, поставив, например, другую, более сильную пружинку, и тогда, чтобы повернуть подвижную систему в положение наибольшего отклонения, очевидно, понадобится более сильный ток.

2. Можно включить параллельно прибору добавочное сопротивление, так наз. «шунт», хотя бы равный по величине сопротивлению самого прибора, тогда ток разделится на две равные части и для наибольшего отклонения в этом случае понадобится ток, в два раза больший первоначального. Таким путем можно менять максимальный предел и в 5, 10, 100, 1 000 и вообще во сколько угодно раз.

Описанные способы подбора предела измерения для данного случая неудобны для радиолюбителей, так как они создают большую мощность, потребляемую самим прибором. Поэтому наиболее рациональным является третий способ:

3. Перед сборкой взять пружинку возможно более слабую на закручивание с возможно большим числом витков. Затем, намотав катушку какой-либо проволокой (и запомнив число витков), пропустить ток. Предположим, что наибольшее отклонение будет при каком-то токе J; тогда мы легко получаем весьма важную постоянную величину для данного прибора, — это количество ампер-витков JW, дающих полное отклонение стрелки.

Из элементарной теории электротехники известно, что магнитная сила внутри какой-либо катушки пропорциональна количеству ампер-витков. Так как максимальное отклонение происходит все время при одной и той же магнитной силе, которая зависит от произведения JW, мы можем для изменения предела менять число витков W и диаметр провода, уменьшая тем самым вредное для нас сопротивление самого прибора.

Например, если при наибольшем отклонении катушки со 100 витками сила тока была 1А, то количество ампер-витков будет JW = 1·100 = 100.

Если придется измерять токи до 0,5А, нужно взять 200 витков, если максимальный ток равен 5А, число витков

и т. д.

Диаметр провода при этом берется такой, чтобы при нужном числе витков катушка была бы целиком заполнена. При хорошей пружинке удается получить JW = 50—100. Больший диаметр проволоки уменьшает сопротивление прибора и уменьшает потерю напряжения внутри прибора равную JR₀, где R₀ — внутреннее сопротивление прибора.

Рис. 8.

Потеря мощности в приборе P = J²R₀, т. е. тоже пропорциональна сопротивлению. Такой метод расчета справедлив для всех измерительных приборов электромагнитной системы. Перед намоткой на катушку надеваются пресшпановые (с прорезом) щеки толщиной 0,15 мм по две с каждой стороны и приклеиваются к катушке и между собой шеллаком. Цилиндр обматывается двумя-тремя слоями тонкого пресшпана или эксцельзиора. Перед последним слоем проволоки желательно проложить один слой бумаги для получения равной обмотки на наружном слое. Вывод от начала делается через щель во второй щеке, вывод же от конца делается через просверленное отверстие на краю щеки. Специального провода для вывода не надо.

Подвижная часть.

Подвижная часть состоит из оси, сделанной из обыкновенной иголки (отломав на расстоянии 35 мм от острия ушко и зашлифовав полученный конец), держателя стрелки, самой стрелки, плоской спиральной пружинки и кусочка железа. Железный кусочек вырезается из такого же самого железа, как и подвижная часть. Части А и В (рис. 8) свертываются в трубочки так, чтобы в них могла входить с некоторым трением ось. Часть С сгибается и плотно охватывает конец держателя стрелки D. Держатель стрелки делается из тонкой латуни 0,2—0,4 мм.

Спиральную пружинку придется приобрести у часовщика, стоимость ее около 50 коп. Пружинку выбирать нужно с муфтой и с большим количеством бронзовых витков. Сталь не годится, так как пружинка намагничивается и создает тормозящие усилия.

Рис. 9.

Стрелка делается из алюминиевой фольги или покупается готовая. Держатель для пружинки делается из латуни 0,5—0,15 мм. Все детали видны на рис. 8 и 9.

Сборка прибора.

Сборка производится на уже намотанной катушке. В задний приклепанный упор ввертывается упорный винтик. Затем на трубку В железной подвижной части (рис. 8) надевается с трением держатель стрелки, держащий ее своей частью Е, и на конец той же трубки надевается муфта пружинки; затем, с противоположного конца загоняется ось так, чтобы она одинаково торчала от концов трубки А и В (рис. 8). Ось немного должна расширить трубку В, чтобы пружинка лучше укрепилась. Собранная подвижная часть опускается внутрь катушки концом R (рис. 9) в коническое углубление заднего упорного винтика. Изготовленный по рис. 8 держатель для пружинки поджимается гайкой к наружной стороне переднего упора вместе с упорным винтом. При свободном конце пружинки подвижная часть должна находиться в безразличном равновесии, что достигается напаиванием небольших кусочков олова к железке или держателю стрелки в самом конце. В держатель пружинки зажимается ее конец и теперь можно передний упор прикрепить винтиками на свое место.

Рис. 10.

Одновременно, конечно, должна происходить окончательная регулировка положения оси передним упорным винтом. Нулевое положение в любом месте устанавливается вращением держателя вокруг переднего упорного винтика. Разрез собранного прибора и вид спереди без шкалы дан на рис. 10 и 11. Фотография готового прибора на рис. 12.

Рис. 11.

Для переменного тока шкала S (рис. 10 и 13) делается из пресшпанового диска с отверстием Т с наклеенной белой бумагой. Пресшпан берется для того, чтобы не замкнуть щель катушки накоротко. Чувствительность и градуировка при переменном токе остаются прежние.

Рис. 12.

В случае постоянного тока диск может быть сделан из какого-нибудь немагнитного металла. Шкала зажимается между передней щекой и передним упором. Для того чтобы спиралька не могла выходить за пределы шкалы, с обеих сторон укрепляются к щеке винтиками проволочные усики (рис. 13 и 11). Форма, размеры и материал кожуха могут быть любыми, в зависимости от внешних условий.

Включение и градуировка.

Готовый прибор (амперметр) включается всегда последовательно в цепь. Если перемотка прибора неудобна, то увеличение предела измерения делается включением параллельно добавочных сопротивлений — шунтов, которые изготовляются из коротких отрезов никелиновой или иной проволоки, диаметр которой выбирается в зависимости от идущего через шунт тока. Если сопротивление прибора равно R₀, а предел нужно изменить в К раз (например меняя с 1 до 5А К = 5), то сопротивление шунта R_ш находится по формуле (дается без вывода)

Например, если R₀ = 0,05 Ω, максимальная сила тока 2А, и необходимо увеличить предел до 6А, тогда К = ⁶/₂ = 3 и сопротивление шунта

Если источником тока для градуировки служит аккумулятор, то ламповый реостат R₁ (рис. 14) не ставится, а зажим соединяют с началом проволочного реостата R₂. Ламповый реостат служит для градуировки от сети 110—220 вольт.

Рис. 13.

Для удобства градуировки удобнее разделить чистую шкалу градуируемого прибора на некоторое число равных частей, например градусов. Силу тока через оба амперметра меняют грубо ввертыванием лампочек в реостат R₁ и, более точно, подвигая рычажок проволочного реостата.

Для градуировки обычно бывает достаточно получить 10—20 точек, а потом уже делить шкалу на глаз. Это производится следующим образом.

Допустим, что максимальный предел измерения амперметра (испытуемого) 3А, тогда мы будем делать отсчеты на эталонном амперметре через 0,2А, в то же время записывая на листе число делений (градусов) испытуемого прибора. Окончив градуировку, можно проставить на снятой с прибора шкале тушью черточки и соответствующие цифры и потом стереть написанные предварительно карандашом деления.

Рис. 14.

Этот же прибор может служить также вольтметром. Наименьший диаметр провода катушки — 0,1 мм. Количество витков рассчитывается несколько иначе, чем амперметра; здесь нужно задаваться диаметром проводника, находить подсчетом количество витков, помещающееся на данной катушке, и определять отсюда силу тока .

Для такой катушки количество витков может быть до 10 000 (при проводе 0,1 мм). Сила тока J = ⁵⁰/_10 000 = 0,005 А = 5 МА, что является допустимым для данного диаметра. Максимальный предел измерения напряжения найдется из закона Ома, V = J · R₀, где R₀ — сопротивление обмотки вольтметра, которое можно измерить или подсчитать, зная средний диаметр обмотки D₀.

Длина провода (во всей катушке)

а сопротивление

где S — площадь поперечного сечения проводника, а ρ = 0,0175 или ¹/₅₇ (проводимость меди).

Для нашего случая D₀ = 35 мм = 0,035 м и и V = J · R₀ = 0,05 · 2450 ≈ 12V.

Дадим еще формулу увеличения предела измерения.

Если нам нужно увеличить максимум измеряемого напряжения в К раз, то величина добавочного, включенного последовательно, сопротивления находится так:

Пример. Имеется вольтметр с V_макс. = 12V и R₀ = 2450 Ω, требуется рассчитать добавочное сопротивление R_д так, чтобы предел измерения был 120V. Определяем сначала К.

и сопротивление R_д = (10 — 1) 2450 = 22050 Ω.

Такое сопротивленив выполняется в виде катушки с большим числом витков никелиновой проволоки.