Г. В. Войшвилло.
Описанные в прошлых статьях приборы (см. «Р. В.» № 22 за 1928 г. и № 7 за 1929 г.) были пригодны для измерения постоянного тока и переменного с частотой порядка 50 пер/сек.
При увеличении частоты влияние самоиндукции обмотки прибора с находящимися внутри железными массами очень сильно сказывается. Во-первых, показания прибора зависят от частоты, а, во-вторых, при частотах больших 500, вследствие высокого индуктивного сопротивления, через прибор проходит очень слабый ток, который не может вызвать заметного отклонения подвижной системы. Кроме того, потеря энергии в самом приборе сильно возрастает с увеличением частоты.
Приборами, свободными от указанных недостатков, являются тепловые приборы. Принцип устройства тепловых приборов не представляет ничего сложного (см. рис. 1). Очень тонкая металлическая (напр. медная) проволочка АВ нагревается измеряемым током. Вследствие повышения температуры проволочка АВ удлиняется. Это удлинение ослабит натяжение нити—оттяжки CD, к середине которой прикреплена третья нить EF, связанная с валиком К подвижной части и оттягиваемая пружинкой G. Показание стрелки Н зависит только от удлинения нити АВ, которое, в свою очередь, зависит от ее температуры.
Температура нити определяется количеством тепла, выделяемого в нити проходящим по ней током. При определенном сопротивлении нити, выделенное в ней количество тепла зависит только от силы тока, и, следовательно, отклонение подвижной части прибора зависит только от силы тока и сопротивления, а значит частота измеряемого тока не играет роли. При возрастании силы тока, температура нити, а следовательно и показания прибора возрастают вначале медленно, а затем быстрее. Вследствие этого шкала тепловых приборов бывает непропорциональная, то есть в начале шкалы деления должны быть меньше, чем в середине шкалы.
Это обстоятельство затрудняет измерение слабых токов при помощи тепловых приборов. Так, например, в тепловом амперметре наименьшая сила тока, которую можно отсчитывать, бывает примерно только в 10 раз меньше, чем та наибольшая сила тока, на которую рассчитан прибор.
Недостатками тепловых приборов (от которых свободны электромагнитные приборы) являются также их чувствительность к перегрузке (нить легко перегорает) и зависимость положения нуля от внешней температуры. Однако, этот последний недостаток можно устранить специальным регулированием устройства.
Держатель состоит из двух частей, сделанных из листового алюминия толщиной около 1 мм. Размеры и способ изготовления видны на рис. 2. Отверстия с нарезкой показаны сплошь зачерненными. Места сгибов показаны пунктирными линиями. В отверстие Т зажимается двумя гайками верхний упорный винтик с коническим углублением. В отверстие V с нарезкой ввертывается нижний упорный винтик, тоже с коническим углублением. Конец упорного винта с коническим углублением показан отдельно в увеличенном виде (рис. 2—У).
Подвижная часть состоит из: 1) Оси с концами, заостренными на конус, сделанной из иголки, длиною 19 мм. 2) Трубки, насаживающейся с трением на ось, свернутой из очень тонкой листовой латуни (фольги) длиной 15 мм. 3) Противовеса, состоящего из маленького болтика длиной 11—13 мм с гайкой (болтик с гайкой можно заменить кусочком медной проволоки с каплей олова на конце). 4) Держателя стрелки, сделанного из листовой латуни 0,2—0,4 мм. 5) Стрелки, которая делается из алюминиевой фольги. Длина стрелки 65 мм. В тонкой части стрелки фольга свертывается трубочкой. 6) Деревянного ролика; деревянный ролик удобно сделать из обрезка карандаша с тонким графитом; длина ролика 7 мм; от диаметра ролика зависит чувствительность и точность прибора. Для большей чувствительности нужно брать ролик меньшего диаметра. В описываемом приборе взята средняя величина 4—5 мм. Графит из отрезка карандаша выдавливается, а необходимый диаметр получается обработкой напильником. Посредине ролика делается канавка для того, чтобы нить не съезжала с ролика.
Кроме того, из медной проволоки 0,2—0,3 мм изготовляется держатель нити на ролике, обеспечивающий сцепление между ними.
Все детали подвижной части показаны на рис. 3.
Регулятор состоит из неподвижной и подвижной частей, пружинки, оси и двух винтов с гайками. Неподвижную часть регулятора удобнее всего вырезать из листового алюминия и согнуть согласно рис. 4.
Подвижная часть делается из какого-либо листового металла толщиной 0,8—1 мм, который поддается пайке оловом (медь, латунь, цинк, железо и др.). Конец А подвижной части сворачивается в трубку, в которую при сборке, сквозь ушки D, туго продевается ось, сделанная из обрезка гвоздя или куска проволоки диаметром 1,5—2,5 мм. Диаметр отверстия в ушках D берется по толщине оси так, чтобы не было боковых качаний. К отверстию В с нижней стороны припаивается гаечка. С наружной стороны через это отверстие в припаянную гайку ввертывается винтик, зажимающий конец нити прибора. К отверстию С также припаивается гайка, по возможности с тонкой резьбой, и имеющая сравнительно большую высоту. (Делается для того, чтобы уменьшить «игру» болта в гайке.) Конец болтика спиливается на конус или в виде полушария. Длина болтика должна быть около 12 мм. Пружинка делается из стальной или никелиновой проволоки 0,4—0,6 мм. Диаметр витка пружины 5—6 мм, длина ее 10—12 мм.
Собранный регулятор монтируется на доске прибора шурупами через отверстия F. Если желательно получить более надежную изоляцию нити от корпуса, то регулятор привертывается металлическими винтами к пластинке эбонита, которая держится шурупами на основной доске (см. рис. 13). Если толщина эбонита 5 мм, то высота Н неподвижной части будет тогда соответственно меньше, а именно — 10 мм.
Все три держателя имеют одинаковые размеры и изготовляются из листового алюминия (см. рис. 5).
В отверстия G ввертываются короткие винтики, которые прижимают и удерживают нити. При желании получить улучшенную изоляцию прибора (монтаж на эбоните), держатель нити имеет несколько отличные от держателя оттяжки и пружинки размеры (см. рис. 6).
Изоляция для последних двух держателей не нужна, так как существенно для прибора только отсутствие утечки между концами нити. (Вообще высокая изоляция может понадобиться при измерении токов высокой частоты — включение в антенну, работа с волномером и т. д.) Размеры эбонитовых пластин (для регулятора и держателя проволочки) также даны на рис. 6.
Держатели шкалы выполняются из алюминия в количестве 2 экземпляров. Размеры даны на рис. 7.
Длина нагреваемой нити и расположение частей прибора зависят от размеров кожуха и его формы. Мы рассмотрим подробно устройство амперметра в круглом кожухе диаметром 130 мм, годного для монтажа на щите. Кожух состоит из деревянного или металлического основания, жестяного или пресшпанового цилиндра, металлического верхнего кольца, стекла и шкалы.
Из сухой доски толщиной 12—15 мм вырезается круг диаметром 130 мм, на котором укрепляются все части прибора. Разметка основания дана на рис. 8. (Для монтажа без улучшенной изоляции.) Положение регулятора R находится практическим путем, важно только, чтобы винт М лежал на прямой, проходящей через винт N — параллельно диаметру АВ так, чтобы в самом удаленном положении, подвижная часть регулятора не касалась боковой стенки кожуха. Головка, винта W может выступать наружу сквозь отверстие в кожухе на 1—2 мм. Наиболее удобное расположение регулятора следующее: в среднем положении ось винта W должна пересечься с центром основания С. Положение держателей шкалы также находится при сборке. Они располагаются симметрично относительно вертикального диаметра EF как можно ближе к краю доски и не должны касаться регулятора и держателя нити.
Все части привинчиваются к доске небольшими шурупами. Около регулятора и держателя нити делаются отверстия для выводов от прибора (см. рис. 13).
Боковая часть кожуха делается из жести или пресшпана. Жесть можно взять от двух консервных банок и спаять из двух полос цилиндр, внутренним диаметром 130 мм и высотою 50 мм. В цилиндре прорезается отверстие для винта регулятора. Внутри цилиндр оклеивается белой бумагой (чтобы уменьшить потери на охлаждение нити от лучеиспускания), снаружи красится черным лаком. Цилиндр прикреплен к основанию тремя шурупами. Верхнее кольцо можно сделать из полосы красной отожженной меди (такие полосы идут на обмотку электрических машин) размером 475 × 15 × 0,8 мм. Для этого полоску сгибают по всей длине (см. рис. 9), а потом изгибают согнутую полосу в кольцо. Свернутое кольцо после очистки можно вылудить. Стык кольца пропаивается оловом. В кольце имеются три отверстия, которые должны совпадать с тремя отверстиями в верхней (передней) части цилиндра. Через отверстия проходят винтики, ввертывающиеся в гайки, сделанные из алюминиевых прямоугольничков, на которых держится стекло (см. рис. 10).
Шкала делается из картонного или металлического диска, оклеенного с обеих сторон белой бумагой. Шкала держится на своих держателях и на держателе подвижной части тремя винтиками, ввинченными в отверстия S (см. рис. 2 и 8).
На конец латунной трубочки одевается держатель стрелки и против него располагается болтик противовеса и отрезок проволоки 0,2—0,3 — держатель нити EF, одетый на конец болтика. Все это спаивается оловом. Затем на трубку одевают ролик так, чтобы канавка была на расстоянии 15 мм от свободного конца оси. Если ролик входит на трубку свободно, нужно на нее намотать немного бумаги и смочить ее шеллаком. Стрелка зажимается своим держателем.
Поместив собранную подвижную часть в конические углубления, передним винтиком находят наилучшее положение (ось должна свободно вращаться в своих углублениях). Противовесом достигаем полного (безразличного) равновесия стрелки, при котором стрелка остается неподвижной в любом положении (см. рис. 11). Нагреваемая нить зажимается винтиком Е у подвижной части регулятора (рис. 4) (в среднем положении) и винтиком N у противоположного держателя (рис. 8).
Предел измерений амперметра сильно зависит от диаметра проволоки и от металла, из которого она сделана. Для описываемого прибора можно привести некоторые цифры, в зависимости от сорта и размера нити.
| Проволока. | Полная шкала амперметра. |
Внутр. сопро- тивление R |
Потеря мощности в приборе |
|
| Металл. | Диам. мм |
|||
| Магнин | 0,09 | 0,5 | 6 | 1,5 |
| Медь | 0,05 | 1 | 0,85 | 0,85 |
| Медь | 0,10 | 3 | 0,22 | 2 |
Сравнительно небольшие цифры сопротивлений прибора получились благодаря небольшой длине нагреваемой нити (около 95 мм). Вообще с увеличением длины нити увеличивается сопротивление прибора, но зато уменьшается сила тока, дающего такое же отклонение (т. е. увеличивается чувствительность прибора). Поэтому для измерения малых токов приходится увеличивать длину нагреваемой нити и уменьшать ее диаметр. В данном приборе температура нити не превосходит 100—150°, а поэтому можно применить проволоку с изоляцией, что уменьшает потерю тепла и, следовательно, энергии в приборе. Кроме того, некоторое повышение чувствительности дает защита нити трубочками из бумаги, которые не должны касаться ее. От держателя оттяжки (рис. 8) идет параллельно вертикальному диаметру возможно тонкая бумажная нитка (№ 100) до соединения с нагреваемой проволокой. Эта нитка (оттяжка) соединяется с нитью прибора посредством петли, одетой на короткий отрезок той же проволоки. К середине оттяжки привязана вторая, такая же, нитка, которая, обворачиваясь вокруг ролика (и проходя сквозь держатель), оканчивается петелькой. В эту петельку продевается конец оттягивающей пружинки.
Чем толще диаметр металлической нити, тем толще можно брать проволоку для пружинки. Можно считать, что диаметр провода для пружинки в два раза больше диаметра нагреваемой нити. Диаметр витков самой пружинки около 4—5 мм. Число витков около 25—30. При нулевом положении пружинка должна быть сильно растянута. После окончательной установки держатель нитки сжимается.
В нулевом положении стрелка наклонена к горизонту под углом в 45°, как это видно на фотографии (рис. 13), на которой показан внутренний вид прибора с изоляцией на эбоните.
После регулировки прибора одевают и привинчивают шкалу, затем, привинтив к кожуху кольцо со стеклом, одевают их на основание. Если шкалу перед этим разбить на равные деления (см. статью «Электро-магнитный амперметр», «Р. В.», №7, за 1929 г.), то градуировку можно произвести при закрытом стеклом приборе, что увеличит ее точность. После градуировки нужно поставить тушью на стеклянной шкале деления и цифры и окончательно собрать прибор. Шкала теплового прибора, как уже было указано, получается неравномерная.
Такой амперметр одинаково работает в горизонтальном и вертикальном положениях, но боится сотрясений, поэтому его лучше монтировать на щитке с клеммами. Прикрепить его можно болтами или шурупами с любой стороны (т. е. со стороны щитка или основания).
Вид готового прибора дан на рис. 14. Слева видна головка винта регулятора.
В случае изменения внешней температуры стрелка немного сойдет с нуля. Вращением винта регулятора приводят стрелку к нулю. При переноске и установке этим же регулятором натяжение нити необходимо ослаблять во избежание ее разрыва.
Тепловые приборы применяются не только как амперметры, но и как вольтметры, правда, с большим сравнительно потреблением тока. При работе прибора, как вольтметра, нужно стараться сделать его сопротивление как можно большим. Этого можно достигнуть, применяя проволоку весьма малого диаметра из какого-либо сплава с большим удельным сопротивлением и увеличивая длину нагреваемой проволоки. Очень удобно для компактности применить двойное устройство нагреваемых нитей (см. рис. 15), так как длину одной нити более 200 мм брать неудобно. При двойном устройстве и длине нити 200 мм и при манганиновой проволоке диам. 0,05 мм можно получить отклонение на всю шкалу при токе в 0,05 Амп., а сопротивление прибора, (нити) будет примерно 95 ом, следовательно, потеря мощности составит 0,24 ватта, а измеряемое напряжение E = J · R = 4,75 вольт. Предел измерения такого вольтметра можно увеличить обычным способом, т. е. включая последовательно добавочные сопротивления.