6. Тепловые амперметры и вольтметры. Принцип действия этих измерительных приборов основан на удлинении проволоки от нагревания, при чем последнее производится пропусканием по проволоке тока. На рис. 16 представлена схема такого прибора. Платино-иридиевая проволока АСВ, диаметром 0,05—0,03 и даже 0,01 мм и длиною до 17 см, укреплена на обоих концах А и В. К ней, ближе к ее середине, прикреплена одним концом тонкая латунная проволочка CFD, другой конец которой имеет закрепление в зажиме D. В свою очередь от средины этой проволочки идет шелковая нить, обхватывающая маленький блок Н и прикрепленная к плоской пружине G, которая натягивает обе проволоки. Если внешние присоединительные зажимы прибора соединить с зажимами А и В проволоки АСВ и пропустить через прибор ток, то последний ее нагреет, почему она удлинится. Тогда обе проволоки АСВ и CFD немного выгнутся, вследствие чего пружина G подтянет нить и сообщит блоку Н вращение на некоторый угол в направлении часовой стрелки. На оси этого блока, укреплена стрелка Z, перемещающаяся на шкале, проградуированной на амперы.
Для того, чтобы прибор был чувствительным и его удлинением можно было воспользоваться для действия прибора, неизбежно приходится брать проволоку весьма малого диаметра. В силу этого амперметр, в том виде, как он представлен на рис. 16, может быть пригоден для силы тока примерно до 0,5 ампера. Для измерения токов до 5 ампер применяют особую систему таких проволок, а для токов, более сильных, амперметр снабжают шунтом, то есть специальным сопротивлением, присоединяемым параллельно к проволоке АСВ. Тогда через последнюю проходит только часть измеряемого прибором тока, но на шкале прибора делается отметка полной силы тока, проходящей по цепи.
Для достижения независимости прибора от влияний внешней температуры, вся система укреплена на доске из никкелевой стали, расширения которой, вследствие изменения общей температуры, с соответственным раздвижением точек укрепления проволок, в значительной степени компенсируют перемещения средних точек проволок, происходящие от тех же изменений температуры. Так как полной компенсации все же нет, то стрелка прибора слегка отходит от нуля шкалы и для установки ее на нуль необходимо при помощи специального винта слегка подтянуть или ослабить нить АСВ.
Амперметр включается последовательно с приемниками тока или, как говорят иначе, — в рассечку одного из проводов питающих сеть. Таким образом, через прибор и его шунт пропускается весь ток линии.
Если нужно измерить напряжение между двумя точками электрической сети, например, напряжение между двумя проводами сети, у зажимов машины, элемента, лампы накаливания или другого какого-нибудь приемника, то для этих целей также может быть использован тепловой прибор, но в таком случае у него должен отсутствовать шунт, а последовательно с проволокой АСВ должно быть включено добавочное сопротивление. При включении прибора параллельно с какой-либо частью сети через него пойдет ток, определяемый по формуле,
в которой означают Е — измеряемое напряжение, R1 — сопротивление проволоки прибора, R2 — добавочное сопротивление. Благодаря последнему по вольтметру идет ток незначительной силы, однако, достаточный для того, чтобы проволока нагрелась и стрелка прибора дала отклонение. Из приведенной формулы видно, что включение в сеть, в качестве вольтметра, прибора без добавочного сопротивления, то есть амперметра, привело бы к прохождению через прибор большой силы тока, что вызвало бы аварию прибора. Равным образом, включение вольтметра, предназначенного для измерения напряжения не более определенной величины на повышенное напряжение также поведет к его повреждению: проволока и добавочное сопротивление могут сгореть, стрелка прибора в первоначальный момент даст быстрое отклонение до предельного показания прибора и вследствие этого может погнуться
Пример. Тепловой вольтметр, снабженный шкалой до 125 вольт, имеет сопротивление в 770 омов. При включении в сеть напряжением в 110 вольт по нему идет ток i = 110: 770 = 0,143 ампера. Если добавочное сопротивление составляет 769 омов, то сопротивление самой проволоки равно только 1 ому и при включении такого прибора в сеть напряжением в 110 вольт без добавочного сопротивления по прибору пойдет ток i = 110: 1 = 110 ампер, вследствие чего проволока сгорит.
Тепловой вольтметр и его детали представлены на рис. 17. На нем мы видим: платиноиридиевую проволоку h, укрепленную в зажимах а и b; латунную проволоку d, прикрепленную одним концом к платиноиридиевой проволоке и другим — к зажиму с; винт t, при помощи которого можно увеличивать натяжение проволоки h или его ослаблять, благодаря чему указательная стрелка становится на нуль; пружинку f, которая чрез шелковинку оттягивает систему проволок; добавочное сопротивление R, помещенное в цоколе прибора.
Изменения тока вызывают качания стрелки, благодаря чему она не сразу останавливается на соответствующем показании. Чтобы сократить эти периоды колебаний и свести их почти на-нет, в приборе устроен магнитный успокоитель, состоящий из постоянного магнита m, в щели которого проходит легкий алюминиевый диск S, вращающийся на той же оси, на которой укреплена и стрелка прибора. При всяком повороте стрелки получает движение и алюминиевый диск, при чем, при движении последнего в щели постоянного магнита, в нем возникают токи Фуко, по закону Ленца противодействующие тому движению, которым онн вызываются. Наличие этого тормаза или успокоителя обеспечивает прибору остановку стрелки сразу, без всяких колебаний, на необходимом для отсчета положении.
На рис. 17 показаны отдельно и другие детали прибора, в частности двойной блок r1 и r2 с перекинутыми через него не одной, как было показано на схеме рис. 16, — а двумя шелковыми нитками.
Как видно из рисунка, шкала вольтметра не дает отклонения пропорциональные силе тока. Простого и точного закона, между удлинением проволоки и отклонением стрелки с одной стороны и увеличением силы тока — с другой стороны указать нельзя. Шкала вольтметра на 130 вольт имеет, примерно, вид, показанный на рис. 18 (нижний рисунок). Такая же шкала будет и для амперметра на 130 ампер. При измерении напряжения отсутствие возможности точных отсчетов малых напряжении обычно не играет роли. Если, например, вольтметр обслуживает шины электрической станции с нормальным напряжением в 120 вольт, то небольшие колебания этого напряжения тепловым вольтметром вполне поддаются измерению. Другое дело с амперметром. При помощи этого прибора часто приходится измерять сильно колеблющуюся нагрузку, и в таких случаях тепловой амперметр уже нельзя признать удовлетворительным. Но тепловые приборы все же имеют ряд достоинств, а именно: полная независимость от влияний внешних магнитных полей, применимость одного и того же прибора как для постоянного, так и для переменного тока, в последнем случае — любого числа периодов (правда, как увидим дальше, все-таки в известных пределах).
Прежние тепловые приборы, имея платино-серебряную проволоку, были чувствительны к окружающей температуре. Проволока, нагреваясь при повышении температуры, сама-по-себе уже вызывала небольшое отклонение стрелки прибора, что особенно имело место в теплых машинных помещениях электрических станций. Современные приборы с их платино-иридиевой проволокой, в условиях обычной работы, то-есть, при температурах ниже 100° Ц, отличаются достаточной стойкостью.
Кроме отмеченного уже раньше недостатка тепловых приборов, а именно, непропорциональности их шкалы, надлежит еще отметить для амперметра — слишком большое сопротивление, благодаря чему в этом приборе происходит значительная потеря напряжения, а для вольтметра — слишком малое сопротивление, вследствие чего работа прибора связана с большим расходом тока, а, следовательно, и энергии.
Пример. В вольтметре, сопротивление которого составляет 770 омов, при напряжении в 120 вольт расходуется мощность
Пример. В амперметре, сопротивление которого 0,05 ома при силе тока 5 ампер расходуется i2R =52. 0,05 = 1,25 ватта при потере напряжения в е = iR = 5. 0,05 = 0,25 вольта.
Наконец, надлежит отметить еще один недостаток прибора: наличие нити, которую легко сжечь. В виду этого амперметр при коротких замыканиях в цепи может получить повреждение, вольтметр, включенный по ошибке в сеть с более высоким напряжением, также может потерпеть аварию. Впрочем, прибор легко обезопасить от таких случаев, введя в него, последовательно с его проволочкой, капсулю с тонкой предохранительной проволокой.
Простая ординарная проволока в амперметрах применяется только для измерений силы тока до 0,5 ампера. При больших силах тока применяется особое сочленение проволочек, при котором в каждом из них проходит ток не более 0,5 ампер; при этом сопротивление прибора соответственно понижается, благодаря чему в нем уменьшается и падение напряжения. Например, для измерений силы тока до 1 ампера, можно применить сочленение, показанное на рис. 19, для сил тока до 5 ампер — возможно сочленение рис. 20. Направление токов, их распределение и величина указаны на рисунках, при чем в обоих случаях рабочей проволокой является та, которая натянута между зажимами K1 и К2 и обозначена буквой Н, точки же входа и выхода тока в системе обозначены буквами О и U.
При силах тока выше 5 ампер приборы снабжаются шунтами. При числе периодов до 1000 — амперметры дают одинаково правильные показания при 15, 25, 50 и другом числе периодов. При периодах же, превосходящих 1000, особенно в радиотелеграфных установках с их очень большой частотой приходится считаться с меняющимися значениями кажущихся сопротивлений как шунта, так и нагреваемой проволоки. Обыкновенный тепловой амперметр с шунтом уже не будет давать правильных показаний, вследствие чего необходимо прибегать к специальным конструкциям, которые в настоящее время применяются для измерений сил тока до 300 ампер. На рис. 21 схематически представлен такой амперметр. Он имеет барабан, собранный из двух концевых металлических шайб Т, на которых укреплены одинакового размера тонкие полоски иридистой пластины а, b, с, d, e.. и т.д., из которых одна (Н) использована для связи с рабочей системой прибора. По всем полоскам одновременно проходит ток линии, а так как они совершенно однородны, то при изменении числа периодов в сети их индуктивные свойства меняются одинаково, чего не было бы при шунтировании нагреваемого проводника, и благодаря чему прибор показывает правильно при очень высоких частотах. Кроме того и в способах подводки тока к инструменту соблюдена полная симметрия.
В технике токов высокой частоты применяются также тепловые миллиамперметры, шкала которых проградуирована на ватты. Приборы эти включаются, как амперметры.
