Приборы прямого отсчета включают в себя измерительный механизм и измерительную цепь. Измерительный механизм предназначен для преобразования подводимой к нему электрической энергии в механическую энергию, которая необходима для перемещения подвижной части и связанного с ней указателя.
Измерительная цепь предназначена для преобразования измеряемой электрической величины в пропорциональную ей величину, которая непосредственно воздействует на измерительный механизм. По виду физического явления, которое используется для измерения, измерительные приборы разделяют по системам. Среди них самыми распространенными являются магнитоэлектрические, электромагнитные, индукционные, электродинамические и ферродинамические системы.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы применяют для измерений постоянного тока. В этих механизмах вращающий момент создается при взаимодействии измеряемого тока, который проходит по катушке механизма, с полем постоянного магнита.
Применяются два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом. Приборы, содержащие подвижную катушку, применяются чаще, чем приборы, содержащие подвижный магнит.
В приборах с подвижной катушкой ее устанавливают на опорах таким образом, что она была способна поворачиваться в воздушном зазоре магнитной цепи постоянного магнита. Ток к катушке подводится посредством пружины или растяжки, с их же помощью получается противодействующий момент. Существует измерительный механизм с современными магнитами — механизмы с внешним (внерамочным) магнитом.
Показаны механизмы с внутрирамочным магнитом. В этом случае магнитная цепь образуются магнитопроводом, полюсными наконечниками и цилиндрическим сердечником. В таких механизмах в качестве сердечника применяется сам магнит, а его охватывает цилиндрический магнитопровод, изготовленный из магнитно-мягкого материала. На каждый проводник в таких механизмах действует электромагнитная сила:
f = BIl,
при этом I — активная длина проводника, которая приблизительно равна высоте катушки h. Так как катушка имеет ? витков и диаметр d, то для определения вращающего момента, который действует на подвижную часть механизма, Так как противодействующий момент, который создается спиральными пружинами, прямо пропорционален углу закручивания:
Mпр = kпр?,
можно сделать вывод, что сила тока пропорциональна углу поворота механизма. нитом обладают вращающим моментом, который создается действием на подвижный магнит магнитного поля измеряемого тока, проходящего через катушку. Пружину заменяют направляющей силой неподвижного постоянного магнита. Этот прибор прост по устройству и устойчив к перегрузкам, но обладает низкой точностью из-за влияний гистерезиса. Термоэлектрическая система характеризуется тем, что включает в себя магнитоэлектрический измерительный механизм и термопреобразователи.
Термопреобразователи состоят из термопар и подогревателей, через которые проходит определяемый переменный ток. Электродвижущая сила пропорциональна разности температур между горячими и холодными концами термопары, которая пропорциональна квадрату действующего значения переменного тока Р, т. е. Мвр пропорционален I2. Различают контактные и бесконтактные термопреобразователи.
Так как КПД термопреобразователей низок, термоэлектрические приборы малочувствительны и работают при высокой температуре нагревателя, а при перегрузке свыше 50% они разрушаются. Подобные приборы применяются при измерении переменных токов высокой частоты.
Электромагнитная система обладает вращающим моментом, который создается воздействием магнитного поля измеряемого тока, проходящего по неподвижной катушке прибора, на ферромагнитный сердечник, который способен вращаться. Сейчас применяются два типа подобных механизмов этой системы: с круглой или плоской катушкой.
Механизм с круглой катушкой состоит из круглой катушки, внутри которой находятся два сердечника: подвижный, укрепленный на оси, и неподвижный. При прохождении тока по катушке оба сердечника намагничиваются и отталкиваются, в результате чего создается вращающий момент, который поворачивает сердечник.
Механизм с плоской катушкой содержит подвижный сердечник, который втягивается в катушку, с измеряемым током. Усиление магнитного поля и регулирование вращающего момента осуществляется с помощью второго неподвижного сердечника. Для создания противодействующего момента применяется спиральная пружина. С целью защиты от внешних магнитных полей прибор закрывают ферромагнитным экраном. Класс точности подобных приборов не превышает 1,5, что является следствием влияния гистерезиса. К ценным свойствам этих приборов относят защиту от перегрузок, дешевизну и простоту устройства.
Измерительные приборы электродинамической природы обладают вращающим моментом, который образуется при взаимодействии проводников, по которым протекают токи. Подобные измерительные механизмы состоят из неподвижной и подвижной катушек. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, которые вместе с тем используются для подвода тока в подвижную катушку, занимающую под действием электродинамических сил положение, при котором ее магнитное поля совпадает по направлению с направлением поля неподвижной катушки. Электродинамические приборы применяются для измерения как постоянного, так и переменного токов, при этом шкала у приборов для обоих родов тока одна и та же.
Из-за присутствия подвода тока в подвижную часть и плохого охлаждения электродинамические механизмы не выдерживают значительной перегрузки, к тому же они дороги. При этом класс их точности 0,2 или даже 0,1. Они применяются при лабораторных и контрольных измерениях переменного тока.
Ферродинамическими называются приборы, в которых применяется ферромагнитный магнитопровод. Но применение стали уменьшает точность прибора за счет влияния гистерезиса и вихревых токов. Поэтому ферродинамические приборы не применяют для точных измерений. Индукционная измерительная система основывается на использовании явления вращающегося магнитного поля. Такие виды механизмов обладают вращающим моментом, который создается действием общего магнитного поля электромагнитов на подвижную часть — алюминиевый диск, по которому протекают индуцированные вихревые токи. Электромагниты возбуждаются искомыми токами, поэтому вращающий момент создается взаимодействием индуктированных токов с вращающимся магнитным полем. В стрелочных приборах противодействующий момент создает спиральная пружина. В приборах электростатической системы вращающий момент создают силы взаимодействия заряженных проводников. Напряжение образует электрическое поле между неподвижной и подвижной пластинами прибора. Для создания противодействующего момента служит пружина. Преимуществом таких приборов являются малые затраты энергии.
Электростатические вольтметры применяют в основном в лабораториях при измерениях малой мощности и для непосредственного измерения высоких напряжений.
В основу тепловой системы положено использование для отклонения подвижной части удлинения металлической нити, нагреваемой измеряемым током. Достоинство этой системы в том, что показания приборов не зависят от частоты и формы кривой переменного тока. Их применяют при измерении токов высокой частоты.