Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные системы электромеханических приборов и дайте сравнительные характеристики по параметрам.

2. Почему магнитоэлектрический механизм работоспособен только на постоянном токе?

3. Какие системы электромеханических приборов являются высокочастотными?

4. Поясните структурную схему электромеханического прибора.

5. Как работает прибор электромагнитной системы?

6. Принцип действия электродинамического прибора.

Тема 2.2 Выпрямительные и термоэлектрические приборы

2.2.1 Магнитоэлектрические приборы с преобразователями переменного тока в постоянный

Описанные выше приборы не решают многих проблем, возникающих при измерении разных величин на переменном токе: электромагнитный и электродинамический - низкочастотны, электростатический обладает низкой чувствительностью.

Применение магнитоэлектрического механизма в сочетании с преобразователем переменного тока в постоянный позволяет существенно расширить возможности измерений на переменном токе.

По типу преобразователя данные приборы делят на: выпрямительные и термоэлектрические (см. табл. 2.2).

Выпрямительные приборы состоят из полупроводникового диодного преобразователя переменного тока в постоянный.

Вследствие нелинейности вольтамперной характеристики диода, спектр протекающего через него тока содержит составляющие частот, кратные частоте измеряемого напряжения, а также постоянную составляющую, отражающую информацию о значении измеряемой величины.

Технически удобнее выделить постоянную составляющую выходного тока (или напряжения), если ее значение связано определенной функциональной зависимостью с измеряемым напряжением, и которая может служить сигналом измерительной информации.

В этом случае основные операции, выполняемые электрической схемой вольтметра: преобразование измеряемого напряжения с помощью нелинейного устройства, выделение постоянной составляющей и ее измерение показывающим измерительным прибором.

Таблица 2.2 Магнитоэлектрическая система с преобразователями

Схему преобразователя можно строить разными способами, но в результате через измерительный механизм должен протекать однополярный пульсирующий ток (двухполупериодный или однополупериодный).

В табл. 2.2 показан простейший двухполупериодный (двухтактный) диодный выпрямитель.

В силу того, что магнитоэлектрическая измерительная система реагирует на постоянный ток, показания прибора будут пропорциональны средневыпрямленному значению переменного тока или напряжения.

Данное обстоятельство является очень существенным, так как часто приборы проградуированы в средних квадратических значениях синусоидального тока.

Это значит, что на шкале прибора представлено не то значение, на которое реагирует прибор (т.е. средневыпрямленное), а величина, умноженная на К_ф = 1,11.

Рисунок 2.2 Напряжение меандровой формы

При измерении параметров переменного негармонического сигнала, практически всегда возникает методическая погрешность. Например, при градуировке измерительного прибора на синусоидальном токе точке шкалы в 100 В соответствовало средневыпрямленное значение напряжения 90 В. Если на этот измерительный прибор подать напряжение, имеющее форму меандра с параметрами, изображенными на рис.2.2 (напомним, что у такого сигнала К_а = К_ф = 1, т.е. U_m = U = U_{ср в} ≈ 90 В), то его показания также будут около 100 В (1,11 U_срв) и абсолютная погрешность составит: Δ = 100 - 90 = 10 В.

Выпрямительные приборы применяют как комбинированные измерители постоянного и переменного тока и напряжения с пределами измерения тока от 1 мА до 600 А, напряжения - от 0,1 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется применяемыми диодами. Так, использование точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений на частотах 50…10⁵ Гц. Выпрямительные приборы выполняют в виде многопредельных и многоцелевых лабораторных измерительных приборов. К этому типу измерительных приборов относится так называемый тестер.

Приборы термоэлектрической системы состоят из термоэлектрического преобразователя (проще, термопреобразователя) и магнитоэлектрического микроамперметра. Термопреобразователь содержит нагреватель с протекающим по нему измеряемым током, и термопару, на концах которой возникает термоЭДС. Для измерения термотока в цепь термопары включен микроамперметр. Рабочий спай термопары находится в тепловом контакте с нагревателем, который представляет собой тонкую проволоку из металлического сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин). Еще более тонкие проволочки из термоэлектродных материалов применяют для изготовления термопары. При прохождении измеряемого тока через нагреватель, место его контакта с термопарой нагревается до требуемой температуры, а холодный спай остается при температуре окружающей среды. Функционирование прибора основано на тепловом действии тока, и поэтому магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем измеряет среднее квадратическое значение переменного тока любой формы.

Термоэлектрические приборы применяют в основном для измерения токов. В качестве вольтметров практически не используют, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало. Достоинством термоэлектрических приборов является широкий частотный диапазон (до 10 МГц). Недостатки: невысокая чувствительность, низкий класс точности (1,5...4,0).