2.3 Комбинированные аналоговые измерительные приборы

Комбинированный аналоговый измерительный прибор - ампервольтомметр (авометр) является универсальным многопредельным прибором, с помощью которого возможны приближенные измере­ния токов, напряжений в цепях постоянного и переменного тока частотой от 20 Гц до 20 кГц, и выше, сопротивлений постоянному току и емкости. В универсальном измерительном приборе исполь­зуют магнитоэлектрический измерительный механизм (микроамперметр), например с током полного отклонения подвижной части 50 мкА и падением напряжения 75 мВ, который может при помощи переключающего устройства соединяться с различными измери­тельными цепями.

При измерении постоянного тока параллельно микроампер­метру включаются многоступенчатые шунты, а при измерении постоянного напряжения последовательно с микроамперметром - добавочные резисторы. Таким образом, в режиме измерения постоянного тока и напряжения авометр работает как многопредель­ный магнитоэлектрический амперметр и вольтметр (см. 2.2 ).

При измерении переменных токов и напряжений звуковых ча­стот используют многопредельные выпрямительные амперметры и вольтметры, представляющие собой сочетание шунтов или доба­вочных резисторов, полупроводниковых одно- или двухполупериодных выпрямителей и магнитоэлектрического микроамперметра. Показания выпрямительных приборов соответствуют средневыпрямленному значению измеряемого напряжения или тока, т. е. магнитоэлектрический измеритель усредняет значение предварительно выпрямленного тока.

На рис 2.9, а,б представлены схема однополупериодного выпрямления и временные диаграммы изменения выпрямленного тока. В цепи однополупериодного выпрямления ток через микро­амперметр, включенный последовательно с диодом , протекает только в положительный полупериод напряжения . В отри­цательный полупериод, для которого сопротивление диода очень велико, ток протекает через диод Д₂, защищая тем самым диод от пробоя. Сопротивление , включенное в цепь встреч­ного диода и равное сопротивлению микроамперметра делает входное сопротивление цепи в обоих направлениях одинаковым. Подвижная часть магнитоэлектрического микроамперметра из-за своей инерционности при частотах от 20 Гц и выше не успевает следовать за мгновенными значениями вращающего момента, поэтому реагирует на среднее значение момента:

(2.18)

где - мгновенное значение момента; - среднее зна­чение тока , протекающего через микроамперметр.

Из равенства следует, что

(2.19)

где - чувствительность прибора к току.

В случае однополупериодного выпрямления (рис. 2.9, б)

(2.20)

Рисунок 2.9 – Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы изменения выпрямленного тока (б)

Шкалу прибора, измеряющего переменный ток или напряже­ние, обычно градуируют в среднеквадратичных (действующих) значениях синусоидального сигнала, поэтому среднее значение тока , протекающего через прибор, можно выразить через сред­неквадратичное значение I измеряемого тока и коэффициент фор­мы для синусоиды:

(2.21)

где

При токе полного отклонения микроамперметра предельное среднеквадратичное значение измеряемого переменного тока

(2.22)

В цепи двухполупериодного выпрямления с четырьмя диодами (рис. 2.10, а) ток , протекающий через микроамперметр, увели­чивается вдвое по сравнению с током, протекающим через микро­амперметр в цепи однополупериодного выпрямления. В течение положительного полупериода ток проходит через диод - микро­амперметр - диод ; в течение отрицательного полупериода - через диоды , и микроамперметр. Таким образом, через микро­амперметр ток проходит в одном и том же направлении оба полупериода:

(2.23)

Предельное среднеквадратичное значение измеряемого синусо­идального тока .

В цепи однополупериодного выпрямления почти все приложен­ное напряжение падает на диод поэтому при малых на­пряжениях работа, диода осуществляется на линейном участке его вольтамперной характеристики и шкала прибора делается более линейной. В цепи же двух­полупериодного выпрям­ления приложенное на­пряжение распределяет­ся между двумя диодами и прибором, что приво­дит к расширению нелинейного участка шкалы. Входное сопротивление цепи двухполупериодно­го выпрямления одинаково для обеих полуволн измеряемого на­пряжения, но вследствие нелинейного характера сопротивлений диодов сопротивление цепи зависит от значения измеряемого то­ка, поэтому для определенности принято сопротивление указы­вать при номинальных значениях напряжения и тока.

Мостовая цепь с четырьмя диодами требует идентичности послед­них и специальной температурной компенсации, так как прямое и обратное сопротивления диода зависят от температуры окру­жающей среды. Практическое применение находят мостовые цепи двухполупериодного выпрямления с двумя диодами и двумя рези­сторами (рис. 2.10, б).

Ток, протекающий через микроамперметр,

(2.24)

где , - соответственно сопротивления резисторов и микроамперметра.

Данная цепь более чувствительна к малым напряжениям, чем цепь с четырьмя диодами, и менее зависит от температуры, по­скольку два диода заменены резисторами. Частотный диапазон измерительных выпрямителей определяется в основном собствен­ной емкостью диода. Нижняя граница частотного диапазона состав­ляет 10 - 20 Гц, верхняя достигает с медно-закисными диодами не выше 100 кГц, с плоскостными германиевыми и кремниевыми - 100 кГц и с точечными - сотни мегагерц.

а б

Рисунок 2.10 – Схемы двухполупериодного выпрямления

К достоинствам выпрямительных приборов относят: высокую чувствительность по току и напряжению; малую собственную мощ­ность потребления; малые габариты; широкий частотный диапазон; к недостаткам - зависимость прямого и обратного сопротивления диода от температуры, нелинейность шкалы (сжата в начале при малых напряжениях до 0,4 В); невысокую точность (классы точности 1,5; 2,5 и_4); зависимость показаний ох формы кривой, исследуемого сигнала. Если измеряемое напряжение или ток отличны от синусоиды, то к показаниям прибора необходимо, внести, поправки.

Расширение пределов измерения и возможность использования на различных пределах измерения переменного тока общей шкалы обеспечиваются с помощью универсального шунта (рис. 2.11). Расчет шунта в многопредельных амперметрах, работающих в области звуковых частот, выполняется теми же способами, что и в мно­гопредельных магнитоэлектрических амперметрах, только вместо сопротивления измерительного механизма необходимо учитывать и входное сопротивление измерительного выпрямителя, пре­дельные значения измеряемого тока и падения напряжения на выпрямителе с учетом влияния элементов температурной и частотной компенсации. Для умень­шения температурной погреш­ности, вызванной изменением прямого и обратного сопротив­лений диодов (обладающих отрицательным температурным коэффициентом), параллельно универсальному шунту включают дополнительный шунт, состав­ленный из двух резисторов: один - из медной проволоки с поло­жительным температурным коэффициентом, а второй - из ман­ганиновой проволоки с высокостабильным сопротивлением. При повышении температуры сопротивление шунта увеличивается; это приводит к возрастанию выпрямленного тока, компенсирующего в некотором интервале температур понижение коэффициента вы­прямления . Для снижения частотной погрешности резисторы дополнительного шунта изготовляются в виде катушек. С увеличением частоты возрастает межэлектродная емкостная проводимость, уменьшается выпрямляющее действие диода, и пока­зания прибора падают. При этом индуктивное сопротивление дополнительного шунта возрастает, что увеличивает долю тока, протекающего через измерительный выпрямитель, показания при­бора возрастают и тем самым компенсируют влияние увеличения межэлектродной емкостной проводимости.

Рисунок 2.11 – Схема двухпредельного выпрямительного миллиамперметра с универсальным шунтом

В авометрах в режиме измерения синусоидальных токов диапазон измерения токов лежит в пределах от 0,2 мА до нескольких десятков ампер шкала в большей части линейна. Падение напряжения в амперметрах колеблется от 0,5 до 1 В.

Для измерения переменного напряжения используют многопредельные выпрямительные вольтметры. Расширение пределов изме­рения осуществляется переключаемыми добавочными резисторами, включенными в цепь переменного тока перед измерительным выпрямителем. Значение входного сопротивления вольтметра в основном определяется значением (так как ); оно составляет 1,5-2 кОм/В и зависит от предела измерения напряжения.

Для измерения малых напряжений предпочтительны вольтметры с однополупериудным выпрямлением, для измерения больших напряжений – вольтметры с двухполупериодным выпрямлением. Для уменьшения частотной погрешности, безындукционные добавочные резисторы и параллельно им включают кон­денсатор. В вольтметрах с однополупериодным выпрямлением при градуировке шкалы в среднеквадратичных значениях измеряемого напряжения U учитывается коэффициент 2,22, т. е. , а в вольтметрах с двухполупериодным выпрямлением - коэф­фициент 1,11 т.е. При измерении несинусоидаль­ных напряжений к показаниям вольтметров вносятся поправки. Схемы измерения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, используемые в авометрах, будут рассмотрены в гл. 9.