4.ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

ИИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Измерения напряжения и силы тока - наиболее распространенный вид измерений. Эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот - от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (ГТц - 109) и в диапазоне измеряемых значений напряжения и тока - соответственно от нановольт (10‘9) и наноампер до сотен киловольт и килоампер при большом разнообразии форм измеряемого напряжения и тока.

Для измерения напряжения и тока применяются как методы непосредственной оценки, так и методы сравнения.

Выбор методов и средств измерения электрических величин обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи и т.д.

4.1. Электромеханические приборы

Общим термином электромеханические приборы обозначают СИ, структурная схема которых представлена на рис. 11 [2]. Эта схема включает в себя измерительную схему ИС, измерительный механизм ИМ и отсчетное устройство ОУ. К электромеханической группе принадлежат измерительные приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической и индукционной систем. По физическому принципу, положенному в основу построения, и конструктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых СИ, т.е. СИ, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Рис. 11. Структура электромеханических приборов

Измерительная схема представляет собой совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и иных элементов электрической цепи прибора и предназначена для преобразования измеряемой физической величины X в некоторую новую величину Y, под воздействием которой происходит перемещение а подвижной части измерительного механизма, отсчитываемое с помощью отсчетного устройства. Таким образом, если выполняется зависимость а=/Г*Л то прибор может быть проградуирован в единицах измеряемой величины. Важно, чтобы параметры схемы и измерительного механизма не изменялись при изменении внешних условий, например, температуры окружающей среды, частоты питающего схему тока и других факторов.

В большинстве электромехани­ ческихприборов выходным перемещением а является угловое перемещение стрелки. Подвижная часть ИМ с угловым перемещением изображена на рис. 12 и представляет собой ось 1 со стрелкой 2, вращающуюся в подпятниках 3. Возможный угол

определенное отклонение стрелки а, необходимо уравновесить вращающий момент Мвр противодействующим моментом Мщ,, противоположным вращающему и возрастающим по мере увеличения угла поворота подвижной части. В большинстве электроизмерительных приборов противодействующий момент создается плоской спиральной пружинкой б, для которой справедливо соотношение

где W - коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пружинки. Исключение составляют приборы - логометры, в которых противодействующий момент создается теми же электромагнитными силами, что и вращающий. При совместном воздействии вращающего и противодействующего моментов положение равновесия, т.е. установившееся отклонение стрелки определяется из условия Мвр=МП. Учитывая (12) и (13), получим

Уравнение (14) называется уравнением преобразования механизма прибора и представляет собой градуировочную характеристику прибора.

Подвижная часть ИМ представляет собой колебательную систему. Для того чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка прибора не испытывала слишком долгих колебаний, в электромеханических приборах применяются воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители.

Наиболее распространенными в практике технических измерений являются электромеханические приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.

Приборы магнитоэлектрической системы. В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм прибора может быть

выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой [2, 5]. На рис. 13 показана конструкция прибора с подвижной рамкой. Постоянный магнит 7, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконеч­

На рамку из w витков проволоки, по которой течет ток, действует вращающий момент

называется чувствительностью магнитоэлектрического прибора к току.

Чувствительность 5/ является постоянной величиной, зависящей только от конструктивных параметров механизма, а не от значения измеряемого тока 7, поэтому шкала магнитоэлектрического прибора равномерна. Изменение направления тока ведет к изменению направления угла отклонения рамки.

Из группы аналоговых приборов магнитоэлектрические приборы относятся к числу наиболее чувствительных и точных. Изменения температуры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Равномерный характер шкалы и малое потребление энергии также являются достоинствами этих приборов. Вследствие инерционности магнито­ электрические приборы реагируют только на постоянную составляющую тока. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменного тока в постоянный.

Амперметры. Магнитоэлектрический механизм, включенный непосредственно в измерительную цепь, позволяет измерять малые постоянные токи, не превышающие 20 - 50 мА, т.е. может выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Превышение указанных значений может привести к повреждению провода рамки и спиральной пружины. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой манганиновые резисторы, сопротивление которых мало зависит от температуры. Обычно оно во много раз меньше сопротивления рамки RH магнитоэлектрического измерительного механизма. Поэтому при включении шунта параллельно прибору (рис. 14, а) основная часть измеряемого тока / проходит через шунт, а ток /и, проходящий через рамку измерительного механизма, не превышает допустимого значения. Отношение

///и=л, показывающее, во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, называется коэффициентом шунтирования. Сопротивление шунта, которое необходимо выбрать для получения требуемого коэффициента шунтирования, нетрудно определить: /ШЯШ=/ИЛИ , 1Ш=1 - /и , откуда следует

Rm=Ry/(n-l).

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до нескольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Измерение больших токов (до нескольких тысяч ампер) осуществляют при помощи наружных шунтов, которые имеют определенные номинальные падения напряжения (45, 60, 75,100 и 300 мВ) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5).

Рис. 14. Расширение пределов измерения амперметра (а) и вольтметра (б)

Вольтметры. Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с рамкой измерительного механизма включается добавочное сопротивление RR (рис. 14, б), которое ограничивает падение напряжения на рамке прибора до допустимых пределов. Если необходимо получить верхний предел измерения напряжения, в т раз превышающий значение £/и> то необходимо включить добавочный резистор, сопротивление которого равно

RA=RH(m-l).

Добавочные резисторы изготавливают из термостабильных материалов, например, из манганиновой проволоки. Они могут быть внутренними, встроенными в корпус прибора (при напряжениях до 600 В), и наружными (при напряжениях 600 - 1500 В). Добавочные резисторы имеют определенные номинальные токи (0,5; 1; 3; 5; 7,5; 15 и 30 мА) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1).

Гальванометры. Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Современные гальванометры позволяют измерять токи в пределах 10"5..ЛО'12 А и напряжения до 10*4 В. Гальванометры часто используют в качестве нульиндикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. В качестве метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки.

Приборы электромагнитной системы. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником [2, 5]. Одна из конструкций

I W d a T l

По определению действующее значение тока

т.е.

1дЬт2

а= --------1 . 2W да

Из (2 1) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока. В соответствии с (21) шкала прибора квадратичная, однако на практике ее можно приблизить к линейной подбором формы сердечника.

Если учесть, что ток через катушку прибора I=U/RH, где U - приложенное напряжение, a RH- сопротивление катушки, то из (21) следует

2W да R!

Таким образом, шкала измерительного механизма может быть проградуирована и в единицах напряжения.

К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, надежность, способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Недостатками являются: большое собственное потребление энергии, малая точность, малая чувствительность, сильное влияние внешних магнитных полей.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности этих приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц. Выпускаются также переносные приборы электромагнитной системы классов точности 0,5 и 1,0 для измерения в лабораторных условиях.

Для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров и вольтметров применяются измерительные трансформаторы тока.

4.2. Магнитоэлектрические приборы с преобразователем переменного тока в постоянный

Сочетание магнитоэлектрического механизма с преобразователем переменного тока в постоянный позволяет использовать достоинства этого механизма при измерениях в цепях переменного тока. В зависимости от вида преобразователя различают выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы [2, 5].

Выпрямительные приборы. Выпрямительные приборы состоят из полупроводникового диода и магнитоэлектрического измерительного механизма. Диод выпрямляет измеряемый переменный ток, а магнитоэлектрический механизм служит индикатором, стрелка которого отклоняется под действием выпрямленного тока.

В выпрямительных приборах используются однополупериодные и двухполупериодные выпрямительные цепи (рис. 16).

При однополупериодном выпрямлении (см. рис. 16,а) через рамку измерительного механизма, включенную последовательно с диодом Дь ток проходит только в течение своего положительного полупериода. Во время

отрицательного полупериода он проходит по параллельной цепочке через резистор R и диод Д2. Параллельная цепочка обеспечивает защиту диода Д1 от перенапряжения во время отрицательного полупериода. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резистор R, сопротивление которого равно сопротивлению измерительной цепи прибора. На рис. 16,а направление прохождения прямой волны обозначено сплошной, а обратной волны - пунктирной стрелкой.

Рис. 16. Выпрямительные приборы с однополупериодным (а) и двухполупериодным (б) выпрямлением

При двухполупериодном выпрямлении (рис. 16,6) ток проходит через рамку измерительного механизма в течение обоих полупериодов: в положительный полупериод по пути Д1 - А - Д*, в отрицательный - по пути Дг - А - Д3. Двухполупериодная схема обеспечивает в 2 раза большее значение тока в рамке, что повышает чувствительность выпрямительного прибора. Однако напряжение в этом случае делится между двумя диодами, что препятствует измерению малых напряжений из-за падения коэффициента выпрямления диодов.

где /срсреднее значение тока.

На практике обычно важно знать не среднее, а действующее значение тока, поэтому выпрямительные приборы градуируют, как правило, в действующих значениях. При этом используют соотношение = 1 /к ф, связывающее среднее

к *

Чаще всего измеряются токи синусоидальной формы, поэтому шкала обычно градуируется в действующих значениях для синусоидальной формы кривой. Если выпрямление однополупериодное, то £ф=2,22, если двухполупериодное. то Лф=1,11. Когда форма кривой тока отличается от синусоидальной, то использование для измерений выпрямительного прибора, проградуированного в действующих значениях синусоидального тока, приведет к систематической погрешности.

Выпрямительные приборы используются в качестве амперметров и вольтметров. Для расширения пределов измерения в выпрямительных амперметрах используются шунты, а в вольтметрах добавочные резисторы и делители напряжения.

К достоинствам выпрямительных приборов относятся высокая чувствительность, компактность, большой частотный диапазон; к недостаткам - малая точность (класс точности 1,5; 2,5; 4,0), зависимость показаний от формы кривой тока, существенное влияние температуры.

Термоэлектрические приборы. Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя, преобразующего измеряемый переменный ток высокой частоты в постоянное напряжение, и магнитоэлектрического измерительного механизма (рис. 17).

электрический контакт с нагревателем (ее спай приварен непосредственно к нагревателю), а во втором имеется только тепловой контакт нагревателя и термопары через изолирующий материал, обладающий хорошей теплопроводностью (стекло, керамика). Контактные термопреобразователи менее инерционны, но они допускают большую утечку токов высокой частоты и применяются на частотах не выше 5 - 10 МГц. Бесконтактные термопреобразователи не имеют этого недостатка и могут использоваться вплоть до частот, равных сотням мегагерц.

Для вывода уравнения преобразования следует найти зависимость отклонения подвижной части измерительного механизма от измеряемого тока

где Si -чувствительность к току микроамперметра; 7?„ -сопротивление его рамки. В свою очередь ЭДС термопары пропорциональна разности температур горячего спая термопары и ее холодных концов АТ (равной также разности

Таким образом, задача сводится к определению зависимости АТ(1). Ее можно определить из условия теплового баланса нагревателя при равновесии: количество тепла, выделяемого током высокой частоты при прохождении через

нагреватель» должно быть равно количеству тепла, рассеянного им вследствие теплоотдачи в окружающую среду, т.е.

где RH- сопротивление нагревателя; t - время; кт - коэффициент теплоотдачи.

где т - постоянный коэффициент.

Таким образом, уравнение преобразования термоэлектрического прибора является квадратичным.

Погрешности термоэлектрических приборов связаны с влиянием температуры внешней среды на сопротивление нагревателя и на характеристики микроамперметра.

Достоинством термоэлектрических приборов является малая зависимость их показаний от формы кривой и частоты. К недостаткам относятся невысокие чувствительность и точность (класс точности 1,0 - 4,0), квадратичный характер шкалы, очень малая перегрузочная способность и значительное потребление энергии.

Термоэлектрические приборы используются для измерения тока и напряжения на высоких частотах (до сотен мегагерц).

4.3. Электронные аналоговые вольтметры

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного прибора. Электронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот [2, 5].

Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 18,а. Измеряемое напряжение Ux подается на входное устройство ВхУ, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее - на измерительный прибор V. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки измерительного механизма магнито­ электрического прибора. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятков мегаом) позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Диапазон измеряемых напряжений постоянного тока - от десятков милливольт до нескольких киловольт.

Электронные вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме рис. 18,6. В таких приборах постоянное измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором М в переменное, а

далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителем переменного тока У, что позволяет достичь больших значений коэффициента усиления и снизить порог чувствительности до нескольких микровольт. Выпрямленное выпрямителем (детектором) В, напряжение подается на стрелочный прибор V. Это позволяет получить электронные микровольтметры постоянного тока с рабочим диапазоном 10'8- 1 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по двум структурным схемам, представленным на рис. 19. В первой схеме (см. рис. 19,а) измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором В, а затем усиливается усилителем постоянного тока УПТ и воздействует на измерительный механизм. Во второй схеме (см. рис. 19,6) усиление производится на переменном токе и лишь затем, предварительно усиленный сигнал, выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком частотном диапазоне (10 Гц - 1000 МГц), но не дают возможности измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта, так как детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения.

Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно широким.

В зависимости от применяемой схемы выпрямления вольтметры подразделяются на вольтметры средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратического значения.

Электронные вольтметры обладают рядом ценных качеств. Они имеют большое входное сопротивление, поэтому потребляют малую мощность от цепи, в которой производятся измерения. Диапазон их рабочих частот - от нуля до сотен мегагерц, значения измеряемых напряжений - от нескольких микровольт до киловольт.

К недостаткам электронных вольтметров относятся невысокая точность, обусловленная недостаточной стабильностью электронных элементов. На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 2,5. Обычные классы 1,5; 2,5.

Вольтметры средневыпрямленного значения и амплитудные вольтметры имеют также погрешности, зависящие от формы кривой тока. По принципу