2029

Выпускаются также миниатюрные приборы: размер 20×20 мм, класс точности 4.0 и 80×80 мм, класс точности 1.0.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Приборы представляют собой соединение выпрямительного преобразователя на полупроводниковых диодах и высокочувствительного магнитоэлектрического измерительного механизма (см. п.1).

используют в амперметрах для выравнивания обоих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты диода Д1 от пробоя при обратной полуволне напряжения.

Т.к. постоянная времени прибора значительно больше периода пульсирующего тока, протекающего через измерительный механизм, то измеряется среднее значение тока за полуволну

Подставим значение тока в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2), получим

переменного тока.

Из уравнения шкалы следует, что показания выпрямительных приборов зависят от формы измеряемого напряжения или тока, однако, т.к. шкалы приборов градуируются в действующих значениях, то их показания правильны только для синусоидальных напряжений или токов.

61

В выпрямительных вольтметрах обычно применяют двухполупериодные схемы, увеличивающие чувствительность прибора в два раза.

Основные достоинства выпрямительных приборов – высокая чувствительность, малое потребление мощности от измеряемой цепи, возможность работы на повышенных частотах. Применяются как щитовые, так и переносные приборы. Примером переносного выпрямительного прибора может служить прибор типа Ц 4311, имеющий на постоянном токе класс точности 0.5, на переменном токе – 1.0. Прибор снабжен контактным защитным устройством. Частотный диапазон от 45 до 8000 Гц. Зависимость показаний приборов от частоты связана со значительной проходной емкостью полупроводниковых диодов, уменьшающей выпрямительный эффект с ростом частоты, т.е. с ростом частоты измеряемого тока или напряжения показания должны уменьшаться. Для расширения частотного диапазона применяют корректирующие частотно-зависимые цепочки индуктивного или емкостного характера, которые вызывают рост показаний на частотах выше указанного диапазона.

ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В электронных вольтметрах конструктивно объединены электрические преобразователи (делители напряжений, усилители, детекторы и др.) с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Такая структура прибора позволяет производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Структурная схема аналогового вольтметра постоянного тока

Измеряемое напряжение Ux подается на входное устройство 1, представляющее собой многопредель-ный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С этого делителя напряжение поступает на вход усилителя постоянного тока 2 и далее на измерительный механизм 3. Входное сопротивление вольтметра обычно составляет несколько десятков МОм. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без шунтирования объектов измерения. Диапазон измеряемых напряжений постоянного тока от десятков милливольт до нескольких киловольт. Для измерения малых напряжений используют микровольтметры с преобразованием постоянного тока в переменный. В таких усилителях усиление сигнала происходит на переменном токе, что позволяет достичь больших значений коэффициента усиления, снизить порог чувствительности до нескольких микровольт. Рабочий

62

диапазон электронных микровольтметров с преобразованием постоянного тока в переменный лежит в пределах от 1 10-8 до 1 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по схеме, изображенной на рис. 3.7.

Ux

Рис. 3.7. Структурная схема аналогового вольтметра переменного тока

С высокоомного делителя напряжения 1 сигнал подается на усилитель переменного напряжения 2, затем при помощи детектора 3 преобразуется в постоянное, которое измеряется магнитоэлектрическим измерительным прибором 4. Детекторы могут быть выполнены по различным схемам и подразделяются на детекторы средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратического значений. Это деление показывает, какому из значений измеряемого напряжения соответствует напряжение на выходе детектора.

Детекторы средневыпрямленного значения представляют собой выпрямители на полупроводниковых диодах – такие же, как в выпрямительных приборах (см. п.2). Амплитудные детекторы, как правило, состоят из диода и конденсатора, который заряжается до амплитудного значения измеряемого напряжения.

Детекторы среднеквадратического значения используют квадратический участок вольт-амперной характеристики диода, в результате чего среднее значение напряжения на выходе детектора оказывается пропорциональным действующему значению измеряемого напряжения.

Т.о. в зависимости от применяемой схемы выпрямителя, электронные вольтметры делятся на вольтметры средневыпрямленного, амплитудного, среднеквадратического значений напряжения.

У электронных вольтметров с широким частотным диапазоном измеряемых напряжений детектор может быть помещен на входе перед делителем или между делителем и усилителем.

Каждая из приведенных схем обладает своими преимуществами. Схемы вольтметров с детектором на входе обладают широким частотным диапазоном (от 10 до 1000 МГц), но не измеряют напряжение меньше нескольких десятых долей вольта, т.к. детектор без предварительного усиления может выпрямить только достаточно большое напряжение.

63

Вольтметры, выполненные по схеме рис. 3.6, позволяют усиливать сигналы соизмеримые с уровнем собственных шумов усилителя и измерять напряжения в единицы микровольт. Однако эти вольтметры имеют меньший частотный диапазон (обычно до 1 МГц).

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ АМПЕРМЕТРЫ И ВОЛЬТМЕТРЫ

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником, втягивающимся в катушку с током. Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает постоянный ток I

LI2

Wэм 2 .

Подставляя значение энергии Wэм в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2) для электромеханических механизмов, получим

1 dL I 2 . 2D d

Если по катушке протекает переменный ток i(t), то, за счет инерционности механизма, происходит усреднение по времени, т.е. можно записать уравнение шкалы в виде

Из формулы 3.6 следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален действующему значению тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы пригодны для измерений постоянных и переменных токов и напряжений. Из уравнения шкалы (3.6) видно также, что шкалы этих приборов нелинейны, а частичная линеаризация производится с помощью выбора специальной формы подвижного ферромагнитного сердечника.

Амперметры. В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в разрыв цепи измеряемого тока.

Щитовые амперметры выпускаются с одним пределом измерений, переносные (лабораторные) могут иметь несколько пределов измерений. При этом выбор предела производят путем переключения секций обмотки катушки, включая их последовательно или параллельно.

64

Шунты в этих амперметрах не применяются, т.к. катушка имеет очень малое собственное сопротивление.

При измерении больших переменных токов используют измерительные трансформаторы тока (§ 3.2).

При использовании амперметров в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника. Для уменьшения этой погрешности сердечники изготавливают из магнитомягких материалов, например, пермаллоя.

При изменении частоты измеряемого тока в амперметрах возникает частотная погрешность, вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях механизма, пронизываемых магнитным потоком катушки.

Промышленностью выпускаются амперметры с предельными значениями токов от долей ампера до 200 А.

Для косвенного включения амперметров через трансформаторы тока

сопротивления, то из формулы (3.6) получим уравнение шкалы для электромагнитных вольтметров

Т.о. электромагнитные вольтметры измеряют действующее значение напряжения, но их показания существенно зависят от частоты, т.к. катушка вольтметра имеет большую индуктивность, чем амперметр, для создания необходимого вращающего момента. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью набора добавочных резисторов (§ 3.2), которые одновременно увеличивают входные сопротивления вольтметров.

Кобщим достоинствам электромагнитных приборов относят:

-простота конструкции;

-надежность;

-способность выдерживать большие перегрузки;

-пригодность применения в цепях постоянного и переменного

токов;

-низкая стоимость.

Недостатки:

-большое собственное потребление энергии (единицы ватт);

-малая точность;

-малая чувствительность;

-сильное влияние внешних магнитных полей, т.к. мало поле катушки с током, как у соленоида без сердечника.

65

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии полей двух катушек с токами, одна из которых неподвижна.

Электрокинетическая энергия двух катушек с токами

Wэм 12 L1I12 12 L2 I22 MI1I2 ,

где L1 и L2 – индуктивности подвижной и неподвижной катушек, I1 и I2 – токи в этих катушках, M kL1L2 - взаимная индуктивность катушек.

От угла поворота зависит только взаимная индуктивность М, тогда, с учетом формулы (3.2), получим уравнение шкалы в виде

т.е. механизм электродинамической системы в принципе является перемножающим электромеханическим устройством.

Если по катушкам протекают переменные токи, например, синусоидальной формы

i1 t I1m sin t 1 и i2 t I2m sin t 2 ,

то уравнение шкалы запишется в виде

где = 1 - 2 – угол сдвига фаз между токами в катушках.

Т.о. угол отклонения у этих механизмов при переменных токах i1и i2 зависит от произведения токов и их разности фаз. Это дает возможность использовать приборы электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и качестве ваттметров, а с применением двух

66

т.е. при условии, что dMd const угол поворота стрелки квадратично зависит от тока протекающего в катушках. Следовательно, будет измеряться действующее значение тока. Однако шкала нелинейна, и для ее линеаризации подбирают формы и расположение катушек таким образом, чтобы dMd не оставалось постоянным, а существенно зависело от угла между подвижной и неподвижной катушками.

В параллельной схеме амперметров I1=k1I и I2=k2I, а разность фаз также обеспечивается равной нулю установкой дополнительных индуктивностей в цепях основных катушек. Электродинамические амперметры обладают частотными погрешностями, т.к. суммарное полное сопротивление зависит от частоты тока. Однако в настоящее время это самые точные приборы для измерения переменных токов промышленной частоты в диапазоне от 10 мА до

10 А.

Как и в случае амперметров, изменением dMd добиваются почти равномерного характера шкалы у вольтметров.

Обычно вольтметры выполняются многопредельными с помощью добавочных резисторов. Применяются для непосредственного измерения напряжений до 600 В.

При измерении высоких напряжений применяют измерительные трансформаторы напряжений (§ 3.2).

Электродинамические вольтметры обладают частотными погрешностями, которые могут быть вычислены по формуле

где δf – относительная частотная погрешность на частоте f, τ=LV/RV – постоянная прибора, LV – суммарная индуктивность катушек, RV – общее сопротивление вольтметра с учетом RДОБ.

67

параллельно добавочному резистору.

Ваттметры. При построении ваттметров используют тот факт, что угол отклонения электродинамического механизма пропорционален произведению токов в катушках (см. формулу 3.7).

Из рис. 3.10 видно, что схема включения катушек ваттметра при изменении мощности,

катушка включается параллельно как вольтметр, а неподвижная последовательно как амперметр. С учетом этого уравнение шкалы для ваттметра

многопредельных лабораторных ваттметров достаточно высоки (0.2, 0.1). Диапазон измеряемых мощностей от несколько ватт до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленной частоты.

Погрешности электродинамических ваттметров возникают из-за температурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повышении частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности, обусловленные ростом индуктивного сопротивления катушек, приводящим к уменьшению вращающего момента.

Для увеличения чувствительности и уменьшения влияния внешних магнитных полей неподвижная катушка может иметь магнитомягкий сердечник, между полюсами которого размещается подвижная катушка. Также приборы получили название ферродинамических.

Электродинамические логометры. В

логометри-ческих измерительных механизмах подвижная часть вы-полняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек, помещенных внутри неподвижной катушки с током I. По обмоткам подвижных катушек протекает токи I1 и I2, которые подводятся с помощью металлических

Рис. 3.11. Схема электродинамического фазометра

68

лент, практически не имеющих противодействующего момента (рис. 3.11). Вращающие моменты, создаваемые воздействием неподвижной катушки с

током I с магнитными полями подвижных катушек с токами I1 и I2, направлены встречно. Т.о. момент первой катушки – вращающий, момент второй – противодействующий. Уравнение шкалы принимает вид

если обеспечить равенство I1 = I2 по модулю, то шкалу прибора можно градуировать в φ или в cosφ. Такие приборы применяются для измерения cosφ - фазометры и для измерения частот – частотомеры. У последних используется зависимость угла отклонения от отношения сопротивления в цепях подвижных рамок, т.е. F Z2 Z1 . Если, например, I2 не зивисит от частоты, то при добавлении конденсатора в цепь подвижной обмотки за счет резонанса происходит изменение Z1. Следовательно шкала прибора может быть градуирована в единицах частоты, т.к. F fX .

Электродинамические частотомеры выпускаются для измерения частоты в узком диапазоне (45-55, 450-550 Гц), классов точности 1, 1.5. Фазометры – в виде переносных приборов с диапазоном измерений угла φ от 00 до 900 и cosφ от 0 до 1 для индуктивной и емкостной нагрузки, классы точности 0.2, 0.5.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Вращающий момент в электростатических механизмах возникает в результате взаимодействия двух электрически заряженных пластин (систем проводников), одна из которых является подвижной.

Если между пластинами приложить напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего подвижные пластины будут притягиваться к неподвижным.

Энергия электростатического поля, запасенная электростатическим измерительным механизмом

Wэст 12 CU2 .

Подставив значение этой энергии в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2), получим

1 dC U 2 . 2D d

Из уравнения следует, что показания прибора не зависят от полярности приложенного напряжения.

В случае переменного тока осуществляется усреднение показаний по времени:

Рис. 3.12. Электрическая схема электростатического вольтметра

69

где u(t) – мгновенное значение измеряемого переменного напряжения, U – его действующее значение, Т – период усреднения.

Особенностью конструкции электростатических вольтметров является то обстоятельство, что приходится принимать меры по защите от короткого замыкания источника измеряемого напряжения, возможного при случайных ударах, тряске и т.п. Поэтому прибор включается в цепь с помощью зажимов 1 и 2, т.е. через резистор R (рис. 3.12).

При измерениях на повышенных частотах (выше сотен килогерц), защитный резистор во избежание дополнительной частотной погрешности отключается путем включения прибора через зажимы 1 и Э (экран).

Кдостоинствам вольтметров электростатической системы относят:

-широкий частотный диапазон (до 10 МГц);

-ничтожное потребление энергии, т.е. высокое входное сопротивление;

-независимость показаний от внешних магнитных полей.

Недостатки:

-низкая чувствительность;

-необходимость экранирования от внешнего электрического

поля.

В настоящее время выпускаются несколько типов вольтметров и

киловольтметров с верхними пределами измерений от 30 В до 75 кВ, с входным сопротивлением 1010 – 1014 Ом.

активной мощности переменного тока, т.е.

Mвр kUIcos ,

70