5.2.1. Масштабные преобразователи.
Масштабным преобразователем называют измерительный преобразователь, предназначенный для измерения размера величины или параметра измерительного сигнала в заданное число раз. Основное назначение масштабных преобразователей – приведение значительно отличающихся размеров величин к близким значениям с целью их дальнейшего сравнения. Более конкретно – это приведение размера измеряемой величины к размеру, воспроизводимому мерой. Простейший наглядный пример – это рычажные весы с одним регулируемым плечом – так называемый безмен, в котором большая масса различных грузов сравнивается с намного меньшей массой одной и той же гири путем изменения длины плеча со стороны груза. При этом длина плеча отградуирована в значениях массы гири, умноженной на отношение длины плеча со стороны груза к длине плеча со стороны гири.
В радиоэлектронных измерениях масштабному преобразованию подвергаются “силовые” (ток) и производные от него – напряжение и мощность величины, а также интервал времени и производные от него величины – фазовый сдвиг и частота.
К масштабным преобразователям относятся делители напряжения, шунты, делители мощности, трансформаторы тока и напряжения, аттенюаторы, измерительные усилители и делители частоты.
Как и преобразователи величин, масштабные преобразователи характеризуются:
коэффициентом преобразования, который для масштабных преобразователей иногда называют коэффициентом передачи;
линейностью коэффициента преобразования;
частотной характеристикой;
температурной зависимостью.
Дополнительным важным требованием к масштабным преобразователям является согласование входных и выходных цепей, которое влияет на погрешность измерения. Когда говорят о согласовании, то подразумевают определенные требования к соотношению импедансов входа и выхода преобразователя с импедансами источника напряжения, тока мощности и импедансом нагрузки. Условиями согласования масштабных преобразователей являются:
при измерении напряжений – бесконечно большое сопротивление нагрузки по сравнению с генератором;
при измерении токов – бесконечно большое сопротивление генератора по сравнению с сопротивлением нагрузки;
при измерении мощности – равенство импедансов источника мощности генератора и нагрузки.
Делители напряжения.
Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяют делители напряжения, которые в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление. Серийно выпускают делители напряжения, предназначенные для расширения пределов измерений компенсаторов постоянного тока. Такие делители выполняют из резисторов на основе манганина. Они имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0,0005 до 0,01.
Для
увеличения верхнего предела измерения
средства измерений, например предела
измерения вольтметра, имеющего внутреннее
сопротивление
,
применяют добавочные резисторы,
включаемые последовательно с вольтметром.
При этом добавочный резистор и вольтметр
образуют делитель напряжения. Сопротивление
добавочного резистора определяют по
формуле
, (5.10)
где
- измеряемое напряжение;
- падение напряжения на вольтметре;
- внутреннее сопротивление вольтметра.
Добавочные резисторы делают из
манганиновой проволоки и используют в
цепях постоянного и переменного тока
(до 20 кГц). Они бывают встраиваемые
внутрь прибора и наружные. Серийно
выпускают калиброванные добавочные
резисторы, применяемые с любым прибором,
имеющим указанный номинальный ток.
Классы точности калиброванных добавочных
резисторов от 0,01 до 1. Добавочные резисторы
применяют для преобразования напряжения
до 30 кВ. Номинальный ток добавочных
резисторов от 0,5 до 30 мА.
Шунты.
Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. Например, такая задача возникает в том случае, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока.
Шунт
представляет собой резистор, включаемый
параллельно средству измерений, как
показано на рис. 5.4. Если сопротивление
шунта
,
где R
- сопротивление средства измерений;
- коэффициент шунтирования, то ток
в n
раз меньше тока
.
Рис. 5.4. Схема включения измерительного механизма с шунтом.
Шунты изготавливают из манганина. В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты обычно помещают в корпусе прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Шунты могут быть многопредельными, т. е. состоящими из нескольких резисторов, или имеющими несколько отводов, что позволяет изменять коэффициент шунтирования. Классы точности шунтов от 0,02 до 0,5.
Шунты применяют с различными средствами измерений, однако в основном их используют в цепях постоянного тока в магнитоэлектрических приборах. Шунты с измерительными механизмами других типов не применяют из-за малой чувствительности этих механизмов, что приводит к существенному увеличению размеров шунтов и потребляемой ими мощности. Кроме того, при использовании шунтов на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, так как с изменением частоты сопротивления шунта и измерительного механизма изменяются неодинаково.