книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

ные электростатические гальванометры — электрометры, у которых вместо растяжек использованы подвесы и введе­ но вспомогательное напряжение.

Измерение напряжений с помощью электростатических вольтметров можно производить в широком диапазоне ча­ стот. Верхний частотный предел ограничивается величиной тока через измерительный механизм l = 2nfCv U и возмож­ ностью появления резонанса напряжений в цепи вольтмет­ ра из-за наличия индуктивности соединительных проводов и емкости вольтметра С ѵ

Достоинства электростатических вольтметров: малое собственное потребление механизмом энергии (на постоян­ ном токе оно равно нулю, если пренебречь ничтожно малой энергией, затраченной на заряд электродов; на перемен­ ном— он потребляет реактивную мощность); независи­ мость показаний от формы кривой измеряемого напряжежения и внешних магнитных полей; малая зависимость показаний от температуры окружающей среды. Электро­ статические вольтметры чаще всего изготавливаются клас­ са 1,5—2,5, хотя имеются возможности создания более точ­ ных приборов. На показания приборов сильное действие оказывают внешние электростатические поля. Поэтому при­ меняют электростатическое экранирование: металлические корпуса, металлизация внутренней поверхности неметалли­ ческих корпусов фольгой или токопроводящей краской. Расширение пределов измерения электростатических вольт­ метров производят с помощью емкостных (на переменном токе) и резисторных (на постоянном токе) делителей на­ пряжения.

Основные недостатки электростатических вольтметров: малая чувствительность, неравномерность шкалы (сжатая в начале), наличие опасности электрического пробоя меж­ ду пластинами.

Электростатические измерительные механизмы исполь­ зуются главным образом для измерения напряжения в це­ пях постоянного и переменного токов в широком диапазоне частот. В последнее время эти приборы используют совме­ стно с электронными усилителями. Такое сочетание позво­ ляет получить новые качества и расширить область приме­ нения электростатических приборов (например, созданы высокочувствительные миллиамперметры и вольтметры пе­ ременного тока). В отечественной промышленности созданы переносные, однопредельные, лабораторные электростати­ ческие вольтметры типа С95, класса 1,5, с верхними преде­

160

ряемого тока. Поэтому показания прибора пропорциональ­ ны квадрату действующего значения измеряемого тока

а = К/1,

где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств термопары и параметров измерительного меха­ низма.

V

Рис. 5.15. Термоэлектрические приборы (термоамперметры):

а — е контактным' термопреобразователем; б — с термопреобразователем в виде креста; в — с бесконтактным термопреобразователем; г ~ термоба­ тарея; д и«е— мостовые

Из этого следует, что шкалы термоэлектрических при­ боров можно градуировать в действующих значениях изме­ ряемого тока и использовать приборы для измерений пере­ менного и постоянного токов; шкалы имеют квадратичный характер.

162

Термоамперметры позволяют измерять токи в очень ши­ роких пределах — от миллиампер до нескольких сотен ам­ пер. Для измерения малых токов термопреобразователи по­ мещают в вакуум, что приводит к уменьшению потерь на излучение тепла в окружающую среду, увеличению нагре­ ва места спая и, следовательно, увеличению термо-э. д. с. термопары. При измерении больших токов поверхность на-

*гревателей должна охлаждаться, поэтому токопроводящие колодки нагревателя снабжаются охлаждающими ребра­ ми — радиаторами.

Для эффективного использования термо-э. д. с. несколь­ ких термопар их нужно соединить в виде моста и в его диагональ включить измерительный механизм (рис. 5.15, 5). На рис. 5.15, е дана схема, в которой термопары, образую­ щие плечи моста, своими открытыми концами присоединя­ ются к медным пластинам К, хорошо отводящим тепло от концов термопар. В результате этого при прохождении из­ меряемого тока создается разность температур между ме­ стом спая термопар и медными пластинами. Мост состоит из двух нагревателей, изготовленных из разных материа­ лов М и N, припаянных к массивным медным пластинам К. К середине нагревателя приварена проволочка из материа­ ла М, а к середине нагревателя М — из материала N. Об­ разуются две термопары в местах спая С, и измерительный механизм ИМ измеряет сумму двух термо-э. д. с. пропор­

циональных квадрату измеряемого тока, подводимого к пла­ стинам К.

При выборе термоэлектрических приборов следует ру­ ководствоваться паспортными данными термопреобразова­ телей, в которых указываются: максимально допустимый измеряемый ток, значение которого зависит от размеров нагревателя и ограничивается наибольшей допустимой тем­ пературой места спая; максимальная рабочая частота, за­ висящая в основном от размеров нагревателя (при малых диаметрах и длинах нагревателя паразитные индуктивно­ сти, емкости и поверхностный эффект пренебрежимо малы и не снижаются до частот порядка нескольких сотен мега­ герц); термо-э. д. с., характеризующая возможности термо­ преобразователя, ее величина указывается для определен­ ных значений тока нагревателя; чувствительность, т. е. ве­ личина термо-э. д. с., возникающая при изменении температуры места спая термопары на 1° С; сопротивление термопары, необходимое для правильного выбора магнито­ электрического измерителя; сопротивление нагревателя,

определяющее потребление энергии от измеряемой цепи. Погрешности термоэлектрических приборов зависят от погрешностей измерительного механизма, температуры окружающей среды, частоты измеряемого тока. Погрешно­ сти измерительных механизмов определяются их классом точности. Температурные погрешности возникают за счет изменения сопротивления нагревателя и цепи измеритель­ ного механизма. На высоких частотах проявляются пара­

измерения больших токов. Поэтому каждый прибор рассчитан на работу до опреде­ ленной частоты, указанной в его паспорте. Диапазон этих частот велик — от одного до нескольких сотен мегагерц. Термоэлектрические амперметры выполняют стационарны­ ми и переносными, классов точности 1,0—4,0. Шкалы их близки к квадратичным.

Малое влияние частоты и формы кривой переменного тока на показания термоэлектрических приборов опреде­ ляют область их применения: они незаменимы при измере­ ниях тока на радиочастотах.

Расширить пределы измерения термоамперметров мож­ но использованием трансформаторов тока или включением отдельных термопреобразователей для каждого предела из­ мерения на один и тот же измерительный механизм.

Вольтметр термоэлектрической системы представляет

164

собой термоэлектрический миллиамперметр с последова­ тельно включенным резистором /?д (рис. 5.16, а ). Частотный диапазон измерений зависит только от термомиллиампер­ метра. Для уменьшения утечки тока через паразитную ем­ кость (корпус прибора — земля) миллиамперметр всегда включается у заземленной точки схемы. Утечку тока через емкость резистор — земля можно учитывать как поправку, изменяющуюся с частотой. Входное сопротивление термо­ вольтметра определяется проходящим через термопреоб­ разователь током. Этот ток не может быть меньше 10-М5 ма и потому величина входного сопротивления со­ ставляет около 100 ом/в. Для увеличения этого сопротив­ ления включать термоприбор через катодный повторитель

(рис. 5.16,б).

Точность измерения довольно высокая— (1-М ,5)% . Показания термовольтметра пропорциональны действую­ щему значению измеряемого напряжения независимо от его формы; шкала вольтметра — квадратичная.

Малая чувствительность и небольшое входное сопротив­ ление ограничивают область применения термовольтмет­ ров. В основном они используются как образцовые прибо­

и высоких частотах, вплоть до 50 Мгц.

Основные недостатки термоэлектрических приборов: не­ допустимость даже кратковременных перегрузок, неболь­ шой срок службы термопреобразователей, тепловая инер­ ционность, значительное собственное потребление мощ­ ности.

§ 5.8. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Выпрямительные (детекторные) приборы представляют собой магнитоэлектрический измерительный механизм в сочетании с полупроводниковыми преобразователями. Они предназначены для выпрямления (детектирования) знако­ переменного тока в пульсирующий, среднее значение (по­ стоянная составляющая) которого определяется магнито­ электрическим прибором. В качестве выпрямительных эле­

165

температуре окружающей среды. Вольтамперная характе­ ристика выпрямительного элемента имеет нелинейные и линейные участки. Для расчета и анализа работы прибо­

сти малых значений приложенного напряжения эту кривую можно аппроксимировать квадратичной зависимостью і= . = аи2, а в области больших — уравнением прямой i = Su, где а и S коэффициенты, зависящие от свойств детектора.

Выпрямляющее действие диодов характеризуется коэф­ фициентом выпрямления / ( в = /п р /Л >бр ==-#о бр /Д п р . Этот ко­ эффициент зависит от величины и частоты приложенного напряжения и температуры окружающей среды, т. е: К в = —F(u, /, t)\ при низких частотах и нормальной температуре

ления уменьшается. Изменение температуры выпрямитель­ ного элемента вызывает изменение его сопротивлений Rnр и Rобр; с повышением температуры они уменьшаются. Од­ нако температурный коэффициент обратного сопротивле­ ния в несколько раз выше температурного коэффициента прямого сопротивления, поэтому с повышением температу­ ры коэффициент выпрямления уменьшается.

Выпрямительный элемент выполняет свои функции только в некоторых пределах приложенного напряжения: при малых значениях выпрямление отсутствует, а при чрез­ мерном повышении напряжения наступает электрический пробой. Чтобы его не было, обратное напряжение на один выпрямительный элемент не должно превышать несколь­ ких единиц, десятков иногда сотен вольт. Эта величина за­ висит от типа, материала и устройства диода. С увеличе­ нием приложенного к выпрямителю напряжения в пределах рабочей области коэффициент выпрямления возрастает.

Выпрямительные элементы обладают собственной ем­ костью, которая ограничивает частотный диапазон их ис­ пользования.

через прибор і‘пр проходит только в течение половины пе­ риода, обратная полуволна пропускается через выпрями­ тель В 2. Такая схема амперметра не нарушает режим ра­ боты цепи и предохраняет выпрямитель В\ от пробоя. При двухполупериодном выпрямлении (рис. 5.17,6) выпрям-

166

ш

ленный ток і'пр проходит через прибор каждый полупериод. В сочетании с шунтами схема двухполупериодного вы­ прямления образует различные измерительные цепи вы­ прямительных амперметров. Часто количество выпрями­ тельных элементов сокращают, заменяя их балластными сопротивлениями г (рис. 5.18, а, б). При этом уменьшается

І-пр

зависимость показания прибора от изменения окружаю­ щей температуры, но снижается чувствительность схемы и увеличивается потребление энергии. Схему рис. 5.18, б надо применять при измерении больших токов, так как в ней каждый полупериод одно из сопротивлений г выполня­ ет роль шунта. Подбирая необходимые значения г, можно получить любой верхний предел измеряемого тока. Схема рис. 5.18, в позволяет с помощью трансформатора Тр отде­ лить цепь измеряемого тока от цепи измерителя; к недо­ статкам этой схемы следует отнести наличие трансформа­ тора и возможность измерения только переменной состав­ ляющей тока. Во всех выпрямительных схемах ток «пр через измерительный механизм ИМ протекает в одном на­

167

правлении и создает вращающий момент М (і) с мгновен­

среднего значения момента за период, так как из-за инер­ ционности подвижная часть ИМ не будет успевать следить за изменением мгновенного значения момента M (t)i

т

Мср — J М (t) dt — wa.

о

«Для случая измерения достаточно больших значений токов (i = Su), после подстановки соответствующих вели­ чин получаем для одно- и двухполупериодного выпрямле­ ния соответственно

Отсюда следует, что при помощи выпрямительных при­ боров можно измерять среднее значение переменного тока.

Действующее значение переменного тока I, которым чаще всего интересуются на практике, связано со средним через коэффициент формы К ф , поэтому (5.21) можно за­ писать так

Эта формула показывает, что шкалу выпрямительного прибора можно отградуировать в действующих значениях переменного тока, но для некоторой определенной формы кривой. Обычно выпускаемые промышленностью выпрями­ тельные амперметры градуируются в действующих значе­ ниях для синусоидальной формы кривой ( / ( ф = 1 , 1 1 ) . Если такими приборами измерять несинусоидальные токи, то их показания будут иметь дополнительные погрешности.

При некоторых условиях можно использовать нелиней­ ную часть вольтамперной характеристики (і — аи2), и тогда показание прибора будет пропорционально не среднему, а действующему значению измеряемого тока [18]. Из-за

№

нелинейности вольтамперных характеристик выпрямите­ лей шкалы выпрямительных приборов в начальной части сжаты.

Миллиамперметры на малые пределы измерения изго­ тавливаются без шунтов. Амперметры обычно имеют шун­ ты, которые кроме уменьшения тока в ИМ и плотности тока в выпрямителях необходимы для компенсации по­ грешностей от температуры и частоты и создания много­ предельных амперметров.

Различные пределы измерений вольтметров получают включением добавочных сопротивлений в цепь переменного тока перед выпрямляющим устройством. Эти сопротивле­ ния изготавливают из манганина и частично из меди для компенсации температурных изменений выпрямителей.

Точность выпрямительных амперметров и вольтметров в основном лимитируется изменением параметров выпря­ мителей с течением времени, влиянием на них внешней температуры и изменения частоты измеряемого тока. Поэ­ тому обычно они изготавливаются класса 4 или 2,5 и в лучшем случае 1,5. Основная область применения выпря­ мительных приборов—измерение синусоидальных токов и напряжений на повышенных частотах. Диапазон ^рабочих частот в основном зависит от типов применяемых в них выпрямительных элементов (точнее от их внутренней ем­ кости) и наличия частотной компенсации. Так, например, приборы с меднозакисными выпрямителями используются на частотах до 2 кгц, а при наличии частотной компенса­ ции— до 10 кгц. На более высоких частотах, вплоть до 1000 Мгц, применяются германиевые и кремниевые диоды с точечными контактами, но в этом случае выпрямитель­ ные приборы выполняют роль индикаторов.

При испытании радиоприемных и усилительных уст­ ройств часто требуется, чтобы их выход в процессе измере­ ния был нагружен на неизменное сопротивление. Для этой цели изготавливают простые детекторные вольтметры — из­ меритель выхода, входное сопротивление которых постоян­ но ( 2 0 ком) и не зависит от величины измеряемого напря­ жения. Постоянство входного сопротивления достигается одновременным изменением добавочных и шунтирующих резисторов. Пределы измерений выпрямительных приборов велики — амперметры от 0 , 2 ма до нескольких десятков ампер; вольтметры от 0,3 в до нескольких сотен вольт.

В большинстве случаев выпрямительные приборы вы­ полняются комбинированными и многопредельными. В

169