книги из ГПНТБ / Черкасов А.Л. Радиотовары учебник

Глава 2

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

При эксплуатации любых радиотехнических устройств (радиоприемников, магнитофонов, телеви­ зоров) приходится выполнять многочисленные радио­ измерения. Без измерения нельзя также ремонтиро­ вать радиоаппаратуру. Только измеряя электрические величины деталей и сопоставляя их со спецификацией и схемой, проверяя режимы узлов и всей установки в целом, можно определить место и причину неис­ правности, а следовательно, и устранить ее.

Т а б л и ц а 2

В настоящей книге изложен только минимум све­ дений, необходимых специалистам по торговле ра­ диотоварами. Такие специалисты должны знать глав­ ные методы и способы измерения основных радио­ технических величин, а также принципы работы измерительных приборов и протекающие в них фи­ зические процессы, уметь в каждом конкретном слу-

31

чае правильно выбрать нужный метод, способ и из­ мерительный прибор, выполнить измерение практиче­ ски и оценить точность полученных результатов.

Измерением называется процесссравнения физи­ ческой величины с единицей измерения, результат которого выражается числом.

Измерительными приборами называются меха­ низмы и устройства, имеющие подвижные части или элементы, расположение, форма или состояние кото­ рых изменяются в соответствии с изменением изме­ ряемой величины, образуя при этом визуально на­ блюдаемое число.

В табл. 2 приведены наиболее употребительные единицы электрических и магнитных величин между­ народной системы единиц СИ.

КЛАССИФИКАЦИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

на в о д к о й (компарирующие).

Взависимости от характера явления, используе­ мого для создания необходимой механической силы, различные виды электроизмерительных приборов объединяют в системы. Важнейшими системами элек­ троизмерительных приборов являются: магнитоэлек­ трическая, электромагнитная, электродинамическая,

электростатическая, вибрационная, тепловая (термо­ электрическая) .

Магнитоэлектрическая система основана на взаи­ модействии проводника, обтекаемого током, с полем постоянного магнита. Приборы этой системы пред­ ставляют собой постоянный магнит, в его поле может поворачиваться катушка, к которой ток подводится через две спиральные пружинки, служащие одновре­ менно для создания противодействующего момента. Магнитоэлектрические приборы (амперметры,, вольт­ метры) пригодны для измерения постоянного тока и имеют равномерную шкалу. Эти приборы отличаются чувствительностью, точностью и малым потреблением мощности.

32

Электромагнитная система основана на взаимо­ действии катушки, обтекаемой измеряемым током, н сердечника из ферромагнитного материала. Под дей­ ствием тока, проходящего через катушку, в щель по­ следней втягивается эллипсовидный сердечник, экс­ центрично насаженный на оси, и поворачивает свя­ занную с осью стрелку прибора. Электромагнитные приборы имеют неравномерную, сжатую слева шкалу и применяются для измерения в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты (50 Гц).

Электродинамическая система основана на взаи­ модействии двух катушек (подвижной и неподвиж­ ной), обтекаемых током. Подвижная катушка жестко посажена на ось, к которой прикрепляется стрелка. При прохождении тока по обеим катушкам подвиж­ ная катушка стремится повернуться и занять такое положение, при котором потоки, создаваемые обеими катушками, совпадали бы по направлению. Электро­ динамические приборы (амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики и фазометры) пригодны для по­ стоянного и переменного тока. Шкала электродина­ мических амперметров неравномерна, а ваттметров равномерна. Точность их достигает 0,3— 1% наиболь­ шего значения шкалы.

Электростатическая система основана на принципе взаимодействия двух заряженных проводников. При­ бор состоит из двух неподвижных алюминиевых ка­ мер и двух вращающихся алюминиевых пластин, за­ крепленных на оси со стрелкой. Если измеряемое напряжение подвести одним полюсом к неподвижным камерам, а другим к пластинам, то между камерами и пластинами, заряженными противоположными по знаку зарядами, возникнут силы притяжения и пла­ стины будут стремиться войти внутрь камер, повора­ чивая ось со стрелкой. Электростатический прибор практически не потребляет мощности. Он приме­ няется только как вольтметр для измерения высоких напряжений маломощных источников постоянного и переменного тока промышленной частоты.

Вибрационная система основана на механическом резонансе собственных колебаний упругих пластин (язычков) с частотой переменного тока. Вибрацион­ ные приборы применяются в виде частотомеров.

Термоэлектрическая система представляет собой комбинацию термоэлемента и магнитоэлектрического прибора. Принцип действия термоэлектрического из­ мерительного прибора сводится к следующему. Изме­ ряемый ток проходит через металлическую нить и на­ гревает присоединенный к нити спай проводников различных металлов, образующих термопару, .разви­ вая постоянную по направлению ЭДС, которая вы­ зывает отклонение стрелки милливольтметра магни­ тоэлектрической системы, подключенного к холодным концам термопары. Термоэлектрические приборы при­ меняют главным образом в цепях повышенной и вы­ сокой частоты.

Взависимости от назначения все приборы разде­ лены на 16 групп, которые обозначают прописными буквами русского алфавита:

А — приборы для измерения тока;

В— приборы для измерения напряжения;

М — приборы для измерения мощности;

Ч— приборы для измерения частоты;

Ф— приборы для измерения сдвига фаз и времени запаздывания;

Л— приборы для измерения параметров электро­ вакуумных и полупроводниковых приборов и т. д.

Каждая группа состоит из нескольких подгрупп, обозначаемых цифрами по порядку. В подгруппах модели прибора различаются порядковыми номерами

истепенью модернизации. Перед порядковыми номе­ рами ставится черточка (дефис), например В2-1, А4-7

ит. д. В обозначении модернизированных приборов после номера модели добавляется прописная буква

русского алфавита: А — первая модернизация, Б — вторая и т. д. Например, МЗ-2Б означает: измери­ тель поглощаемой мощности, вторая модель, вторая модернизация.

РАДИОИЗМЕРЕНИЯ

К важнейшим электрическим величинам, которые необходимо измерять, относятся следующие:

ток (/) постоянный или переменный, измеряемый амперметрами;

34

напряжение ( U) постоянное или переменное, из­ меряемое вольтметрами;

электрическая мощность постоянного тока (P —IU) и активная мощность переменного тока (P —IUcosq>)-, электрическая энергия (W) постоянного или пере­

менного токов, измеряемая счетчиками;

частота переменного тока (f), измеряемая часто­ томерами;

сопротивление (R), измеряемое мостовыми схе­ мами или омметрами.

Измерение тока

Для измерения величины тока, текущего в какойлибо цепи, эту цепь разрывают, а менаду точками раз­ рыва включают измерительный прибор — а м п е р -

1

U

J

а

Рис. 13. Включение амперметра при измерении тока:

а — низкой частоты; б — высокой частоты

метр. Амперметры по классификации относятся к группе А; номер подгруппы показывает назначение амперметра, например А2... — для постоянного тока, АЗ... — для переменного тока, А4... — универсальные.

При измерении тока амперметр следует включать в месте наименьшего потенциала измеряемой цепи относительно земли (рис. 13).

Амперметры для измерения токов звуковой и вы­ соких частот должны иметь минимальные «паразит­ ные» параметры (собственную емкость и сопротивле­ ние). Чем меньше емкость и индуктивность между клеммами амперметра, тем выше собственная резо­ нансная частота и тем выше рабочая частота, при ко­ торой можно измерять ток.

Непосредственное измерение тока высокой часто­ ты затруднительно, поэтому измерение выполняют

приборами с преобразователями тока высокой ча­ стоты в энергию постоянного тока. Наиболее распро­ страненными приборами такого вида являются т е р ­ мо а м п е р м е т р ы.

Термоамперметр состоит из термопреобразователя и индикатора. Термопреобразователь представляет собой одну или несколько термопар. В качестве инди­ катора применяют прибор постоянного тока, обычно магннтоэлектрическ и й

им величины тока пли напряжения. Существуют ам­ перметры на 1 А, 5 Л, 10 А и т. д. Но всегда оказыва­ ется возможным расширить предел измерения данного

сит название ш у н т а (рис. 14). В данном примере соп­ ротивление шунта должно равняться сопротивлению амперметра. Если бы с помощью амперметра на 5 А надо было измерить токи в цепи до 20 А, то для этого необходимо было бы пользоваться шунтом с сопротив­ лением в 3 раза меньшим сопротивления амперметра. Тогда ток в 20 Л распределился бы на ток 5 Л в ам­ перметре и 15 Л в шуите. В этом случае благодаря шунтированию цена деления амперметра увеличивает­ ся в 4 раза.

Сопротивление шунта легко рассчитать, исполь­ зуя для этого закон распределения токов при парал­ лельном соединении проводников:I

36

где / а — ток в амперметре; / ш — ток в шунте;

Да— сопротивление амперметра; Дга— сопротивление шунта.

Для измерения токов на высоких частотах приме­ няют только реактивные шунты, которые позволяют создать измерительную цепь, в определенных преде­ лах не зависящую от частоты. В качестве реактивных шунтов используют катушки индуктивности или кон­

формуле

Величину тока при емкостном шунте определяют по формуле

/ = / пр

Измерение напряжения

Приборы, измеряющие напряжение, — в о л ь т ­ ме т р ы — присоединяются параллельно участку цепи, на котором измеряется падение напряжения (рис. 16). К вольтметрам предъявляют следующие основные требования: широкие пределы измерения; широкий диапазон частот, в котором можно выполнять измере­ ния;- большие входные сопротивления — активные и реактивные.

37

Все многообразие применяющихся в радиоизмере­ ниях вольтметров можно разбить на два класса: стре­ лочные и цифровые. У стрелочных вольтметров пока­ зания считываются со шкалы против остановившейся стрелки; у цифровых — результаты измерений появ­ ляются в виде светящихся цифр на передней панели прибора.

Наибольшее распространение получили стрелоч­ ные вольтметры следующих систем: термоэлектриче­ ские, электростатические, детекторные и ламповые.

В последнее время уделяется большое вни­ мание повышению точно­ сти и быстроте измерения напряжения. Стрелоч­ ные вольтметры в силу инерционности магнито-

вольтметров составляет не более 2—3%.

Решением вопроса является создание новых изме­ рительных приборов, так называемых цифровых вольт­ метров. Эти вольтметры предназначаются для изме­ рения постоянного или медленно меняющегося напря­ жения. Для измерения переменного напряжения его предварительно нужно преобразовать в постоянное.

Основным конструктивным узлом цифрового вольт­ метра является преобразователь измеряемого напря­ жения в цифровой код. В этом преобразователе величина измеряемого напряжения сравнивается с об­ разцовым . (опорным) напряжением, которое выраба­ тывается в схеме вольтметра. В момент равенства измеряемого и образцового напряжений преобразо­ ватель выдает некоторую комбинацию импульсов, или, как говорят, вырабатывает код. Этот код посту­ пает на цифровой визуальный индикатор и вызывает в последнем вспышку цифр, соответствующих значе­ нию измеряемой величины. Точность измерений до­ стигает 0,1—0,01%, пределы измерений — от 1 мВ до

1000 Bt

38

Для расширения пределов измерения стрелочного вольтметра и приспособления его таким образом к измерению напряжений больших, чем те, на кото­ рые он рассчитан, к нему надо последовательно при­ соединить проводник с добавочным сопротивлением. Так как при последовательном соединении проводни­ ков напряжения на отдельных участках цепи пропор­ циональны сопротивлениям этих участков, то вели­ чину добавочного сопротивления легко рассчитать по формуле

где Ддоб — добавочное сопротивление; Р в — сопротивление вольтметра; U— измеряемое напряжение;

Ub — напряжение на зажимах вольтметра.

Измерение мощности

Потребляемую мощность в случае, когда нагрузка представляет чисто активное сопротивление, можно определить косвенным путем, измерив ток и напря­ жение, так как мощность Р есть произведение силы тока на напряжение:

P = U-I.

При известном значении активного сопротивления потребляемую мощность можно определить по пока­ занию одного амперметра:

P = P - R в-

При согласованной нагрузке можно определить мощность по показаниям одного вольтметра:

39