книги из ГПНТБ / Быков М.А. Электрические измерения электрических величин [учеб. пособие]

другая часть — через второе сопротивление (например, R \ ) . Измеряемое напряжение распределяется пропорционально со­

тельных приборов в силу инерционности не способен реагиро­ вать на мгновенное значение выпрямленного тока и измеряет среднее значение тока за период (т. е. постоянную составляю­ щую).

Принимая во внимание уравнение (Ш-9) шкалы магнито­ электрического прибора, запишем уравнение шкалы прибора выпрямительной системы

Я = S J / С р ,

где / С р —постоянная составляющая выпрямленного тока при двухполупериодном выпрямлении. При однополупериодном вы­ прямлении постоянная составляющая в два раза меньше, чем при двухполупериодном, так как ток через измерительный ме­ ханизм проходит только в течение одного полупериода.

В цепях переменного тока принято измерять действующее значение, связанное со средним значением соотношением

в действующих значениях синусоидального тока. Для синусои­

умножают на 1,11 при двухполупериодной схеме и на 2,22—при однополупериодной. Следует иметь в виду, что в цепях неси­ нусоидального тока эти приборы будут показывать не дейст­ вующее значение величины, а ее среднее значение, умножен­ ное на постоянный коэффициент (1,11 или 2,22),

130

Выпрямительные приборы пригодны для применения в це­

щейся между элементами самого выпрямителя. С повышени­ ем частоты через эту емкость ответвляется часть тока, которая проходит в приборе, минуя «запирающий» слой и, таким обра­ зом, вносит погрешность в измерение. Схемы частотной ком­ пенсации позволяют устранить влияние частоты в диапазоне до 10 кгц.

Выпрямительные приборы подвержены влиянию темпера­ туры. С увеличением температуры, как это следует из вольтамперных характеристик выпрямителя, уменьшаются его со­ противление и коэффициент выпрямления, что приводит к из­ менению показаний прибора. Существует ряд схем темпера­ турной компенсации, позволяющих свести к минимуму темпе­ ратурную погрешность.

Показания выпрямительных приборов зависят от формы кривой измеряемого тока или напряжения, так как коэффи­ циент формы входит в уравнение шкалы прибора.

На точность выпрямительных приборов оказывают влия­ ние непостоянство параметров выпрямителей и трудность под­ бора выпрямителей с одинаковыми параметрами, что важно для симметричной работы схем при прохождении положитель­ ной и отрицательной полуволн.

П р и б о р ы т е р м о э л е к т р и ч е с к о й с и с т е м ы

При измерениях в электрических цепях переменного тока высокий частоты применяются приборы термоэлектрической системы, представляющие собой соединение магнитоэлектри­ ческого измерительного механизма с одной или несколькими термопарами.

Термопара представляет собой два проводника, выполнен­ ные из разных металлов и соединенные между собой сваркой, пайкой или каким-либо другим способом в одной точке.

Как известно, при нагревании места спая проводников (на­ зываемого «горячим» опаем) между свободными концами термопары («холодные концы» или «холодные спаи») возни­ кает термо-э. д. с. постоянного направления. Величина этой

никами А и Б, соединенными друг с другом и с нагревателем Я в точке С (место горячего спая). Если по нагревателю про­ пустить измеряемый ток /, а к свободным концам термопары

132

присоединить магнитоэлектрический измерительный меха­ низм, в цепи последнего потечет термоток / т , который вызовет отклонение стрелки прибора на угол а.

Количество тепла, выделяемое в месте горячего апая, позакону Джоуля пропорционально квадрату тока /2 ; следователь­ но, и разность температур между горячим и холодным опаями пропорциональна /2 . Тогда термоток / т в цепи измерительного механизма тоже пропорционален /2 .

Рис. 111-57

На основании уравнения (Ш-9), выведенного для прибора магнитоэлектрической системы, запишем уравнение шкалы терімоэлектр ического прибора

нально квадрату измеряемого тока. Следовательно, приборы этой системы способны измерять как постоянный, так и пере­ менный ток, причем в цепи переменного тока они показывают его действующее значение.

Сочетание одной или нескольких термопар с нагревателем получило название термопреобразователя.

В практике нашли применение две конструкции термопревбразователей: контактные преобразователи, где горячий спай непосредственно касается нагревателя (рис. Ш-57, а), и бес­

контактные, в которых горячий спай отделен от нагревателя слоем изоляции, чаще всего из стекла (рис. Ш-57, б).

Контактные преобразователи применяются с одной термо­ Шарой, а так как термо-э. д. с. одной термонары очень мала (от 30 до 50 мв), такого типа термопреобразователи требуют при­

менения высокочувствительных измерительных механизмов. Кроме того, в контактных преобразователях возникает неко­ торая разность потенциалов в месте горячего спая в силу того, что место спая нельзя рассматривать как точку и следует учи-

133

тывать площадь касания, обладающую некоторым сопротив­ лением.

Ток нагревателя / создает на этом сопротивлении падение напряжения, называемое «контактной разностью потенциа­ лов», величина которой зависит от направления тока и влияет на возникающий термоток (следовательно, вызывает погреш­ ность измерения).

Бесконтактные преобразователи свободны от этих недостат­ ков, так как: 1) не соприкасаются с нагревателем и 2) позво­ ляют включать последовательно несколько термопар, создавая общую термо-э. д. с , равную их сумме.

Однако в бесконтактных преобразователях имеется потеря чувствительности вследствие увеличения сопротивления цепи (несколько термопар!). Кроме того, наличие изоляционной прокладки между спаем и нагревателем ухудшает условия теплоотдачи и, следовательно, увеличивает тепловую инерцию прибора.

Существует несколько схем (типа мастиковых), позволяю­ щих уменьшить рассмотренные недостатки за счет рациональ­ ного включения термопар в электрическую цепь.

Термопреобразователи на большие токи (более 0,5 а). де­ лают воздушными, так как большие токи вызывают значитель­ ное выделение тепла в горячем спае. На рис. ÏII-58, а изобра­ жен воздушный термопреобразователь. Здесь измеряемый ток подводится к латунным колодкам (Л—А), между которыми расположены проводники термопары таким образом, что горя­ чий спай находится на воздухе. Измерительный прибор при­ соединяется к зажимам (Б—Б).

Рис. III-5S

Вприборах большей чувствительности, рассчитанных на малые токи (1—30—500 ма), термопара помещается в вакуум, чтобы избежать потерь на отдачу тепла в окружающее прост­ ранство (рис. ПІ-58, б).

134

Термоэлектрические приборы способны работать в цепях постоянного и переменного тока. Практически они используют­ ся только на переменном токе, где .измеряют его действующее значение. Применение их в цепях постоянного тока нецелесо­ образно из-за низкого класса точности (по сравнению с маг­ нитоэлектрическими), квадратичноети шкалы и др.

Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратич­ ной, но не квадратична ввиду двух обстоятельств:

1)с увеличением измеряемого тока повышается темпера­ тура нагревателя и несколько увеличивается его сопротивле­ ние, что вызывает еще большее увеличение неравномерности шкалы;

2)с увеличением температуры нагревателя резко усилива­ ется теплоотдача через излучение тепла, что вызывает умень­ шение неравномерности шкалы прибора.

Термоэлектрические приборы выпускаются классов точно­ сти 1,0; 1,5; 2,5.

Показания термоэлектрических приборов в большом диа­ пазоне частот переменного тока (до десятков Мгц) практиче­ ски не зависят от частоты и формы кривой тока, что является их большим преимуществом по сравнению с приборами дру­ гих систем. Это ценное качество объясняется ничтожной собст­ венной емкостью и индуктивностью термоэлектрического пре­ образователя. Термоэлектрические миллиамперметры способ­ ны работать в диапазоне до нескольких десятков Мгц; частот­ ный диапазон вольтметров значительно ниже и не превышает 1—2 Мгц, так как с ростом частоты резко возрастает реактив­ ная составляющая добавочного сопротивления. На более вы­ соких частотах начинают сказываться емкостные связи между колодками, и часть тока проходит через образовавшуюся ем­ кость, минуя измерительный механизм.

Кроме того, за счет возрастания поверхностного эффекта в нагревателе повышается ело сопротивление и, следователь­ но, температура горячего спая, что вызывает изменение пока­ заний прибора.

Температура окружающей среды влияет, в основном, на со­ противление цепи измерительного механизма, которое возра­ стает с увеличением температуры. Если не принять соответст­ вующих мер, это вызовет погрешность в измерениях. Для ус­ транения температурных влияний пользуются схемами темпе­ ратурной компенсации, как это принято для приборов магнито­ электрической системы.

Собственное потребление термоэлектрических приборов значительно. (Например, амперметр на 5 а потребляет мощ­ ность ~ 1 вт).

135

Термоэлектрические приборы чувствительны к перегрузкам (легко перегорают), так как увеличение температуры в нагре­ вателе пропорционально квадрату тока.

Срок службы термоэлектрических приборов невелик даже при нормальных условиях эксплуатации, так как из-за окисле­ ния и других изменений в нагревателе характеристики прибо­ ра с течением времени изменяются. Основное применение тер­ моэлектрических приборов — измерение тока на радиочасто­ тах щитовыми и переносными амперметрами.

§ 5. ГАЛЬВАНОМЕТРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Гальванометр — это прибор, при конструировании и изго­ товлении которого основной целью является получение при­ бора с возможно большей чувствительностью. Это обычно до­ стигается в ущерб точности и стабильности показаний прибо­ ра. В гальванометре отсутствуют, как правило, какие-либо до­ полнительные элементы схемы — добавочные сопротивления, шунты; никогда не бывает схем температурной компенсации. Вращающие моменты в гальванометрах, естественно, бывают крайне малыми, соответственно весьма малыми бывают и про­ тиводействующие моменты: подвижная часть укрепляется в гальванометре обычно на подвесе или с помощью растяжек. Подвижная часть гальванометра делается предельно легкой конструкции; в частности, рамка гальванометра выполняется без внутреннего алюминиевого каркаса (наматывается и про­ клеивается лаком на специальном шаблоне, который после просушки лака удаляется). В гальванометре нет и никакого специального устройства для успокоения. Но успокоение осу­ ществляется с использованием явлений, происходящих в са­ мой обмотке подвижной части гальванометра, что будет под­ робно рассмотрено в последующем.

В гальванометрах высокой чувствительности применяется световой отсчет, так как самая легкая указательная стрелка уже слишком утяжелила бы подвижную часть прибора.

Чувствительность гальванометров, их условия успокоения

дуируются перед их применением и в условиях их применения.

В этом разделе рассматривается несколько разновидностей гальванометров: чувствительный гальванометр постоянного тока, баллистический гальванометр и вибрационный гальвано­ метр переменного тока.

136

Ч у в с т в и т е л ь н ы е г а л ь в а н о м е т р ы п о с т о я н н о г о т о к а

При тех крайне малых вращающем и противодействующем моментах, которые имеют место в высокочувствительном гальванометре постоянного тока, легко могут возникнуть не­ благоприятные режимы его работы: режимы чрезмерного или недостаточного успокоения с чрезвычайно длительными в обо­ их случаях временами успокоения — в зависимости от усло­ вий применения гальванометра. Это делает весьма сущест­ венным проведение анализа движения подвижной части галь­ ванометра при изменениях его показаний. Ниже проводится такой анализ для случая включения обесточенного гальвано­ метра в цепь некоторого постоянного тока I .

Из механики известно, что для жесткого тела, вращающе­ гося вокруг некоторой оси, произведение полярного момента инерции / тела относительно этой оси на угловое ускорение тела равно сумме всех моментов, действующих на это тело:

137

Перед выражением этого момента знак «—» поставлен по той причине, что момент всегда направлен в сторону, проти­ воположную направлению совершающегося перемещения по­ движной части прибора.

Как видно из выражения для Мусп, этот момент возникает лишь в процессе перемещения подвижной части прибора, он прямо пропорционален скорости этого перемещения и равен нулю при неподвижном положении подвижной части прибора.

Коэффициент успокоения Р состоит из двух частей, Р\ и Р2- Часть Рі обусловлена трением подвижной части прибора о воздух при ее перемещениях и составляет обычно лишь не­ большую долю от общего значения коэффициента Р. Другая

Если подвижная катушка гальванометра замкнута на ка­ кую-то внешнюю цепь с сопротивлением Rmm, то в катушке и в этой внешней цепи под действием индуктированной э. д. с. возникнет ток

е

Соответственно правилу Ленца, этот момент направлен навстречу происходящему перемещению подвижной катушки, на что указывает и знак «—», стоящий перед выражением этого момента.

138

Если сопоставить выражение для момента Mt с выражени­

ем для момента Мусп и вспомнить при этом, что Р = Р\ + Р2, то нетрудно увидеть, что

Таким образом, теперь нам известны все составляющие, входящее в уравнение (ПІ-34), если пренебречь эффектом от части Р{ коэффициента успокоения Р; и мы можем теперь написать это уравнение в более конкретном виде, перенеся по­ путно выражения моментов, имеющих перед ними знак «—»,в левую часть уравнения

уравнением второго порядка — с постоянными коэффициента­ ми и постоянным членам, не зависящим от переменного а.

Для упрощения решения этого уравнения, а главное, для получения решения в наиболее наглядном виде, сделаем в этом уравнении замену переменных и некоторые другие преоб­ разования.

уW

2.Заменим и переменную t на новую переменную т таким образом, что

3. Введем новую величину ß, называемую степенью успо­ коения,

139