книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

гальванометр предназначен для импульсных измерений. Теория баллистического гальванометра (см. § 21) показывает, что если при­ нять допущение о том, что подвижная часть начинает свое движение после окончания импульса тока в обмотке подвижной рамки, то количество электричества Q, протекшее в цепи, пропорционально первому максимальному отклонению указателя (иногда это отклоне­ ние называют баллистическим отбросом) а 1 т , т. е.

Следует отметить, что Ca не остается неизменной для данного гальванометра, а сложным образом зависит от сопротивления внеш­

к а к баллистический.

Кулонметры. Своеобразным прибором для измерения количества электричества является щитовой милликулонметр типа М368. Он имеет два предела измерения — 30 и 150 мК. Основная погрешность показаний прибора не превышает ± 5 % . Длительность измеряемых импульсов тока должна находиться в пределах 0,05—2 с, амплитуда импульса — в пределах от 20 до 200 мА, форма импульса — практи­ чески прямоугольная.

Прибор имеет магнитоэлектрический измерительный механизм и отличается от рассмотренных ранее конструкций той особенностью, что в нем отсутствует устройство для создания противодействующего момента. Подвод тока к обмотке рамки осуществляется посредством безмоментных токоподводов. Обмотка рамки намотана на толстом алюминиевом каркасе, в котором при движении рамки индуктируется

110

ток, создающий тормозной момент, пропорциональный скорости движения.

Под действием вращающего и тормозного моментов рамка вра­ щается с постоянной, пропорциональной току скоростью в течение всего времени, пока длится импульс тока.

При этом величина отброса стрелки будет пропорциональна про­ изведению длительности импульса и величины тока, т. е. количеству электричества, протекшему через прибор.

Возвращение стрелки на нуль производится пропусканием через прибор тока обратного направления, создаваемого посредством по­ стороннего источника.

Счетчики количества электричества (счетчики ампер-часов) пред­ назначены для измерения количеств электричества, протекающих в течение длительного времени. Например, их используют для конт­ роля процесса заряда и разряда аккумуляторов.

Применяют две разновидности счетчиков количества электриче­ ства — магнитоэлектрические и электролитические.

Принцип действия и конструкция выпускаемых промышленностью магнитоэлектрических счетчиков (например,типа СА-М640 и СА-640У) состоят в следующем.

Между полюсами двух постоянных магнитов вращается алюми­ ниевый диск, внутри которого размещены три катушки, соединенные треугольником. При прохождении по катушкам тока последний, вза­ имодействуя с потоком постоянных магнитов, создает вращающий момент. Для обеспечения постоянного направления вращения лиска постоянный ток подводится к катушкам через трехпластинчатый кол­ лектор.

Торхмозной момент создается при взаимодействии вихревых токов, возникающих при прохождении диска между полюсами магнитов, с потоком этих магнитов.

При непосредственном включении счетчика его счетный механизм учитывает количество электричества в ампер-часах, прошедшее через измеряемую цепь.

В ряде случаев счетчик включают в цепь при помощи шунта или в комплекте с различного рода измерительными преобразователями. При подобном включении в показания счетчика необходимо вводить соответствующие масштабные коэффициенты.

Конструкцию и принцип работы электролитического кулонметра можно пояснить на примере прибора тина Х003.

Измерительный элемент счетчика представляет собой герметический стек­ лянный сосуд (рис. 62) с горизонтальной капиллярной трубкой 1 (внутреннніі радиус г = 0,25 мм), расположенной рядом со шкалой 2. Электродная камера 3 соединяется с капилляром трубками большего диаметра 4. Электродная камера разделена ыа дне части электролитической ячейкой, состоящей из пористой стеклянной пластины 5, на сторонах которой находятся платиновые пористые электроды 6 и 7. Через электроды 6 проходит интегрируемый ток, а через элект­ роды 7 — ток от вспомогательного источника (батарейки, встроенной в корпус прибора) при установке указателя в нулевое положение. Пористая пластина пропитана электролитом — раствором кислоты. Показания счетчика отсчптываются но положению правого мениска 8 электролита. Пространство между ячейкой и указателем заполнено водородом,

И !

При прохождении электрического тока на катоде выделяется количество

используется, например, при измерении энергии радиации после преобразо­ вания ее в э. д. с. посредством термопары или фотоэлемента.

Электролитические кулонметры характеризуются высокой чувствительно­ стью, а также долговечностью, взрывобезопасностыо и практически неограни­ ченным сроком службы.

17. Измерение переменных токов и напряжений магнитоэлектрическими приборами с преобразователями переменного тока в постоянный

Общие замечания. Высокая чувствительность, точность и малое собственное потребление мощности выгодно отличают магнитоэлект­ рические приборы от других электромеханических приборов. Ввиду этого понятно стремление использовать магнитоэлектрический изме­ рительный механизм для измерений на переменном токе. Эта задача решена путем преобразования переменного тока в постоянный с по­ следующим измерением его магнитоэлектрическим прибором.

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный применяются полупроводниковые выпрямители, термопреобразова­ тели, электронные лампы и транзисторы. В соответствии с используе­ мым типом преобразователя приборы носят название: выпрямитель­ ные, термоэлектрические и электронные.

Полупроводниковые выпрямители имеют неограниченный срок службы, малые габариты и вес, что позволяет сделать выпрямитель­ ные приборы компактными, простыми и надежными в работе. Выпря­ мительные приборы отличаются высокой чувствительностью и малым потреблением мощности. Нелинейность характеристик полупровод­ никовых выпрямителей и сильное влияние температуры, а также наличие погрешности от формы искаженной кривой измеряемых то­ ков и напряжений приводят к снижению точности выпрямительных приборов. Область применениятаких приборов ограничена часто-

112

тами порядка 10—40 кГц, что объясняется влиянием собственной емкости полупроводниковых выпрямителей.

Термоэлектрические преобразователи обладают малой индуктив­ ностью и малой емкостью, ввиду чего показания термоэлектрического прибора мало зависят от частоты. Использование теплового действия тока в термоэлектрических приборах приводит к заметному увеличе­ нию потребляемой прибором мощности. Термоэлектрические при­ боры применяются главным образом в качестве высокочастотных ам­ перметров.

Электронные измерительные приборь/занимают особое место среди магнитоэлектрических приборов с преобразователями переменного тока в постоянный. В ряде случаев электронные приборы оказыва­ ются незаменимыми, и их применение значительно расширяет воз­ можности электроизмерительной техники. К числу основных до­ стоинств электронных приборов нужно отнести их высокую чувстви­ тельность, получаемую за счет использования усилительных свойств электронных ламп или транзисторов, что особенно важно для измере­ ний на переменном токе. Приборы могут работать в широком диапа­ зоне частот: от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц. Практическое отсутствие потребления мощности от измеряемой цепи позволяет использовать эти приборы для измерений в маломощных цепях (наладка радиосхем, схем связи и др.).

Наряду с этими достоинствами электронные измерительные при­ боры обладают также и недостатками, к числу которых следует от­ нести в первую очередь сравнительно невысокую точность вольтмет­ ров и необходимость источника питания. В настоящее время наибо­ лее распространены электронные вольтметры постоянного и перемен­ ного тока, приборы для измерения параметров электрических цепей, электронные частотомеры и другие.

Выпрямительные приборы. Эти приборы представляют собой

В зависимости от соединения измерительного механизма с вы­ прямителями схемы выпрямительных приборов делятся на схемы с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением. В схемах первого типа (рис. 63, а) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, обратная полуволна пропускается через диод Д2. Диод Д2, таким образом, защищает диод Д1 от пробоя при обратной полуволне. Сопротивление г, равное сопротивлению измерительного механизма, необходимо для уравни­ вания сопротивлений цепи в обоих направлениях тока.

Всхемах второго типа (мостовых) (рис. 63, б, в, г), наиболее рас­ пространенных, выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода". При этом в схеме рис. 63, б ио сравнению со схемой рис. 63, а вдвое увеличивается ток через изме­ рительный механизм.

Вмостовых схемах на каждый диод приходится только половина измеряемого напряжения, и если оно мало, то диоды будут работать

113

с низким коэффициентом выпрямления; следовательно, для измерения очень малых напряжений лучше применять схему рис. 63, а.

На практике мостовые схемы выпрямительных приборов иногда строятся лишь с двумя выпрямителями, а два других заменяются со­ противлениями г (рис. 63, в, г). Преимуществом таких схем включе­ ния является меньшая зависимость показаний прибора от изменения окружающей температуры. Но в связи с тем, что в измерительный механизм ответвляется лишь часть выпрямленного тока, необходимо

Д1

M — © - i

Рис. 63. Схемы включения измерительного механизма с выпря­ мителями: а — с однополупериодиым; б — с двухполупернодным;

ви г — с двухполупериодиым с заменой двух выпрямителей

резисторами

применять измерительный механизм большей чувствительности. Для измерения больших токов удобнее параллельная схема рис. 63, г. В ней в каждый полупериод одно из сопротивлений г играет роль шунта к выпрямителю.

Вращающий момент, действующий на подвижную катушку изме­ рительного механизма, как было показано в § 12, определяется фор­ мулой

Mt = Bwsi,

здесь і — мгновенное значение переменного тока, протекающего через измерительный механизм. Вследствие инерции подвижной части ее отклонение будет пропорционально среднему значению вращаю-

114

При измерениях на переменном токе обычно интересует действую­ щее значение тока. Учитывая, что действующее значение тока со средним связано равенством / с р = І/кф, где кф — коэффициент формы кривой, получим для двухполупериодной схемы выпрямления

Очевидно, что выпрямительный прибор может быть отградуирован в действующих значениях тока только для определенной формы кри­ вой тока или напряжения (для синусоиды кф = 1,11). Если форма кривой измеряемого тока (или напряжения) отлична от синусоидаль­ ной, появляется погрешность.

Тогда выпрямленный ток будет пропорционален действующему значению входного тока или напряжения и показания прибора не бу­ дут зависеть от формы их кривых. Если используется линейный уча­ сток характеристики выпрямителя, для снижения указанной погреш­ ности применяют схемы параметрической компенсации, о которых будет сказано дальше.

Сочетание той или иной схемы выпрямления с шунтами или доба­

Если через гс обозначить эквивалентное сопротивление выпрям­ ляющего устройства, т. е. отношение падения напряжения на выпрям­ ляющем устройстве и тока в нем, то значение тока в цепи вольтметра будет

/ = £//(/•„+ гд ),

где U — измеряемое переменное напряя+ение; гд — добавочное со­ противление.

115

Значительное изменение эквивалентного сопротивления выпрям­ ляющего устройства в зависимости от температуры существенно вли­ яет на величину тока, особенно при малых гд .

Для уменьшения погрешности, вызванной изменениями окружаю­ щей температуры, в вольтметрах с небольшими пределами измерения часть добавочного сопротивления делается из меди, имеющей поло­ жительный температурный коэффициент (рис. 64, Й). В такой схеме уменьшение эквивалентного сопротивления выпрямляющего устрой­ ства, связанное с повышением температуры, компенсируется увели­ чением добавочного сопротивления, т. е. происходит компенсация температурной погрешности.

Следует отметить, что компенсация получается неполной, так как при изменении температуры изменяется и коэффициент выпрям­

схеме с увеличением окружающей температуры сопротивление шунта увеличивается и, следовательно, увеличивается доля тока, идущего в выпрямительную схему.

Выпрямительным приборам свойственна частотная погрешность. Причина ее появления заключается в наличии собственной емкости выпрямителей и индуктивности рамки магнитоэлектрического при­ бора. Емкость выпрямителей, оказывающая основное влияние на погрешность, нелинейно меняется с частотой, а также может изме­ няться со временем и в зависимости от приложенного напряжения.

Для компенсации дополнительной погрешности от изменения ча­

С повышением частоты шунтирующее действие емкости выпрями­ теля увеличивается и показания прибора уменьшаются. Благодаря конденсатору С в схеме рис. 64, а при повышении частоты общий ток вольтметра возрастает, что и компенсирует уменьшение выпрямлен­ ного тока. В схеме рис. 64, б при повышении частоты уменьшается доля тока, ответвляющегося в шунт с индуктивностью L , что также приводит к компенсации погрешности от изменения частоты.

116

Выпрямительные миллиамперметры на малые пределы измерения могут изготовляться для непосредственного включения в цепь без шунта. Амперметры обычно имеют шунты, так как значительное уве­ личение плотности тока в выпрямителях недопустимо. Шунты также необходимы для компенсации погрешности, от изменения частоты и температуры и для создания многопредельных амперметров. Схемы

Рис. 65. Схемы выпрямительных амперметров: а — на малый ток; б — на большой ток

выпрямительных амперметров на малый (а) и на большой (б) токи приведены на рис. 65. Компенсация погрешности от изменения тем­ пературы и частоты выпрямительных амперметров производится по тому же принципу, что и у вольтметров. Для повышения точности выпрямительных приборов необходимо уменьшать влияние искажен­ ной формы кривой. Для этого, как было указано выше, применяется

Рис. 66. Схемы параметрической компенсации погрешности от формы кривой: а — с RC -фильтром; б — с LC -фильтром

параметрическая компенсация. Принцип параметрической компенса­ ции заключается в том, что высшие гармоники, содержащиеся в неси­ нусоидальной кривой, задерживаются специальными фильтрами, включенными в схему прибора. Одновременно фильтр служит и для подавления пульсаций выпрямленного тока в цепи измерительного механизма. Существуют схемы параметрической компенсации с ис­ пользованием емкости, индуктивности, RC- и LC-фильтров. На рис. 66, а и б приведены упрощенные схемы выпрямительных при­ боров с параметрической компенсацией с помощью RC- и LC-фильт­ ров. Выбором постоянной времени фильтра для заданной частоты (или в некотором диапазоне ее изменения) можно уменьшить влияние формы кривой измеряемого сигнала на показания прибора.

117

Так как выпрямительным приборам, кроме погрешности от формы кривой, свойственны температурная и частотная погрешности, то наилучшей схемой параметрической компенсации считают такую, ко­ торая позволит получить минимальную суммарную погрешность от действия всех указанных факторов. Как показали исследования, наиболее перспективной в этом отношении является схема с Г-образ- ным ЙС-фильтром (рис. 66, а), позволяющая примерно на порядок снизить погрешность от формы кривой. Необходимо отметить, что применение схем параметрической компенсации одновременно с уменьшением погрешности прибора уменьшает и чувствительность его.

Выпрямительные приборы в большинстве случаев выполняются комбинированными, т. е. с помощью переключателей одним и тем же прибором можно измерять как постоянные, так и переменные токи и напряжения. Приборы обычно снабжаются многопредельными шун­ тами и добавочными сопротивлениями и, таким образом, имеют не­ сколько пределов измерения по току и по напряжению. Диапазон измерения для большинства выпрямительных приборов, выпускае­ мых отечественной промышленностью, составляет: по току от 3 мА до 6 А, по напряжению от 75 мВ до 600 В (предел 75 мВ только для постоянного напряжения).

Сочетание схем комбинированных выпрямительных ампер-вольт­ метров со схемами магнитоэлектрических омметров позволяет созда­ вать универсальные приборы для проверки и наладки радиосхем так называемые тестеры, позволяющие измерять постоянные и перемен­ ные токи п напряжения в широких пределах, а также активные со­ противления.

В соответствии с требованиями современного тестерного приборостроения происходит модернизация существующих типов выпрямительных ампервольт­ метров по пути улучшения схем коммутации. Дальнейшее улучшение свойств комбинированных выпрямительных приборов заключается в повышении их чувствительности путем использования транзисторных усилителей. Транзи­ сторный ампервольтметр типа Ф431/1 (Житомирский завод «Электронзмернтель») имеет пределы измерения: на постоянном токе 1 мкА — 1 А (по току) и 6 мВ — 600 В (но напряжению), класс точности 1,5; на переменном токе 30 мкА — 1 А (по току) и 75 мВ — 600 В (по напряжению), класс точности 1,0. Частотный диапазон 45 — 40000 Гц.

Основными достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление, возмож­ ность работы на повышенных частотах. Обычными выпрямительными приборами без специальной частотной компенсации можно пользо­ ваться для измерения токов и напряжений до частот 500—2000 Гц; выпрямительными приборами с частотной компенсацией — до ча­ стоты 40 000 Гц. Для измерений в более широком диапазоне частот требуются специальные диоды с очень малой емкостью.

Точность выпрямительных амперметров и вольтметров относи­ тельно невысока. Обычно выпрямительные приборы имеют класс точ­ ности 1,0—1,5. Кроме амперметров и вольтметров, существуют вы­ прямительные ваттметры, которые из-за значительной погрешности распространения не получили.

118

Термоэлектрические приборы. Термоэлектрический прибор пред­ ставляет собой соединение одного пли нескольких термопреобразова­ телей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом.

Основными частями термопреобразователя является термопара и нагреватель. В контактном термопреобразователе (рис. 67, Й) термо­ пара 2 имеет гальванический контакт с нагревателем 1. В качестве нагревателя используется тонкая проволока, изготовленная из ма­ териала, допускающего длительные нагревы (до 600—800° С). К се­ редине проволоки нагревателя приваривается место спая термо­ пары 2.

К свободным концам термопары присоединяется магнитоэлектри­ ческийизмерительный механизм. Измеряемый ток Іх обычно про­ пускается по нагревателю, но иногда сама термопара является нагре-

Рис. 67. Устройство и схемы включения контактных (а, б и д) и бесконтактных (а и г) термопреобразова­ телей

вателем. В таком случае контактный термопреобразователь полу­ чается путем скрепления двух проволок из разнородных материалов крест-накрест (рис. 67, б), при этом измеряемый ток протекает непо­ средственно по электродам термопар. Так как в зависимости от на­ правления тока происходит дополнительное выделение или поглоще­ ние тепла в рабочем спае (эффект Пельтье), то в данной схеме и термо- э. д. с. зависит от направления тока.

Бесконтактный термопреобразователь показан на рис. 67, в. Нагреватель 1 и термопара 2 разделены изолятором — каплей стекла 3 (бусинкой), через которую и передается тепло от нагревателя к термопаре. При измерении малых токов, когда приходится диаметр проволочки нагревателя существенно уменьшать, в качестве бескон­ тактного нагревателя используют микропроволоку в стеклянной изоляции, изготовленную ио методу проф. Улитовского.

При наличии изоляционной прослойки между нагревателем и термопарой уменьшается чувствительность и увеличивается инерцион­ ность преобразователя. Преимуществом бесконтактных термопреобра­ зователей является возможность создания термобатарей, состоящих

119