книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

нз нескольких термопар, соединенных последовательно, как показано на рис. 67, г.

Для повышения чувствительности термопреобразователя поль­ зуются мостовой схемой включения термопар с измерительным меха­ низмом (рис. 67, д). Каждое плечо моста здесь представляет собой контактную термопару типа изображенной на рис. 67, б. Термопары должны быть идентичными для исключения попадания переменного тока в цепь измерительного механизма. Мостовая схема термопреоб­ разователя имеет ограничение в применении на постоянном токе за счет проявления эффекта Пельтье. Показания прибора с мостовым термопреобразователем, отградуированного на переменном токе, при измерении на постоянном токе будут отличаться.

Термо-э. д. с , развиваемая термопреобразователем, пропорцио­ нальна количеству тепла, выделенному измеряемым током в месте спая. Количество тепла, в свою очередь, пропорционально квадрату измеряемого тока. Величина тока в цепи измерительного механизма может быть определена как / ' = Еіг,гдеЕ — термоэлектродвижущая сила; г — полное сопротивление цепи прибора.

Таким образом, показания термоэлектрического прибора будут пропорциональны квадрату действующего значения измеряемого тока, т. е. а — Ы%, где к — постоянный коэффициент, зависящий от свойств термопары и параметров измерительного механизма. Квад­ ратичный характер шкалы прибора сохраняется на начальном участ­ ке, а затем искажается за счет увеличения потерь тепла нагревателем в окружающую среду.

Тепло, выделяемое электрическим током в проводнике в очень широких пределах, не зависит от частоты, поэтому термоэлектриче­ скими приборами можно пользоваться и на постоянном токе и на пере­ менном, включая радиочастоты.

Термо-э. д. с , развиваемая в преобразователе, очень мала, что заставляет применять измерительные механизмы высокой чувстви­

Применение термобатареи (рис. 67, г) позволяет увеличить общую термо-э. д. с. преобразователя, однако при последовательном вклю­ чении термопар растет и сопротивление цепи измерительного меха­ низма и существенного выигрыша в чувствительности не происходит. Лучшее использование термоэлектрического эффекта достигается применением мостовых термопреобразователей (рис. 67, д). При ма:

120

лых значениях измеряемых токов (150— 300 мА) пользуются вакуум­ ными термопреобразователями. H них нагреватель и термопара поме* щаются в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. При этом достигается уменьшение потерь на теплоотдачу в окружающую среду и, следовательно, для нагревания горячего

разователями на каждый предел измерения. При измерении токов свыше 1А для расширения пределов пользуются высокочастотными измерительными трансформаторами. В термоэлектрических вольт­ метрах расширение пределов производится с помощью добавочных сопротивлений.

При создании термоэлектрических микроамперметров используются ваку­ умные термопреобразопателн с усилителями постоянного тока (УІІТ). В каче­

метра 3. Применением фотокомпенсационного усилителя, кроме увеличения чувствительности, достигается повышение перегрузочной способности прибора,

121

а также независимость его показаний от изменения напряжения источника питания, нестабильности сопротивлении и колебаний яркости источника света. Многопредельность прибора достигается шунтированием нагревателя. -Много­ предельный милливольтметр, построенный по схеме рис. 69, имеет набор доба­ вочных сопротивлении.

Основными достоинствами термоэлектрических приборов яв­ ляются достаточно высокая точность измерения в широком диапазоне частот и независимость показаний от формы кривых токов и напря­ жений. Незначительная емкость и индуктивность, которой обладает термопреобразователь, позволяет применять приборы на частотах до сотен килогерц. На частотах порядка 2—5 мГц частотная погреш­ ность прибора растет и может достигать 5—10%. Объясняется это тем, что с увеличением частоты, вследствие поверхностного эффекта, повышается сопротивление нагревателя и, следовательно, изме­ няется температура горячего спая термопары.

Кроме того, на очень высоких частотах при наличии паразитных емкостей между отдельными частями прибора часть измеряемого тока ответвляется через эти емкости, минуя нагреватель. Частотная по­ грешность у термоэлектрических вольтметров обычно выше, чеді у амперметров, в результате влияния изменения сопротивления цепи вольтметра, которое не может быть выполнено совершенно безреак­ тивным.

Недостатками термоэлектрических приборов являются:

а) зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды;

б) малая перегрузочная способность; в) сравнительно небольшой срок службы термопар даже в нор­

мальных условиях их работы; г) необходимость применения измерительных механизмов вы­

сокой чувствительности ввиду малого значения термо-э. д. с ; д) значительное собственное потребление мощности (у ампер­

метров на 5 А примерно 1 Вт, ток полного отклонения вольтметров колеблется от 10 до 50 мА).

Приборостроительной промышленностью выпускается несколько типов термоэлектрических приборов. В их числе имеются миллиамперметры (тип Т13, Т13Т) с пределами измерения 750—1500 мА класса точности 1,5; милливольт­ метры (тип Т131) на 75—150—300 мВ класса точности 1,5. Оба типа прибора предназначены для измерений на постоянном и переменном токе до частот 1 мГц. Микроамперметры (тип Т133) с пределами измерения 100—1000 мкА (4 поддиа­ пазона) класса точности 1,5 имеют встроенный в прибор фотокомпенсационный усилитель.

Электронные вольтметры. Вольтметры переменного тока строятся согласно структурным схемам, приведенным на рис. 70, а и б. В схе­ мах используются электронные блоки: выпрямитель В, усилитель У и магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ. Питание электронных цепей схемы производится от блока питания (на схеме не показан). В схеме рис. 70, а измеряемое переменное напряжение <-^U сначала выпрямляется, а затем усиливается усилителем постоян­ ного тока и поступает на магнитоэлектрический измерительный ме-

122

ханизм. Электронный вольтметр, построенный по схеме рис. 70, а, может работать и в качестве вольтметра постоянного тока. В этом случае измеряемое постоянное напряжение подается непосредственно на вход усилителя (штриховая линия), минуя выпрямитель. В схеме рис. 70, б измеряемое переменное напряжение сначала усиливается,

а затем выпрямляется и поступает на измерительный механизм. Выбор той или другой структурной схемы вольтметра определяет его основные характеристики и область применения. Нижний предел измерения электронного вольтметра, выполненного по схеме рис. 70, а, ограничен порогом чувствительности лампового диода и составляет обычно 0,5—1,5 В. Наличие в схеме усилителя постоян­ ного тока, отличающегося дрейфом нуля, обусловливает сравнительно большую погрешность прибора в целом. Преиму­ ществом схемы рис. 70, а является высокая разре­ шающая способность по частоте. Обычно вольтметры

пазон его сужен, так как расширение рабочего диа­ пазона частот усилителя переменного тока со стаби­ льным коэффициентом усиления связано со значи­ тельными трудностями. Структурная схема рис. 70, б обычно используется при создании электронных милливольтметров и электронных гальванометров.

Схема вольтметра среднего значения с применением лампового диода приведена на рис. 71. Она же может служить простейшим вольт­ метром среднего значения для измерения относительно больших напряжений. Обычно вольтметры этой группы строят согласно струк­ турной Схеме рис. 70, б, где ламповый диод работает на линейном участке характеристики Іл = f (Ua). Для улучшения линейности характеристики последовательно с диодом включается сопротивле­ ние /-. Конденсатор С применяется для сглаживания пульсации тока в ИМ. Работа схемы не отличается от работы однополупериодной схемы выпрямления с полупроводниковыми выпрямителями.

123

Часто в вольтметрах среднего значения используют мостовую схему включения ламповых диодов аналогично двухполупериодноіі схеме включения полупроводниковых выпрямителей. Если шкалу вольтметра проградуировать в действующих значениях, показания прибора будут зависеть от формы кривой измеряемого напряжения. Многопредельность вольтметра обеспечивается с помощью входного делителя напряжения (на схеме рис. 70, а не показан). Частотный диапазон у вольтметров с усилителями переменного тока ограничи­ вается пределом в 0,5—1 МГц. Основным преимуществом вольтмет­ ров среднего значения является их высокая чувствительность, бла­ годаря которой они могут применяться при измерении переменных напряжений порядка единиц милливольт.

б)

Основное достоинство вольтметров действующего значения заклю­ чается в независимости показаний от формы кривой измеряемого на­ пряжения. Вольтметры обычно состоят из схемы переключения пределов, усилителя переменного тока, выпрямителя и магнитоэлект­ рического измерительного механизма. В схеме вольтметра обяза­ тельно используется элемент, имеющий квадратичную характери­ стику, чем объясняется иногда применяемое название «квадратич­ ный вольтметр».

В качестве элемента, имеющего квадратичную характеристику, используется диод или усилительная лампа, поставленные в требуе­ мый режим работы. Схема простейшего квадратичного вольтметра на диоде дана на рис. 72, а. Анодно-сеточная характеристика электрон­ ной лампы, зависимость / а = / (Uc), как известно, нелинейна (рис. 72, б). Выбором режима работы лампы можно обеспечить ее работу па участке характеристики, близком к квадратичному.

Для обеспечения требуемого режима работы в схему электрон­ ного вольтметра вводится напряжение смещения £/с м . Пусть напряже-

124

Вольтметрами амплитудного значения или просто амплитудными вольтметрами называются такие, у которых показания соответствуют амплитуде измеряемого синусоидального напряжения или пиковому его значению при искаженной форме кривой. Простейшая схема амплитудного диодного вольтметра приведена на рис. 73, а. Процессы, происходящие в схеме при подаче на ее вход измеряемого перемен­ ного напряжения, иллюстрируются графиком рис. 73, б.

В положительный полупериод диод открыт и конденсатор С заряжается до напряжения Uc, равного максимальному значению измеряемого напряжения. В отрицательный полупериод происходит

Рис. 73. Схемы амплитудных вольтметров: а — диодный амплитудный вольтметр; б — диаграмма напряжений в схе­ ме а; в — структурная схема вольтметра с закрытым входом

разряд конденсатора через измерительный механизм и сопротивле­

жения, то конденсатор за время отрицательной полуволны разря­ дится незначительно.

Как видно из графика рис. 73, б, включение диода происходит лишь в те короткие промежутки времени Ѳ (заштрихованные участки), когда напряжение на аноде лампы Л превышает напряжение на кон­ денсаторе. Напряжение на конденсаторе получается пульсирующим, однако при незначительной пульсации его среднее значение за период

т. е. показания вольтметра приблизительно пропорциональны ам­ плитудному значению напряжения.

126

Если Е измеряемом напряжении имеется постоянная составляю­ щая, она также через диод Л поступит в измерительный механизм. Для устранения этого недостатка используется так называемая схема с закрытым входом. Структурная схема амплитудного вольтметра с закрытым входом приведена на рис. 78, в. Пульсации выпрямленного напряжения, поступающего на усилитель постоянного тока (УПТ),

ВКС7-3 (А4-М2), предназначенные для измерения постоянных п переменных напряжений в широком диапазоне частот. Диодный детектор в подобного типа приборах выполняется на миниатюрной лампе (диоде пли триоде) и конструктивно оформляется в виде выносного «пробника», соединенного с прибором экраниро­ ванным проводом. Такая конструкция обеспечивает незначительные входные емкости вольтметра, состоящие фактически из емкости входной ламігы н емкости монтажа пробника. В результате частотный диапазон прибора расширяется до

лах измерения. Шкала переменного напряжения универсальных вольтметров обычно градуируется в действующих значениях. В таком случае при всяком изменении формы волны относительно синусоидальной в показаниях вольтметра возникает погрешность.

Для измерения амплитуд видеоили радиоимпульсов большой скважности используются импульсные электронные вольтметры. Импульсные напряжения характеризуются рядом параметров:

Форму кривой импульсного напряжения наблюдают и оценивают с помощью электронного осциллографа.

Для измерений амплитуд импульсов большой скваялности (по­ рядка сотен или тысяч) могут быть использованы диодные амплитуд­ ные вольтметры, у которых постоянная времени цепи разряда кон­ денсатора сильно увеличена. Увеличение постоянной времени необ­ ходимо для того, чтобы напряжение на выходе детектора изменялось незначительно в интервале времени между импульсами.

Схемы импульсных диодных вольтметров обычно имеют закрытый вход для исключения попадания постоянной составляющей напряже­ ния в цепь диода. При изменении полярности исследуемого импульса требуется менять включение диода на обратное. Для этого в схеме импульсного вольтметра предусматривается переключатель. Для ускорения разряда конденсатора в схеме диодного детектора преду­ сматривается специальная кнопка, при нажатии на которую цепь разряда конденсатора шунтируется небольшим сопротивлением. Шкалы импульсных вольтметров градуируются в амплитудных зна­ чениях напряжения.

127

Импульсный вольтметр типа В4-2 с пределами измерения 3—150 В пред­ назначается для исследования импульсов длительностью от 0,1 до 300 мкс с ча­ стотой следования не менее 20 Гц. Основная погрешность вольтметра ± 4 % , входное сопротивление 0,2 МОм на частоте 4 МГц входная емкость 14 пФ .

Главным достоинством электронных вольтметров следует считать высокую чувствительность и удобство регулирования ее в широких пределах, практическое отсутствие потребляемой мощности при из­ мерении и широкий диапазон частот.

Повышение чувствительности вольтметров достигается примене­ нием электронных или транзисторных усилителей, а для расширения пределов используются различные делители напряжения. Таким образом обеспечивается возможность измерения одним прибором

как весьма малых, так и значительных напряжений. Предел повыше­ ния чувствительности электронных вольтметров ограничивается уров­ нем помех на входе усилителя, который для электронных ламп со­ ставляет 10—20 мкВ.

Д л я расширения пределов электронных вольтметров могут быть исполь­ зованы активные, реактивные и комбинированные делители (рис. 74). Делитель к вольтметру должен быть высокоомным, стабильным и малогабаритным. Актив­ ные делители (рис. 74, а) изготавливаются из проволочных или непроволочных высокоомных резисторов. Перспективным является применение манганиновых резисторов из мпкропроволоки в стеклянной изоляций. Такие резисторы изго­ тавливаются на высокие номиналы до 10 МОм, весьма стабильны и невелики по размерам. При использовании активных делителей на переменном токе в резуль­ тате шунтирования резисторов паразитными емкостями коэффициент деления делителя с частотой изменяется, Тогда целесообразно применять комбиниро­ ванные делители (рис. 74, б), в которых резисторы шунтируют стабильными ем­ костями. При определенных соотношениях между сопротивлениями и шунти­ рующими емкостями коэффициент деления не будет зависеть от частоты.

При работе на высоких частотах делитель делают емкостным (рис. 74, в). Схемы расширения пределов транзисторных вольтметров могут быть другие. Если управление работой усилителей на транзисторах производится не напря ­ жением, а током, для расширения пределов вольтметров используются добавоч­ ные сопротивления, аналогично тому, как это делается в электромеханических вольтметрах.

128

Потребление мощности вольтметрами определяется величиной входного сопротивления. Входное сопротивление усилителей на электронных лампах с использованием обратных связей достигает 108—10" Ом. Если входные цепи усилителей содержат специальные так называемые электрометрические лампы, входное сопротивление вольтметра может быть увеличено до 101 2 —10г з Ом. Входное сопротив­ ление вольтметров на транзисторах обычно меньше (0,5—1,0 МОм). При применении полевых транзисторов входное сопротивление при­ бора примерно такое же, как у ламповых вольтметров.

Основным недостатком электронных вольтметров, наряду с их сложностью и необходимостью наличия источника питания, следует считать ограниченную точность. Невысокая точность электронных

Рис. 75. Конденсаторный частотомер: а — принципиальная схема; 6 — упрощенная структурная схема

вольтметров объясняется сложностью всего прибора в целом и рабо­ той в широком диапазоне частот.

Существует большое число разновидностей и специализированных модификаций электронных вольтметров, являющихся основной частью электронных приборов другого назначения, но входной ве­ личиной которых является также напряжение. Таковыми являются электронные нуль-индикаторы постоянного и переменного тока, из­ мерители нелинейных искажений и анализаторы гармоник и др.

Электронные частотомеры. Электронные частотомеры применяются для измерения частоты электрических колебаний в диапазоне звуко­ вых и радиочастот. Большое распространение получили схемы элек­ тронных частотомеров конденсаторного типа. Важнейшим достоин­ ством этих приборов является возможность их использования для непосредственной оценки частоты в широком диапазоне (от промыш­ ленной до частот порядка 100—500 кГц).

Принцип действия конденсаторного частотомера поясняется схе­ мой рис. 75, а. В положении 1 переключателя П конденсатор С за­ ряжается до напряжения источника U, приобретая заряд q ----- CXJ.

В положении 2 переключателя конденсатор разряжается через магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ. Если поло­ жение переключателя Л'менять с частотой/, то среднее значение тока в измерительном механизме будет / с р — qf С Uf.

Если частотой переключения ключа П управляет напряжение, частоту которого необходимо измерить, показания магнитоэлектри-