книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

ческого измерительного механизма являются мерой неизвестной частоты /. Очевидно, что градуировка частотомера может быть про­ изведена только при условии постоянства величин С и U. Постоян­ ная времени цепей заряда и разряда конденсатора должна быть по­ добрана таг;, чтобы при самой высокой из измеряемых частот конден­ сатор успевал практически полностью зарядиться и разрядиться.

В реальных схемах электронных частотомеров функции переклю­ чателя I I выполняет электронная схема, которая запирается или от­ пирается напряжением частоты /. Наиболее длительное за половину периода отпирание и запирание электронной лампы, а следовательно, и более полный заряд и разряд конденсатора, происходит в случае, когда входное напряжение имеет прямоугольную форму. Поэтому на входе электронного частотомера ставятся усилитель и ограничи­ тель.

Упрощенная структурная схема электронного частотомера при­ ведена на рис. 75, б. С помощью формирующего устройства ФУ синусоидальное входное напряжение неизвестной частоты U) пре­ образуется в прямоугольные импульсы постоянной амплитуды, сле­ дующие с такой же частотой. Пока импульс существует, конденсатор заряжается через диод Д1, а в промежутке между импульсами раз­ ряжается через диод Д2 и измерительный механизм. Отклонение указателя измерительного механизма а — /S^/ep будет пропорцио­ нально измеряемой частоте / и шкала прибора может быть отградуи­ рована в герцах.

Структурная схема рис. 7о, б положена в основу построения электронных частотомеров типа 43-1 (ИЧ-6) и 43-7 (ИЧ-7). В формирующем устройстве частотомеров для стабилизации амплитуды напряжения используются элект­ ронные усилители, работающие в режиме ограничения, и электронная лампа, работающая в режиме ключа.

Пределы измерения ио частоте изменяются с использованием набора кон­ денсаторов С различной емкости и специального переключателя.

Д л я поверки чувствительности в приборах предусмотрен генератор образ­ цовой частоты (10 кГц) с. погрешностью ± 0 , 5 % .

Электронный частотомер 43-7, например, может использоваться для иімеренпй частоты в пределах 10 Гц - - 500 кГц (12 поддиапазонов) при значе­ ниях входного напряжения от 0,1 до 200 В. Погрешность прибора ± 1 , 5 % в диа­ пазоне до 100 кГц H увеличивается до ± 2 % с дальнейшим повышением частоты.

18. Измерение переменных токов и напряжений электромагнитными, электродинамическими, ферродинамическими и электростатическими приборами

Общие сведения. Общим для электромагнитных, электродинами­ ческих, ферродинамических и электростатических приборов является то, что все они могут быть использованы для измерений действующих значений переменных токов и напряжений (электростатические при­ боры — для измерений действующих значений только напряжений).

Однако ввиду различии в устройстве измерительных механизмов и измерительных схем каждая из указанных групп приборов отли­ чается своими достоинствами и недостатками, рабочим частотным и

130

торой величины, определяемой допустимым значением температурной

а на пределах от 75 В и больше — всего 7,5 мА. Из этих же соображе­ ний у переносных вольтметров изменение пределов измерения в сто­ рону малых величин производится не за счет изменения добавочного сопротивления, а путем секционирования обмотки катушки и пере­ ключения секций с последовательной схемы на параллельную. Для больших пределов включаются разные добавочные сопротивления. Для измерения напряжений свыше 600 В применяются измеритель­ ные трансформаторы напряжения.

Частотная погрешность у электромагнитных вольтметров больше, чем у амперметров. Это объясняется тем, что на показания вольтметра влияет зависимость реактивного сопротивления катушки и добавоч­ ного сопротивления от частоты.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает большое количество разных типов электромагнитных амперметров и вольтметров. Ука­ жем, например, на переносные приборы типа Э59 класса точности 0,5, предна­ значенные для измерений в цепях переменного и постоянного тока. Вольтметры этой серии выпускаются трех модификаций, к а ж д а я на четыре предела измере­ ния, нижний предел составляет 1,5 В и верхний — 600 В; амперметры — двухII трехпредельные четырех модификаций и миллиамперметры трех модификаций трехпредельные с нижним пределом 10 мА.

Основной областью применения электромагнитных амперметров и вольт­

Электродинамические амперметры п вольтметры. У электродина­ мических амперметров для токов до 0,5 А неподвижные и иодвюкные катушки соединяются последовательно (рис. 76, а) 1 . Для такой схемы Іг == 72 = cos ср — 1. Если противодействующий момент создается упругими элементами, то на основании (62)

приближает шкалу к равномерной начиная примерно от 25% ее длины.

При последовательном включении катушек компенсации частот­ ной и температурной погрешностей не требуется, так как изменения частоты (до 2000—3000 Гц) и температуры оказывают незначитель-

1 Неподвижные катушки изображены в виде двух коротких горизонтальных зигзагов, а подвижная — длинным вертикальным зигзагом. Такое изображение принято с целью получения наибольшей наглядности.

132

ное влияние на показания приборов. При токах больше 0,5 А после­ довательное соединение катушек применить нельзя. Это вызвало бы перегрев токоподводящих пружин и изменение вследствие этого их свойств. Кроме того, подвижную катушку надо было бы наматывать толстым проводом, что привело бы к увеличению веса подвижной части.

В амперметрах на токи свыше 0,5 А подвижная и неподвижные катушки включаются параллельно (рис. 76, б). В этом случае необ­ ходимо применять специальные меры для компенсации частотной и температурной погрешностей, которые возникают в результате перераспределения токов в катушках при изменении частоты и тем­ пературы.

Д л я компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы темпе­ ратурные коэффициенты сопротивления параллельных ветвей были одинако­ выми. В этом случае изменение температуры не вызовет перераспределения тока в ветвях. Условия компенсации достигаются путем соответствующего подбора добавочных сопротивлении і\ и г2 из манганина и меди.

Компенсация погрешности от частоты будет при равенстве постоянных вре­

Для схемы с параллельным включением катушек и при выпол­ нении условий компенсации можно написать

Іх = cj; / 2 = с2І; cos ф = 1.

Применяя те же рассуждения, что и при выводе формулы (82), получим выражение для угла отклонения подвижной части ампер­ метра с параллельной схемой включения катушек:

133

Из сравнения формул (82) и (83) видно, что рассуждения о харак­ тере шкалы для амперметра с последовательным включением кату­ шек применимы и для амперметров с параллельным их включением.

Электродинамические амперметры выпускаются чаще всего на два предела измерения. Изменение пределов производится путем включения неподвижных катушек последовательно и параллельно. Для расширения пределов измерения используются измерительные трансформаторы тока.

Имеются электродинамические амперметры со встроенными внутри транс­ форматорами тока (ИTT). В качестве примера такого прибора можно указать на амперметр типа Д533 на 9 пределов измерения от 0,1 до 50 А, экранирован­

У электродинамических вольтметров неподвижные и подвижная катушки и добавочное сопротивление включаются последовательно (рис. 7ß, в).

Для компенсации температурной погрешности, как и в электро­ магнитных вольтметрах, отношение добавочного сопротивления из манганина к сопротивлению катушек из меди не должно быть меньше заданной величины, определяемой допустимой величиной темпера­ турной погрешности. С уменьшением предела измерения величина добавочного сопротивления будет уменьшаться, поэтому для того, чтобы сохранить неизменным указанцое отношение, надо уменьшить и сопротивление катушек. Это потребует при условии сохранения величины вращающего момента увеличения номинального тока.

Например, в электродинамических вольтметрах типа Д523 класса точности 0,5 ток полного отклонения на пределе 1,5 В составляет 37,5 мА, а от предела 75 В и выше — 3 мА. Частотная погрешность, возникающая вследствие изме­ нения индуктивного сопротивления вольтметра с изменением частоты (измене­ ние активного сопротивления до частот в несколько тысяч герц незначительно), может быть скомпенсирована при помощи шунтирования части добавочного сопротивления емкостью.

Для электродинамического вольтметра І1 — І2 = ~ где U —

измеряемое напряжение; Z — полное сопротивление цепи вольт­ метра.

При выполнении условий компенсации температурной и частот­ ной погрешностей можно считать, что Z = const, и тогда, пользуясь рассуждениями, приведенными для электродинамических ампер­

Формула (84) аналогична выражениям (82) и (83), и, следова­ тельно, все рассуждения, приведенные выше относительно харак­ тера шкалы электродинамических амперметров, применимы и к элек­ тродинамическим вольтметрам.

134

Эдектродіталигчсскіге вольтметры выпускаются обычно на несколько пре­ делов. В качестве примера, электродинамических вольтметров можно указать на прибор типа Д567. Прибор астатический, на растяжках, со световым отсче­ том, класса точности 0,5, семппредельныіг от 15 до 600 В, предназначен для измерений н цепях постоянного и переменного тока, номинальная область ча­ стот 45—2500 Гц, расширенная область частот 2500—5000 Гц. .

Основная область применения электродинамических ампермет­ ров и вольтметров — точные измерения в цепях переменного тока, чаще всего в диапазоне частот от 45—50 Гц до нескольких сотен или тысяч герц.

Их применяют также в качестве образцовых при поверке п гра­ дуировке других приборов, а иногда и для измерений в цепях посто­ янного тока.

Ферродинамические амперметры и вольтметры. Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют в принципе такие же схемы включения неподвижных и подвижных катушек, как и соответст­ вующие электродинамические приборы (рис. 76). Некоторая разница может быть лишь в элементах схем, предназначенных для компен­ сации погрешностей. Так же как и у электродинамических приборов, угол отклонения подвижной части ферродинамических ампермет­ ров и вольтметров пропорционален соответственно квадрату изме­ ряемого тока или напряжения.

Для амперметров квадратичная шкала является нежелательной. Обычно в процессе измерений нагрузка, а следовательно, и ток могут меняться в широких пределах, т. е. вся шкала является рабочей. Для улучшения характера шкалы рабочий воздушной зазор делается неравномерным. Закон изменения зазора выбирается таким, чтобы по мере отклонения подвижной части индукция в зазоре уменьши­ лась. Это позволяет приблизить шкалу к равномерной.

Ферродинамические вольтметры применяются главным образом как стационарные приборы относительно малой точности. В боль­ шинстве случаев они измеряют номинальное напряжение сети и отклонение напряжения от номинального значения. Поэтому квад­ ратичная шкала, сжатая в начале и растянутая в конце, для этих уелвий является даже предпочтительнее равномерной.

Ферродинамические приборы, кроме температурной и частотной погрешностей, имеют еще специфические погрешности, вызванные наличием сердечника. К ним относятся погрешности от нелиней­ ности кривой намагничивания, от потерь в материале магнитопровода и от гистерезиса.

Первые две погрешности для амперметров и вольтметров можно учесть при градуировке. Их компенсация посредством специальных схем требуется только для ваттметров (см. § 20).

Погрешность от гистерезиса проявляется только в том случае, если измерения или градуировка производятся в цепях постоянного тока. Для уменьшения этой погрешности магнитопроводы изготов­ ляют из материалов с малой коэрцитивной силой.

Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют в ряде случаев несколько пределов измерения. При создании приборов

135

с несколькими пределами измерения, а также для расширения пре­ делов измерения применяются те же способы, что и для электроди­ намических приборов.

тельно, и сети при случайных ударах, тряс­ ке и т. п. Для исключения этой опасности внутрь вольтметра встраи­ вается защитное сопротивление и прибор включается в сеть посред­ ством зажимов 1 и 2 (рис. 77). При повышении частоты до нескольких

сотен килогерц защитное сопротивление во избежание дополни­ тельной погрешности должно быть выключено, т. е. прибор вклю­ чается в сеть через зажимы 1 и «экран» Э. При измерениях в несим­ метричных цепях, особенно при повышенных частотах, заземляю­ щий провод обязательно подключается к зажиму, соединенному с внутренним экраном прибора (зажимы Э или 2). При измерениях на высокой частоте длина соединительных проводов во избежание дополнительной погрешности должна быть возможно меньше.

Расширение пределов измерения электростатических вольтметров на пе­ ременном токе может быть достигнуто при помощи включения добавочных кон­ денсаторов (рис. 78, а) или емкостных делителей н а п р я ж е н и я (рис. 78, б), а на постоянном токе — посредством делителей напряжения из проволочных или

136

в предположении, что конденсаторы являются идеальными. В действитель­ ности они обладают потерями, зависящими от частоты. Поэтому погрешности измерений при включении вольтметра через добавочную емкость существенно возрастают. Их можно значительно уменьшить, применяя для каждой добавоч­ ной емкости свою шкалу .

Если выбрать емкости так, чтобы С2 !> Сѵ, то отношение напряжений — измеряемого и па вольтметре — остается постоянным для всех значений изме­ ряемого напряжения . В этом случае включение емкостного делителя напряже ­ ния не будет искажать шкалу вольтметра.

В настоящее время промышленность выпускает около 10 различных типов электростатических вольтметров с широким диапазоном пределов измерений (от 10 В до 300 кВ) . Все этл приборы отличаются малыші частотными погреш­ ностями, что позволяет их применять на частотах от 20 Гц до единиц и десятков мегагерц и малым собственным потреблением мощности. Последнее позволяет их с успехом использовать для измерений в цепях малой мощности, в том числе и на постоянном токе.

Вибрационный гальванометр. Рассмотрим вопрос измерения малых пере­ менных токов и напряжений магнитоэлектрическими электромеханическими приборами без преобразователей переменного тока в постоянный. Примером является вибрационный гальванометр, который используется прежде всего в качестве нуль-пндикатора в цепях переменного тока в диапазоне частот от нескольких десятков до нескольких сотен герц. Наибольшее применение имеют

137

магнитоэлектрические вибрационные гальванометры с подвижным магнитом. Устройство измерительного механизма такого прибора схематически показано на рис. 79. Здесь подвижный магнит 2 расположен между полюсами: Ш-образ- ного электромагнита 6', обмотка 7 которого включена в цепь измеряемого пере­ менного тока. Подвижный магнит укреплен на растяжках 3 и 1. Перпендику­ лярно полюсам электромагнита расположены еще два полюса 4 и в, между вы­ ступающими частями которых помещен поворотный постоянный магнит 5. Поворотом этого магнита можно изменить величину магнитного потока между полюсами 4 ц 6'. Таким образом, в рассматриваемом приборе противодействую­ щий момент создается растяжками и постоянным магнитом 5. При отсутствии тока в обмотке 7 подвижный магнит 2 устанавливается вдоль линий поля в за­ зоре. При наличии переменного тока в обмотке катушки подвижный магнит 2 стремится установиться вдоль результирующей двух полей — постоянного и неременного и начинает колебаться. Вместе с магнитом 2 будет колебаться и зеркальце 8, закрепленпое на растяжке и используемое для оптического ука­ зателя. Зеркальце освещается лампочкой, помещаемой внутрь прибора, а отра­ жение от него в виде световой полоски попадает на прозрачную шкалу (рис. 80). При колебании подвижной части гальванометра световая полоса на пікале будет совершать поступательно-возвратное движение и благодаря способности наблю­ дателя сохранять некоторое время зрительное впечатление воспринятая глазом полоса будет казаться наблюдателю расширенной. Меняя посредством выве­ денной н а р у ж у ручки положение магнита в (рис. 79), можно настраивать вибра­ ционный гальванометр на резонанс между частотой собственных колебаний подвижной части, зависящей от величины противодействующего момента, н частотой переменного тока в обмотке катушки . При резонансе ширина наблю­ даемой полосы будет наибольшей. Обычно вибрационные гальванометры строят на частоты порядка 30—100 Гц с ценой деления, равной 10~7 —10"" А.

19. Измерение параметров электрических цепей электромеханическими приборами

Общие сведения. Измерение параметров электрических цепей — сопротивлений, емкостей, индуктпвностей, взаимных индуктпвно­ стей — может быть выполнено различными методами и приборами. Выбор того или иного из них определяется конкретными условиями задачи — ожидаемым значением измеряемой величины, требуемой точностью, имеющейся в распоряжении экспериментатора аппара­ турой и т. п.

Для точных измерений (с погрешностью менее 1—1,5%) исполь­ зуют в основном мосты и компенсаторы (гл. 6); для более грубых измерений применяют электромеханические приборы.

При этом используют или приборы, градуированные в единицах измеряемой величины (омметры, фарадметры), или специальные измерительные схемы, содержащие несколько приборов другого назначения, по показаниям которых можно подсчитать измеряемую величину. Например, включив в цепь измеряемого сопротивления амперметр и вольтметр, можно по их показаниям подсчитать это сопротивление.

Омметры. Если в схемах, представленных на рис. 81, в качестве измерителя 1 использовать магнитоэлектрический миллиамперметр, то при соблюдении условия U = const показания будут определяться величиной сопротивления гх, т. е. шкалу можно отградуировать в омах.

138

Действительно, для последовательной схемы (рис. 81, а)

прибор называется омметром. Из выражений (85) и (86) следует, что шкалы омметров обоих типов неравномерны. У первого типа, в отличие от второго, нуль шкалы совмещен с максимальным углом поворота подвижной части. Омметры с последовательной схемой более пригодны для изме­ рения больших сопротив- в)

лений, а с параллельной схемой — малых.

Обычно омметры выполняются в виде перенос­ ных приборов сравнитель­ но небольшой точности (классов 1,5 или 2,5) и в качестве источника питания имеют сухую батарею. С течением времени напря­

жение батареи падает, т. е. поставленное нами условие U — const не выполняется. Втиесто этого, трудно выполнимого на практике усло­ вия поддерживается постоянной величина произведения BU = const (В — индукция в зазоре; следовательно, и SU —- const). Для этого в магнитную систему прибора встраивается магнитный шунт — фер­ ромагнитная пластинка, замыкающая полюса так, что часть потока проходит через полезный воздушный зазор, а часть — через магнит­ ный шунт. Пластинку можно перемещать с помощью ручки, выве­ денной на наружную панель. При перемещении пластинки меняется ее магнитное сопротивление относительно полюсов (обычно перемен­ ной является площадь сечения пластинки), т. е. меняется коэффи­ циент шунтирования.

Для регулировки омметра с последовательной схемой перед изме­ рениями замыкают накоротко его зажимы с надписью гх, и в том случае, если стрелка не устанавливается на отметке 0, перемещают ее до этой отметки с помощью шунта. Регулировка омметра с парал­ лельной схемой производится при отключенном сопротивлении гх. Вращением рукоятки шунта указатель устанавливают на отметку шкалы, соответствующую значению гх = со.

Необходимость установки нуля, иначе говоря, зависимость пока­ заний от напряжения источника питания является крупным недо­ статком рассмотренных омметров, что исключает возможность их

139