Волковой М.С. Метрология

91

Ваттметры. Для измерения мощности одна катушка включается последовательно, а вторая – параллельно нагрузке (рис. 2.12,в). Функция преобразования для ваттметра приобретает следующий вид:

где SP – чувствительность по мощности; Р – активная мощность. Ферродинамические приборы являются разновидностью электроди-

намических и отличаются тем, что неподвижная катушка снабжена сердечником из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента, т.е. повышение чувствительности прибора, и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако наличие сердечника приводит к увеличению погрешности прибора.

2.3.5. Электростатические приборы

Принцип действия приборов электростатической системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных электродов, разделенных диэлектриком.

Устройство одного из видов электростатических измерительных приборов с изменяющейся площадью перекрытия пластин показано на

рис. 2.13.

1

4

3

2

Рис. 2.13. Устройство электростатического прибора: 1 – неподвижные пластины; 2 – подвижные пластины; 3 – ось; 4 – стрелка

Электростатические измерительные приборы используются в качестве вольтметров. Измеряемое напряжение прикладывается между неподвижными и подвижными пластинами. Электростатические силы взаимодействия заряженных электродов создают вращающий момент, под дейст-

92

вием которого подвижные пластины втягиваются в пространство между неподвижными. Вращающий момент описывается выражением

U2 C

Mвр 2 ,

где С – емкость между пластинами; – угол поворота подвижных пластин. Если противодействующий момент создается упругими элементами,

то угол поворота подвижной части

2W

Функция преобразования квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направление вращения.

Достоинства электростатических приборов:

–высокое входное сопротивление;

–малая мощность потребления;

–возможность использовать в цепях постоянного и переменного то-

ков;

–широкий частотный диапазон (до десятков МГц);

–независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения; прибор измеряет действующее значение напряжения.

Недостатки:

–квадратичная шкала;

–низкая чувствительность и точность.

2.3.6. Индукционные приборы

Измерительный механизм прибора индукционной системы состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска. Переменные магнитные потоки, пронизывая диск, индуцируют в нем вихревые токи. Взаимодействие этих магнитных потоков с магнитными потоками от вихревых токов вызывает вращение диска. Индукционные измерительные механизмы применяются в счетчиках активной и реактивной энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока. На рис. 2.14 показано устройство счетчика индукционной системы. Вращающий момент, создаваемый электромагнитами, пропорционален активной мощности переменного тока:

Mвр k1UI cos ,

где k1 – коэффициент пропорциональности.

93

3 4

I

U

2 z

Рис. 2.14. Устройство счетчика индукционной системы: 1 – трехстержневой сердечник с катушкой напряжения; 2 – П-образный сердечник с двумя последовательно соединенными токовыми катушками; 3 – алюминиевый диск; 4 – постоянный магнит для создания тормозного

момента; 5 – счетный механизм

Тормозной момент, создаваемый постоянным магнитом, можно считать пропорциональным скорости вращения диска:

d

Mт k2 dt ,

где k2 – постоянный коэффициент; – угол поворота диска.

Число оборотов диска N за время измерения t определяется интегралом по времени от частоты вращения диска d dt, т.е.

где W – энергия, прошедшая через счетчик за интервал времени t; С – постоянная счетчика.

Отсчет количества энергии производится по показаниям счетного механизма (счетчика числа оборотов). Единице электрической энергии (1 кВт ч) соответствует определенное число оборотов диска.

2.3.7. Логометры

Логометры – электромеханические приборы, измеряющие отношение двух электрических величин = f(x1 / x2). В логометрах вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим способом и направлены навстречу друг другу. Логометры используются для измерения

94

сопротивления, емкости, частоты, угла сдвига фаз. Эти приборы выполняются на основе механизмов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем.

На рис. 2.15 показано устройство магнитоэлектрического логометра.

1 M1 M2

N S

I2 2 I1

Рис. 2.15. Устройство магнитоэлектрического логометра: 1 – рамка; 2 – сердечник

В поле постоянного магнита помещена подвижная часть, состоящая из двух жестко скрепленных под определенным углом рамок. Элементов, создающих противодействующий момент (пружин, растяжек), в приборе нет. Токи к рамкам подводятся через специальные безмоментные спирали. Направления токов в рамках выбирают так, чтобы соответствующие им моменты были направлены встречно.

Выражения для моментов в общем виде можно записать так:

где I1 и I2 – токи в рамках; – угол отклонения подвижной части. Равновесие подвижной части наступает при равенстве моментов, т.е.

I1 f1( ) I2 f2( ),

откуда

I1 f2 ( ) f ( )

I2 f1( )

или

F II1 .

2

Таким образом, логометр измеряет отношение токов.

95

2.3.8. Термоэлектрические измерительные приборы

Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и милливольтметра магнитоэлектрической системы. Термоэлектрический преобразователь содержит нагреватель и одну или несколько термопар.

Различают контактные термоэлектрические преобразователи, у которых горячий спай термопары приварен к нагревателю (рис. 2.16,а), и бесконтактные (рис. 2.16,б), у которых нагреватель и горячий спай разделены изолятором (стеклянной бусинкой).

Рис. 2.16. Термоэлектрические преобразователи: а – контактный; б – бесконтактный; 1 – нагреватель; 2 – термопара; 3 – изолятор

ЭДС, вырабатываемая термопарой, зависит от температуры нагревателя и, следовательно, от тока Ix согласно соотношению

E kIx2,

где k – коэффициент пропорциональности; Ix – измеряемый ток. Основным достоинством термоэлектрических приборов является

достаточно высокая точность измерений в широком диапазоне частот (от 0 до 100 МГц) при произвольной форме измеряемого тока.

2.3.9. Выпрямительные измерительные приборы

точностью, для измерения переменных тока и напряжения.

Для преобразования переменного тока в постоянный используются одно- и двухполупериодные вы-

96

прямители. При однополупериодном выпрямлении (рис. 2.17) через прибор проходит только положительная полуволна тока. Диод VD2 образует цепь для прохождения отрицательной полуволны. Сопротивление резистора R выбирается равным сопротивлению измерительного механизма. При этом сопротивление схемы будет одинаковым для любого направления тока. В двухполупериодных схемах измерительный механизм включается в диагональ моста (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Схемы приборов с двухполупериодным выпрямлением

Мостовая схема может содержать четыре диода (см. рис. 2.18,а). Диоды должны иметь идентичные характеристики, и, кроме того, требуется специальная температурная компенсация, т.к. прямое и обратное сопротивления диодов зависят от температуры. Схема, где два диода заменены резисторами (см. рис. 2.18,б), менее чувствительна к изменениям температуры.

Подвижная часть магнитоэлектрического прибора из-за своей инерционности реагирует на среднее значение тока. Для однополупериодного выпрямления при токе синусоидальной формы

ипоказания прибора SI Iср .

Вдвухполупериодных схемах ток, протекающий через измерительный механизм, увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой. Для синусоидального тока

Iср.в 0,636Im.

Показания выпрямительного прибора пропорциональны среднему за период значению при любой форме кривой измеряемого тока. Однако на практике шкалу выпрямительных приборов градуируют в действующих значениях с расчетом на синусоидальную форму тока. Следовательно, в приборах с двухполупериодным выпрямлением все числа отсчета шкалы

97

умножены на коэффициент формы kф = 1,11. Поэтому при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы полученный результат сначала нужно разделить на 1,11, чтобы получить средневыпрямленное значение, а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме измеряемого сигнала.

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов приведены в табл. 2.1.

100

быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Это определяет, на какое из названных значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Однако необходимо помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в средних квадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы, и это следует учитывать при измерении напряжений, отличающихся от синусоидальных.

Ввольтметрах средних значений используются полупроводниковые диодные мостовые выпрямители, в которых диоды работают на линейном участке вольтамперной характеристики.

Вэлектронных вольтметрах действующего значения детектор выполняется на элементах с квадратичной вольтамперной характеристикой. Обычно используется начальный участок характеристики диода, или ха-

рактеристика реализуется методом кусочно-линейной аппроксимации. В некоторых вольтметрах в качестве детектора действующего значения применяются термоэлектрические преобразователи.

Принцип действия амплитудного детектора основан на заряде конденсатора через диод до амплитудного значения измеряемого напряжения. Различают схемы амплитудных детекторов с открытым и закрытым входами.

Схема детектора с открытым входом приведена на рис. 2.21,а.

Рис. 2.21. Амплитудный детектор с открытым входом: а – схема; б – временные диаграммы

Конденсатор (С) быстро заряжается через открытый диод (VD), а когда диод закроется, медленно разряжается через большое сопротивление резистора (R). Напряжение на конденсаторе Uc приблизительно равно амплитудному значению измеряемого напряжения (рис. 2.21,б). Если в измеряемом сигнале присутствует постоянная составляющая, то напряжение Uc будет равно сумме амплитудного значения и постоянной составляющей.

Схема амплитудного детектора с закрытым входом показана на рис. 2.22,а.