15.3.2. Вольтметри.

Магнітоелектричний вимірювальний механізм з включеним послідовно додатковим резистором може бути використаний як вольтметр для вимірювання напруги. Вольтметр підключається паралельно до об'єкту вимірювання. У вимірювальному ланцюгу вольтметра відбувається перетворення напруги, що вимірюється, в струм, необхідний для відхилення рухомої частини вимірювального механізму.

Межа вимірювання U_V вольтметра залежить від струму повного відхилення I_V рухомої частини і внутрішнього опору R_V вольтметра (суми опорів обмотки рамки R_P, пружин 2R_пруж і резистора R_д):

U_V = I_V R_V . (15.14)

Струм повного відхилення I_V рамки магнітоелектричних вольтметрів складає приблизно 50 мА.

Для зміни межі вимірювання U_V до напруги U послідовно з вольтметром включається додатковий резистор, значення якого при заданому значенні I_V визначається з виразів

U_V / R_V = U/(R_V + R_д)= I_V = const; U = U_V + U_д

R_д = R_V(U/ U_V-1)= R_V(п - 1) (15.15)

де п = U/ U_V - коефіцієнт розширення межі вимірювання вольтметра або множник шкали.

В багатомежевих вольтметрах (рис. 15.8) використовують східчасте включення резисторів і для відповідних меж вимірювання напруг U₁ і U₂ при заданому струмі рамки I_V опору додаткових резисторів розраховуються по формулах:

R_д1 = R_V(п₁ - 1), або R_д1 = U₁/ I_V - R_V , (15.16)

R_д2 = R_V(п₂ - 1)- R_д1, або R_д2 = (U₂ - U₁/ I_V), (15.17)

де п₁ = U₁/ U_V; п₂ = U₂/ U_V - коефіцієнти розширення меж.

Рис. 15.8. Схема трьохмежевий вольтметра.

Додаткові резистори в основному виготовляють з манганінового дроту, намотаного на колові або плоскі каркаси з ізоляційного матеріалу. Вони можуть бути як внутрішніми (до 600 В), так і зовнішніми (до 1500 В). Зовнішні додаткові резистори у свою чергу можуть бути індивідуальними і взаємозамінними на номінальні струми 0,5; 1; 3; 7,5; 15 і 30 мА.

Магнітоелектричні вольтметри мають рівномірну шкалу напруги, високу точність, велику чутливість, але малий внутрішній опір. Діапазон що виміряються ними напруг лежить і межах від мікровольтів до 1,5 кВ.

15.3.3. Комбіновані аналогові вимірювальні прилади.

Комбінований аналоговий вимірювальний прилад - ампервольтомметр (авометр) є універсальним багатомежевим приладом, за допомогою якого можливі наближені вимірювання струмів, напруг в ланцюгах постійного і змінного струму частотою від 20 Гц до 20 кГц і вище, опорів постійному струму і ємостей. В універсальному вимірювальному приладі використовують магнітоелектричний вимірювальний механізм (мікроамперметр), наприклад із струмом повного відхилення рухомої частини 50 мкА і падінням напруги 75 мВ, який може за допомогою перемикаючого пристрою з'єднуватися з різними вимірювальними ланцюгами.

При вимірюванні постійного струму паралельно мікроамперметру включаються багатоступінчаті шунти, а при вимірюванні постійної напруги послідовно з мікроамперметром - додаткові резистори. Таким чином, в режимі вимірювання постійного струму і напруги авометр працює як багатомежевий магнітоелектричний амперметр і вольтметр.

При вимірюванні змінних струмів і напруг звукових частот використовують багатомежеві випрямні амперметри і вольтметри, що є поєднанням шунтів або додаткових резисторів, напівпровідникових одно- або двухполуперіодних випрямлячів і магнітоелектричного мікроамперметра. Показання випрямних приладів відповідають середньовипрямному значенню напруги або струму, що вимірюється, тобто магнітоелектричний вимірювач усереднює значення заздалегідь випрямленого струму.

На рис. 15.9, а представлена схема однополуперіодного випрямляча і часові діаграми зміни випрямленого струму.

Рис. 15.9. Схема однополуперіодного випрямляча (а) і часові діаграми зміни випрямленого струму (б).

В ланцюзі однополуперіодного випрямляча струм i_и через мікроамперметр, включений послідовно з діодом Д₁ протікає тільки в позитивний напівперіод напруги і(t). В негативний напівперіод, для якого опір діода Д₁ дуже великий, струм протікає через діод Д₂, захищаючи тим самим діод Д₁ від пробою. Опір R', включений в ланцюг діода і рівний опору мікроамперметра R_и, робить вхідний опір ланцюга в обох напрямах однаковим.

Рухома частина магнітоелектричного мікроамперметра через свою інерційність при частотах від 20 Гц і вище не встигає слідувати за миттєвими значеннями збуджуючого моменту, тому реагує на середнє значення моменту:

, (15.18)

де т(t) - миттєве значення моменту; I_и = I_ср - середнє значення струму i_и(t), що протікає через мікроамперметр.

З рівності М = М_ витікає, що

(15.19)

де S_I - чутливість приладу до струму.

У разі однополуперіодного випрямляча (рис. 15. а,б)

. (15.20)

Шкалу приладу, що вимірює змінний струм або напругу, звичайно градуюють в середньоквадратичних (діючих) значеннях синусоїдального сигналу, тому середнє значення струму I_и. протікаючого через прилад, можна виразити через середньоквадратичне значення I струму, що вимірюється, і коефіцієнт форми К_ф для синусоїдального сигналу:

, (15.21)

де .

При струмі повного відхилення мікроамперметра I_u граничне середньоквадратичне значення змінного струму, що вимірюється

. (15.22)

В ланцюзі двухполуперіодного випрямляння з чотирма діодами (рис. 15.10, а) струм I_u, що протікає через мікроамперметр, збільшується удвічі в порівнянні із струмом, що протікає через мікроамперметр в ланцюзі однополуперіодного випрямляння. Протягом позитивного напівперіоду струм проходить через діод Д₁ - мікроамперметр - діод Д₃ протягом негативного напівперіоду через діоди Д₂, Д₄ і мікроамперметр. Таким чином, через мікроамперметр струм I_u проходить в одному і тому ж напрямі обидва підлозі періоду:

. (15.23)

Граничне середньоквадратичне значення синусоїдального струму I, що вимірюється = 1,11 I_u.

В ланцюзі однополуперіодного випрямляння майже вся прикладена напруга і(t) падає на діод Д₁, тому при малих напругах робота діода здійснюється на лінійній ділянці його вольтамперної характеристики і шкала приладу виявляється більше лінійною. В ланцюзі ж двухполуперіодного випрямляння прикладена напруга розподіляється між двома діодами і приладом, що приводить до розширення нелінійної ділянки шкали. Вхідний опір ланцюга двухполуперіодного випрямляння однаково для обох напівхвиль напруги, що вимірюється, але унаслідок нелінійного характеру опорів діодів опір ланцюга залежить від значення струму, що вимірюється, тому для визначеності прийнято опір указувати при номінальних значеннях напруги і струму.

Мостовий ланцюг з чотирма діодами вимагає ідентичності останніх і спеціальної температурної компенсації, оскільки прямий і зворотний опори діода залежать від температури навколишнього середовища. Практичне застосування знаходять мостові ланцюга двухполуперіодного випрямляння з двома діодами і двома резисторами (рис. 15.10, б).

Струм, що протікає через мікроамперметр

(15.24)

де R = R₁= R₂, R_и - відповідно опори резисторів і мікроамперметра.

Рис. 15.10. Схеми двухполуперіодного випрямляння

Даний ланцюг більше чутливий до малих напруг, ніж ланцюг з чотирма діодами, і менш залежить від температури, оскільки два діоди замінено резисторами. Частотний діапазон вимірювальних випрямлячів визначається в основному власною ємністю діода. Нижня межа частотного діапазону складає 10-20 Гц, верхня досягає з міднозахисними діодами не вище 10 кГц, з площинними германієвими і кремнієвими - 100 кГц і з точковими - сотні мегагерц.

До переваг випрямних приладів відносять: високу чутливість по струму і напрузі; малу власну потужність споживання; малі габарити; широкий частотний діапазон; до недоліків - залежність прямого і зворотного опору діода від температури, нелінійність шкали (стисла на початку при малих напругах до 0,4 В); невисоку точність (класи точності 1,5; 2,5 і 4); залежність свідчень від форми кривої досліджуваного сигналу. Якщо напруга або струм, що вимірюється, відмінна від синусоїди, то до свідчень приладу необхідно внести поправки.

Розширення меж вимірювання і можливість використовування на різних межах вимірювання змінного струму загальної шкали забезпечуються за допомогою універсального шунта (рис. 15.11).

Рис. 15.11. Схема двохмежевого випрямного міліамперметра

з універсальним шунтом.

Розрахунок шунта в багатомежевих амперметрах, що працюють в області звукових частот, виконується тими ж способами, що і в багатомежевих магнітоелектричних амперметрах, тільки замість опору вимірювального механізму необхідно враховувати і вхідний опір вимірювального випрямляча, граничні значення струму, що вимірюється, і падіння напруги на випрямлячі з урахуванням впливу елементів температурної і частотної компенсації. Для зменшення температурної похибки, викликаної зміною прямого і зворотного опорів діодів (за рахунок негативного температурного коефіцієнта), паралельно універсальному шунту включають додатковий шунт, складений з двох резисторів: один - з мідного дроту з позитивним температурним коефіцієнтом, а другий - з манганінового дроту з високостабільним опором. При підвищенні температури опір шунта збільшується; це приводить до зростання випрямленого струму, компенсуючого в деякому інтервалі температур пониження коефіцієнта випрямляння К_в=R_обр/R_пр. Для зниження частотної похибки резистори додаткового шунта виготовляються у вигляді котушок. Із збільшенням частоти зростає міжелектродна провідність емності, зменшується випрямляюча дія діода і показання приладу падають. При цьому індуктивний опір додаткового шунта зростає, що збільшує частку струму, що протікає через вимірювальний випрямляч, показання приладу зростають і тим самим компенсують вплив збільшення міжелектродної ємностної провідності.

В авометрах в режимі вимірювання синусоїдальних струмів діапазон вимірювання струмів лежить в межах від 0,2 мА до декількох десятків ампер, шкала в більшій частині лінійна. Падіння напруги в амперметрах коливається від 0,5 до 1 В.

Для вимірювання змінної напруги використовують багатомежеві випрямні вольтметри. Розширення меж вимірювання здійснюється додатковими резисторами, включеними в ланцюг змінного струму перед вимірювальним випрямлячем, що перемикаються. Значення вхідного опору вольтметра в основному визначається значенням R_д (оскільки R_д  R_пр + R_и); воно складає 1,5—2 кОм/В і залежить від межі вимірювання напруги.

Для вимірювання малих напруг використовуються переважно вольтметри з однополуперіодним випрямлянням, для вимірювання великих напруг - вольтметри з двухполуперіодним випрямлянням. Для зменшення частотної похибки використовують безіндукційні додаткові резистори і паралельно їм включають конденсатор. У вольтметрах з однополуперіодним випрямлянням при градуюванні шкали в середньоквадратичних значеннях напруги U, що вимірюється, враховується коефіцієнт 2,22, тобто U=2,22∙U_cр.в, а у вольтметрах з двухполуперіодним випрямлянням - коефіцієнт 1,11, тобто U=1,11U_ср.в. При вимірюванні несинусоїдальних напруг до свідчень вольтметрів вносяться поправки. Схеми вимірювання опорів резисторів і ємностей конденсаторів, що використовуються в авометрах.