Файл: Электрические измерения. Общий курс учебник.pdf

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