Файл: Быков М.А. Электрические измерения электрических величин [учеб. пособие].pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 166
Скачиваний: 2
Выпрямительные приборы применяются для измерения многих электрических величин, таких, как ток, напряжение, со противление, а также частоты, мощности и др., где требуется применение особых схем включения выпрямительного устрой ства и измерительного механизма.
Однако наиболее широкое применение они нашли в каче стве амперметров и вольтметров. На рис. Ш-55 приведена простейшая схема амперметра, а на рис. Ш-56 — простейшая схема вольтметра выпрямительной системы.
В производственной, лабораторной и радиолюбительской практике широко применяются универсальные выпрямитель ные приборы, позволяющие измерять ток, напряжение и, ча сто, сопротивление на постоянном и переменном токе и на многих пределах измерения. Обычно в таких приборах изме ритель имеет две шкалы — равномерную для постоянного тока и неравномерную для переменного тока.
Пределы измерения выпрямительных приборов меняют с помощью шунтов для амперметров и добавочных сопротивле ний—^для вольтметров, аналогично тому, как это делается в обычных магнитоэлектрических приборах.
Общие свойства выпрямительных |
|
приборов |
|
||||
Шкала выпрямительных приборов несколько сужена на на |
|||||||
чальном участке и практически равномерна |
на 85% |
ее длины. |
|||||
Точность |
выпрямительных |
приборов |
не |
превышает |
обыч |
||
но 1,5. |
|
|
|
|
|
|
|
Приборы |
выпрямительной |
системы |
обладают |
достаточно |
|||
высокой чувствительностью: наименьшие |
пределы |
измерения |
|||||
тока и напряжения доходят до 0,2 ма и 0,3 |
в. |
|
|
||||
Собственная потребляемая мощность приборов невелика — |
|||||||
вольтметры |
рассчитываются на ток порядка 0,5—3 ма, |
ампер |
|||||
метры— на напряжение в шунтах 0,5—1 |
в. |
|
|
|
|||
9* |
|
|
|
|
|
|
|
Выпрямительные приборы пригодны для применения в це
пях переменного тока частотой до |
10 |
кгц, |
причем на |
частотах |
выше 1000—1500 гц они работают |
с частотной компенсацией. |
|||
Частотная погрешность возникает |
за |
счет |
емкости, |
образую |
щейся между элементами самого выпрямителя. С повышени ем частоты через эту емкость ответвляется часть тока, которая проходит в приборе, минуя «запирающий» слой и, таким обра зом, вносит погрешность в измерение. Схемы частотной ком пенсации позволяют устранить влияние частоты в диапазоне до 10 кгц.
Выпрямительные приборы подвержены влиянию темпера туры. С увеличением температуры, как это следует из вольтамперных характеристик выпрямителя, уменьшаются его со противление и коэффициент выпрямления, что приводит к из менению показаний прибора. Существует ряд схем темпера турной компенсации, позволяющих свести к минимуму темпе ратурную погрешность.
Показания выпрямительных приборов зависят от формы кривой измеряемого тока или напряжения, так как коэффи циент формы входит в уравнение шкалы прибора.
На точность выпрямительных приборов оказывают влия ние непостоянство параметров выпрямителей и трудность под бора выпрямителей с одинаковыми параметрами, что важно для симметричной работы схем при прохождении положитель ной и отрицательной полуволн.
П р и б о р ы т е р м о э л е к т р и ч е с к о й с и с т е м ы
При измерениях в электрических цепях переменного тока высокий частоты применяются приборы термоэлектрической системы, представляющие собой соединение магнитоэлектри ческого измерительного механизма с одной или несколькими термопарами.
Термопара представляет собой два проводника, выполнен ные из разных металлов и соединенные между собой сваркой, пайкой или каким-либо другим способом в одной точке.
Как известно, при нагревании места спая проводников (на зываемого «горячим» опаем) между свободными концами термопары («холодные концы» или «холодные спаи») возни кает термо-э. д. с. постоянного направления. Величина этой
термо-э. д.с. зависит |
от |
материала проводников термопары и |
от разности температур |
горячего и холодного спаев. |
|
Простейшая схема термоэлектрического прибора приведе |
||
на на рис. III-57. |
|
|
Изображенная на |
рисунке термопара образована провод |
никами А и Б, соединенными друг с другом и с нагревателем Я в точке С (место горячего спая). Если по нагревателю про пустить измеряемый ток /, а к свободным концам термопары
132
присоединить магнитоэлектрический измерительный меха низм, в цепи последнего потечет термоток / т , который вызовет отклонение стрелки прибора на угол а.
Количество тепла, выделяемое в месте горячего апая, позакону Джоуля пропорционально квадрату тока /2 ; следователь но, и разность температур между горячим и холодным опаями пропорциональна /2 . Тогда термоток / т в цепи измерительного механизма тоже пропорционален /2 .
Рис. 111-57
На основании уравнения (Ш-9), выведенного для прибора магнитоэлектрической системы, запишем уравнение шкалы терімоэлектр ического прибора
|
|
а = |
с1/т |
= сіР, |
(Ш-ЗЗ) |
где |
C i и С2—относительно |
постоянные коэффициенты. |
|||
Таким образом, |
отклонение |
подвижной части |
измеритель |
||
ного |
механизма в |
термоэлектрическом приборе |
пропорцио |
нально квадрату измеряемого тока. Следовательно, приборы этой системы способны измерять как постоянный, так и пере менный ток, причем в цепи переменного тока они показывают его действующее значение.
Сочетание одной или нескольких термопар с нагревателем получило название термопреобразователя.
В практике нашли применение две конструкции термопревбразователей: контактные преобразователи, где горячий спай непосредственно касается нагревателя (рис. Ш-57, а), и бес
контактные, в которых горячий спай отделен от нагревателя слоем изоляции, чаще всего из стекла (рис. Ш-57, б).
Контактные преобразователи применяются с одной термо Шарой, а так как термо-э. д. с. одной термонары очень мала (от 30 до 50 мв), такого типа термопреобразователи требуют при
менения высокочувствительных измерительных механизмов. Кроме того, в контактных преобразователях возникает неко торая разность потенциалов в месте горячего спая в силу того, что место спая нельзя рассматривать как точку и следует учи-
133
тывать площадь касания, обладающую некоторым сопротив лением.
Ток нагревателя / создает на этом сопротивлении падение напряжения, называемое «контактной разностью потенциа лов», величина которой зависит от направления тока и влияет на возникающий термоток (следовательно, вызывает погреш ность измерения).
Бесконтактные преобразователи свободны от этих недостат ков, так как: 1) не соприкасаются с нагревателем и 2) позво ляют включать последовательно несколько термопар, создавая общую термо-э. д. с , равную их сумме.
Однако в бесконтактных преобразователях имеется потеря чувствительности вследствие увеличения сопротивления цепи (несколько термопар!). Кроме того, наличие изоляционной прокладки между спаем и нагревателем ухудшает условия теплоотдачи и, следовательно, увеличивает тепловую инерцию прибора.
Существует несколько схем (типа мастиковых), позволяю щих уменьшить рассмотренные недостатки за счет рациональ ного включения термопар в электрическую цепь.
Термопреобразователи на большие токи (более 0,5 а). де лают воздушными, так как большие токи вызывают значитель ное выделение тепла в горячем спае. На рис. ÏII-58, а изобра жен воздушный термопреобразователь. Здесь измеряемый ток подводится к латунным колодкам (Л—А), между которыми расположены проводники термопары таким образом, что горя чий спай находится на воздухе. Измерительный прибор при соединяется к зажимам (Б—Б).
Рис. III-5S
Вприборах большей чувствительности, рассчитанных на малые токи (1—30—500 ма), термопара помещается в вакуум, чтобы избежать потерь на отдачу тепла в окружающее прост ранство (рис. ПІ-58, б).
134
Общие свойства термоэлектрических |
приборов |
Термоэлектрические приборы способны работать в цепях постоянного и переменного тока. Практически они используют ся только на переменном токе, где .измеряют его действующее значение. Применение их в цепях постоянного тока нецелесо образно из-за низкого класса точности (по сравнению с маг нитоэлектрическими), квадратичноети шкалы и др.
Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратич ной, но не квадратична ввиду двух обстоятельств:
1)с увеличением измеряемого тока повышается темпера тура нагревателя и несколько увеличивается его сопротивле ние, что вызывает еще большее увеличение неравномерности шкалы;
2)с увеличением температуры нагревателя резко усилива ется теплоотдача через излучение тепла, что вызывает умень шение неравномерности шкалы прибора.
Термоэлектрические приборы выпускаются классов точно сти 1,0; 1,5; 2,5.
Показания термоэлектрических приборов в большом диа пазоне частот переменного тока (до десятков Мгц) практиче ски не зависят от частоты и формы кривой тока, что является их большим преимуществом по сравнению с приборами дру гих систем. Это ценное качество объясняется ничтожной собст венной емкостью и индуктивностью термоэлектрического пре образователя. Термоэлектрические миллиамперметры способ ны работать в диапазоне до нескольких десятков Мгц; частот ный диапазон вольтметров значительно ниже и не превышает 1—2 Мгц, так как с ростом частоты резко возрастает реактив ная составляющая добавочного сопротивления. На более вы соких частотах начинают сказываться емкостные связи между колодками, и часть тока проходит через образовавшуюся ем кость, минуя измерительный механизм.
Кроме того, за счет возрастания поверхностного эффекта в нагревателе повышается ело сопротивление и, следователь но, температура горячего спая, что вызывает изменение пока заний прибора.
Температура окружающей среды влияет, в основном, на со противление цепи измерительного механизма, которое возра стает с увеличением температуры. Если не принять соответст вующих мер, это вызовет погрешность в измерениях. Для ус транения температурных влияний пользуются схемами темпе ратурной компенсации, как это принято для приборов магнито электрической системы.
Собственное потребление термоэлектрических приборов значительно. (Например, амперметр на 5 а потребляет мощ ность ~ 1 вт).
135
Термоэлектрические приборы чувствительны к перегрузкам (легко перегорают), так как увеличение температуры в нагре вателе пропорционально квадрату тока.
Срок службы термоэлектрических приборов невелик даже при нормальных условиях эксплуатации, так как из-за окисле ния и других изменений в нагревателе характеристики прибо ра с течением времени изменяются. Основное применение тер моэлектрических приборов — измерение тока на радиочасто тах щитовыми и переносными амперметрами.
§ 5. ГАЛЬВАНОМЕТРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Гальванометр — это прибор, при конструировании и изго товлении которого основной целью является получение при бора с возможно большей чувствительностью. Это обычно до стигается в ущерб точности и стабильности показаний прибо ра. В гальванометре отсутствуют, как правило, какие-либо до полнительные элементы схемы — добавочные сопротивления, шунты; никогда не бывает схем температурной компенсации. Вращающие моменты в гальванометрах, естественно, бывают крайне малыми, соответственно весьма малыми бывают и про тиводействующие моменты: подвижная часть укрепляется в гальванометре обычно на подвесе или с помощью растяжек. Подвижная часть гальванометра делается предельно легкой конструкции; в частности, рамка гальванометра выполняется без внутреннего алюминиевого каркаса (наматывается и про клеивается лаком на специальном шаблоне, который после просушки лака удаляется). В гальванометре нет и никакого специального устройства для успокоения. Но успокоение осу ществляется с использованием явлений, происходящих в са мой обмотке подвижной части гальванометра, что будет под робно рассмотрено в последующем.
В гальванометрах высокой чувствительности применяется световой отсчет, так как самая легкая указательная стрелка уже слишком утяжелила бы подвижную часть прибора.
Чувствительность гальванометров, их условия успокоения
в значительной степени зависят от условий |
их применения и |
|
не очень постоянны во времени, поэтому, как |
правило, |
гальва |
нометры не имеют постоянной градуировки |
их шкал, |
а гра |
дуируются перед их применением и в условиях их применения.
В этом разделе рассматривается несколько разновидностей гальванометров: чувствительный гальванометр постоянного тока, баллистический гальванометр и вибрационный гальвано метр переменного тока.
136