Файл: Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие.pdf

Уравнение шкалы прибора из условия равенства моментов

Шкала прибора квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направления вращения. При приложенном переменном напряжении прибор реагирует на среднее значение момента за период:

т

высокое входное сопротивление; малая, но переменная входная ем­ кость; ничтожно малое потребление энергии; возможность исполь­ зования как в цепи постоянного, так и в цепи переменного токов; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. К недостаткам этих приборов от­ носят квадратичную шкалу, малую чувствительность из-за слабого собственного электрического поля; невысокую точность; возможность пробоя между электродами; необходимость экрана.

Электростатические вольтметры применяют для измерения в це­ пях с маломощными источниками и при лабораторных исследованиях

образователями. Приборы магнитоэлектрической системы, по сравне­ нию с приборами других систем, обладая более высокой чувствитель­ ностью, точностью и малым собственным потреблением мощности, пригодны только для измерения в цепях постоянного тока. Сочетание магнитоэлектрического прибора с каким-либо преобразователем пе­ ременного тока в постоянный позволяет использовать его и для из­ мерения в цепях переменного тока. Приборы с преобразователями более чувствительны и имеют более широкий частотный диапазон, чем приборы электромагнитной и электродинамической систем.

Измерительные приборы выпрямительной (детекторной) системы. В приборах выпрямительной (детекторной) системы используют по­ лупроводниковые выпрямители — меднозакисные, германиевые, крем­ ниевые диоды. Выпрямительные свойства диода количественно харак­ теризуются коэффициентом выпрямления, который определяют по вольтамперной характеристике диода, снятой на постоянном токе (рис. 2-6, а), как отношение прямого тока / пр к обратному / обр или как отношение обратного сопротивления Ro6p к прямому Rnp при одном и том же напряжении:

(2-22)

31

Коэффициент выпрямления представляет собой переменную ве­ личину, зависящую от приложенного напряжения, частоты и темпе­ ратуры окружающей среды. Для каждого типа диода существует ра­ бочая область выпрямления Umin и Umax (рис. 2-6, б). При напряжении

их включения осуществляется однополупериодное или двухполупериодное выпрямление. Используемая в приборах однополупериодная

в цепь встречного диода, делает входное сопротивление цепи в обоих направлениях тока одинаковым.

Из-за инерционности подвижной части прибор магнитоэлектриче­ ской системы реагирует на среднее значение момента:

тт

Обычно шкалы приборов, измеряющих переменный ток, градуи­ руют в действующих значениях, поэтому ток /,,, протекающий через прибор, можно выразить через действующее значение и коэффициент формы для синусоиды:

32

В двухполупериодной мостовой схеме с четырьмя диодами (рис. 2-8) ток, протекающий через прибор, увеличивается вдвое по сравнению с током, протекающим через прибор в схеме однополупериодного выпрямления:

прибором. Входное сопротивление мо­ стовой схемы одинаково для обеих полуволн измеряемого напря­ жения.

Несмотря на то что приборы выпрямительной системы реагируют на среднее значение, их шкалы обычно градуируют в действующих значениях синусоидального сигнала. Если измеряемое напряжение или ток отличны от синусоиды, то градуировка шкалы должна быть изменена. К показаниям прибора можно внести поправку, если из­ вестны форма кривой исследуемого сигнала и схема выпрямления прибора.

Мостовая схема с четырьмя диодами требует идентичности послед­ них и специальной температурной компенсации, так как прямое и обратное сопротивления диода зависят от температуры окружающей среды. Поэтому практическое применение находят мостовые схемы

Рис. 2-9. Двухполупериодная схема выпрямления с двумядиодами (а) и эквивалентная схема для одной полуволны напряжения (б)

двухполупериодного выпрямления с двумя диодами и двумя резисто­ рами (рис. 2-9, а, б). Ток, протекающий через прибор,

Данная схемаболее чувствительна к малым напряжениям, чем схема с четырьмя диодами, и менее зависит от температуры, поскольку два диода заменены резисторами. Частотный диапазон такой схемы в основном определяется собственной емкостью диода (нижняя граница частотного диапазона составляет 10 ч- 20 Гц, верхняя, например у приборов с меднозакисным выпрямителем, достигает 2 кГц, с плос­ костными германиевыми и кремниевыми диодами — несколько сотен килогерц).

К достоинствам приборов выпрямительной системы относят высо­ кую чувствительность по току и напряжению, малое собственное по­ требление мощности; малые габариты; широкий частотный диапазон. Недостатками этих приборов являются зависимость Дпр и Д0бР диода от температуры; нелинейность шкалы (сжата в начале); невысокая точность (класс точности 1,5; 2,5 или 4); зависимость показаний от формы кривой исследуемого сигнала.

Приборы выпрямительной системы используют как многопредель­ ные амперметры, вольтметры (чаще всего комбинированные приборы для измерения тока, напряжения, сопротивления, емкости и др.). В маломощных цепях на повышенной частоте их применяют для из­ мерения малых токов и напряжений.

Измерительные приборы термоэлектрической системы. В приборах термоэлектрической системы используется термопреобразователь, со­ стоящий из одной или нескольких термопар и нагревателя. При про­ текании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихрома, константана и др.), выделяется тепло, под действием которого нагревается горячий спай термопары,

В среднем £ т равно 30—40 мкВ на 1° С перегрева. Благодаря тепло­

Если холодные концы термопары замкнутьна измерительный ме­ ханизм магнитоэлектрической системы, то по замкнутой цепи (по при­ бору) потечет ток

ветственно от свойств термопары и данных измерительного механизма.

ного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в дей­ ствующих значениях тока.

Термопреобразователи в зависимости от способа нагрева горячего спая термопары делят на контактные и бесконтактные. В контактных

34

термопреобразователях (рис. 2-10) горячий спай термопары приварен непосредственно к нагревателю, при этом имеется гальваническая связь между измеряемой и измерительной цепями. В бесконтактных термопреобразователях (рис. 2-11) горячий спай термопары отделен от нагревателя изоляционным материалом (каплей стекла), что ухудшает условия теплопередачи, увеличивает тепловую инерцию, уменьшает чувствительность, но позволяет последовательно соединять несколько термопар, уменьшать влияние паразитных емкостей (между измеряе­ мой и измерительной цепями). В некоторых бесконтактных преобра­ зователях термопару протягивают внутри тонкой стеклянной трубочки, на которую намотан нагреватель.

Для увеличения чувствительности и более эффективного исполь­ зования термопреобразователи соединяют в мостовую схему (рис. 2-12). Магнитоэлектрический измерительный прибор включают в диагональ этой схемы. Плечи моста представляют собой последовательно соеди-

ценные термопары, э. д. с. которых суммируют. Горячие спаи термо­ пар нагревают измеряемым током (для получения большего перепада температуры холодные концы термопары присоединяются к латунным или медным массивным кольцам). Чтобы обеспечить одинаковое со­ противление плеч моста, берут идентичные термопары.

Термопреобразователи для малых токов (до 1 А) помещают в спе­ циальные стеклянные баллоны, из которых выкачан воздух. При этом благодаря уменьшению потерь на излучение тепла в окружающую среду их чувствительность повышается. Вакуумные термопреобразователи бывают контактные (ТВ) и бесконтактные (ТВБ).

В паспорте указывают следующие параметры термопреобразова­ телей: номинальный ток нагревателя, номинальная термо-э. д. с., электрическое сопротивление нагревателя и термопары, допустимая перегрузка, емкость между нагревателем и термопарой, максималь­ ная рабочая частота.

Достоинства термоэлектрических приборов состоят в том, что их показания не зависят от частоты и формы кривой переменного тока; недостатки — малая перегрузочная способность (допускаются пере­ грузки не более чем на 50%), значительное потребление энергии (на 5 А примерно 1 Вт), ограниченный срок службы, невысокая точность (с изменением температуры изменяется сопротивление нагревателя,