8.1 Основные типы приборов, измеряющих напряжение и силу тока

8.1 Основные типы приборов, измеряющих напряжение и силу тока

Напряжение и силу тока  измеряют приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторами).По структурному построению всевозможные приборы ,измеряющие  напряжение и силу тока, условно можно разделить на три ос­новных типа:

• электромеханические;

• электронные аналоговые;                         

• цифровые. 

Электромеханические приборы        

Для измерения напряжения и силы тока 5…20 лет назад (иногда еще и в настоящее время) широко применялись электромеханические приборы. При­боры этих систем часто входят в состав и других, более сложных, средств измерений.

 

По физическому принципу, положенному в основу построения и конст­руктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией из­меряемой величины.

Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее обстоятельство позволяет измерять наиболее информативные параметры сигнала без ме­тодических ошибок. Электромеханические измерительные приборы строят по обобщенной структурной схеме, показанной на рис. 8.2.

Измерительная схема электромеханического прибора состоит из совокупности сопротивлений, индуктивностей,       емкостей и других элементов

 

Измерительная схема

 

Измерительный механизм

 

Отсчетное устройство

x’

                                                                               

x                           

 

Рис. 8.2. Структурная схема электромеханического прибора

 

электрической цепи прибора и осуществляет количественное или качествен­ное преобразование входной величины х в электрическую величину х’, на которую реагирует измерительный механизм. Последний преобразует элек­трическую величину х’ в механическое угловое или линейное перемещение , значение которого отражается на шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x). Для этого необходимо чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно определенное отклонение . При этом параметры схемы и измерительного механизма не должны меняться при изменении внешних условий: температуры окружающей среды, частоты питающей сети и дру­гих факторов.

Классификацию электромеханических приборов производят на основании типа измерительного механизма. Наиболее распространенными в прак­тике радиотехнических измерений являются следующие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, элек­тростатическая.

 

—магнитоэлектрическая измерительная система;

 

     —электромагнитная измерительная система;

                       
    —электродинамическая  измерительная система;

 

      —электростатическая измерительная система;

                  

Условное обозначение типа измерительной системы наносится на шкале прибора или средства измерения.

Магнитоэлектрическая система. В этой системе измеритель­ный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно за счет особой конфигурации магнитопро­вода. Под воздействием тока рамка вращается в магнитном поле, угол пово­рота ограничивают специальной пружиной, поэтому передаточная функция (часто называемая уравнением шкалы) линейна:

0

 

 

где 0 удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W—удельный противодействующий момент, созда­ваемый специальной пружиной,

 

1 – рамка с измеряемым током и стрелкой;2 – неподвижный сердечник;

3 – полюсные наконечники;4 – возвратная пружина

 

На основе магнитоэлектрического механизма создаются вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы, и их структурное построение главным образом определяется измерительной схемой. Измерительные приборы магнитоэлектрической системы имеют достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление энергии из измерительной цепи, высокую чувствительность, но работают лишь на постоянном токе.

Для расширения пределов измерения токов амперметрами и напряжений вольтметрами применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно индикаторам в схемы этих приборов.

Основное использование переносные, лабораторные, многопредельные амперметры  и вольтметры постоянного тока.Класс точности 0,05 … 0,5,потребляемая мощность Рсоб 10-5 … 10-4 Вт.

 

Гальванометры. Особую группу измерителей тока составляют высоко чувствительные магнитоэлектрические приборы — нуль-индикаторы, схемы сравнения, или указатели равновесия, называемые гальванометрами. Их задача показать наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны обладать большой чувствительностью. Гальванометры снабжают условной шкалой и не нормируют по классам точ­ности.

Чувствительность гальванометров выражается в мм или делениях (на­пример, Si 109 мм/А). Такая высокая чувствительность достигается за счет особой конструкции прибора.

Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуиро-вочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому при выпуске на производстве чувствительные гальванометры не градуируют в единицах измеряемой физической величины и им не присваивают классы точности. В качестве же метрологических ха­рактеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки.

Современные гальванометры позволяют измерять токи 10 -5 … 10 -12 А  и напряжения до 10 -4 В.

Электромагнитная система. Принцип действия электромагнит­ной системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердеч­ником. Ферромагнитный сердечник втягивается в катушку при любой поляр­ности протекающего по ней тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле катушки так, что поле усиливается. Следова­тельно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако электромагнитные приборы являются всё-таки низкочастотны­ми, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки.

 

 

Уравнение шкалы или передаточная функция электромагнитной измерительной системы выражается как:

 

 

2 ,

 

где 2 =dt;

– индуктивность катушки

 

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возмож­ность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях пере­менного тока, на постоянном токе. К недостаткам приборов этой системы можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точ­ность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей.

На практике применяют амперметры электромагнитной системы с преде­лами измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры — от долей вольта до сотен вольт. Основное использование в виде щитовых и лабораторных переносных низкочастотных амперметров и вольтметров (f = 0 … 5 кГц).Класс точности 0,5 …  2,5,потребляемая мощность Рсоб =1 … 6 Вт.

Электродинамическая система — измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвижную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля кото­рых взаимодействуют в соответствии с формулой:

cos ,

где Mвр — вращающий момент; I1 — ток через неподвижную катушку;I 2 —

ток через подвижную катушку; — фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М— коэффициент взаимной индуктивности катушек.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соеди­нения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. Досто- инством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может быть 0,1.. .0,2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измерителыахх приборов переменного тока. По другим показателям электродинамиче­ские приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы ис­пользуются как образцовые лабораторные низкочастотные высокого класса точности измерительные приборы.

Класс точности 0,1 … 0,2,потребляемая мощность Рсоб = 1 Вт., частотный диапазон 0 … 5кГц.

1 – неподвижная катушка

2 – подвижная катушка

 

Электростатические приборы — принцип действия электро­статического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Ограничение движения (как и в других электромеханических системах) осуществляется за счет пружинки. Электростатические приборы по принципу действия меха­низма являются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частот­ный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения.

 

Уравнение рамки записывается в виде:

 

 

,     dt,     С – емкость между пластинами.

 

Основное использование в качестве высокочастотных лабораторных и высоковольтных вольтметров. Класс точности 0,5 … 1,5,потребляемая мощность Рсоб 1 мВт, частотный диапазон 0 … 30 МГц.

            8.1 Магнитоэлектрические приборы с преобразователями

          переменного       тока в постоянный

 

Описанные выше приборы не решают многих проблем, возникающих при измерении на переменном токе: электромагнитный  и электродинамический— низкочастотны, электростатический обладает низкой чувствительностью. Приме­нение магнитоэлектрического механизма в сочетании с преобразователем позво­ляет существенно расширить возможности измерений на переменном токе. По типу преобразователя данные приборы делятся на выпрямительные и термоэлек­трические.

Выпрямительные приборы.Представляют собой сочетание измерительного механизма магнитоэлектрической системы с выпрямителем на полупроводниковых диодах.

Схемы соединений диодов с измерительными механизмами можно разделить на две  основные групы: однополупериодные и двухполупериодные.

Наиболее распространены  приборы с двухполупериодными схемами выпрямления.

а – трансформаторная; б – мостовая; в, г – мостовая с заменой двух диодов резисторами.

При измерении переменного тока мгновенное значение вращающего момента М(t)=Bsωi, где i -мгновенное значение тока, протекающего через измерительный механизм.

Из-за инерционности подвижной части отклонение её определяется средним значением вращающего момента МСР. Для схемы с однополупериодным выпрямлением если ток , средний за период

вращающий момент равен

 

, где ICP – средневыпрямленное значение синусоидального тока; T – период.

Для схемы с двухполупериодным выпрямлением вращающий момент увеличивается вдвое.

Угол поворота подвижной части при одно- и двухполупериодном выпрямлении соответственно равен

 

                      

 

В силу того, что магнитоэлектрическая измерительная система реагирует на постоянный (средневыпрямленный) ток, показания прибора будут пропорциональны средневыпрямленному значению переменного тока или напряжения. Данное обстоятельство является очень существенным, так как приборы проградуированы всредних квадратических значениях синусоидального тока. Это значит, что на шкале прибора представлено не то значение, на которое реагирует прибор (т.е. средневыпрямленное),а величина, умноженная на коэффициент формы синусоиды Кф= 1,11.

      При измерении параметров переменного негармонического сигнала; практически всегда возникает методическая погрешность. Например, при градуировке измерительного прибора на синусоидальном токе точке шкалы 100 В соответствовало средневыпрямленное значение напряжения 90 В. Если на этот измерительный прибор подать напряжение, имеющее форму меандра с амплитудой 90В (напомним, что у такого сигнала: Ка = Кф = 1, т.е. Um = U = U ср.в = 90 В), его показания также будут около 100 В (1,11 U ср.в) и абсолютная погрешность измерения напряжения составит △= 100-90=10В.

Выпрямительные приборы при­меняются как комбинированные измерители постоянного и пере­менного тока и напряжения с пре­делами измерения тока от 1 мА до 600 А, напряжения от 0,1 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чуст-вительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется применяемыми диодами. Так, использование точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений на частотах 50… 105 Гц. Основными источниками погрешностей приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора. Выпрямительные приборы выполняются в виде многопредельных и многоцелевых лабораторных измерительных приборов .К этому типу измерительных приборов относится так называемыйтестер.

Наименьшие пределы измерения переменных токов и напряжений 0,25-0,3 мА и 0,25-0,3 В , малое собственное потребление мощности, широкий частотный диапазон ( до 10-20 кГц).

Недостатки: невысокая точность ( классы точности 1,0-2,5 ); зависимость показаний от формы кривой измеряемой величины.

Область применения: многопредельные ампервольтметры выпрямительные фазометры и самопишущие частотомеры.

Термоэлектрические приборы.Представляют собой сочетание измерительного механизма магнитоэлектрической системы и одного или нескольких термоэлектрических преобразователей.

 

 

а) контактная схема термоэлектрических преобразователей

б) бесконтактная

в) мостовая

г) амперметр

д) вольтметр

Термоэлектрическая измерительная система — строится на основе терме электрического преобразователя и магнитоэлектрического микроамперметра. Термопреобразователь включает нагреватель, по которому протекает изме- ряемый ток, и термопару, на концах которой возникает термоЭДС. В цепь термопары включен микроамперметр, измеряющий термоток. Рабочий спай термопары находится в тепловом контакте с нагревателем. Нагреватель пред- ставдяет собой тонкую проволоку из металлического сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин). Еще более тонкие проволоч- ки из термоэлектродных материалов применяют для изготовления термопар.

При прохождении измеряемого тока через нагреватель, место его контакта с термопарой нагревается до температуры нагрева, а холодный спай остается при температуре окружающей среды.

Термо-ЭДС, развиваемая термоэлектрическим преобразователем, пропорциональна количеству теплоты, выделяемой измеряемым током в месте присоединения спая. Количество теплоты в свою очередь пропорционально квадрату измеряемого тока. Значение тока I0, протекающего через измерительный механизм может быть определенно как I0=E/r, где E – термо-ЭДС; R – полное сопротивление цепи постоянного тока. Следовательно, показания термоэлектрического прибора пропорциональны квадрату действующего значения тока в нагревателе, т.е. , где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции и типа термоэлектрического преобразователя и параметров измерительного механизма.

  Функционирование прибора основано на тепловом действии тока, и поэтому магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем измеряет среднее квадратическое значение переменного тока любой формы.

Термоэлектрические приборы применяют в основном для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не используются, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало. Достоинством термоэлектрических приборов является широкий частотный диапазон (до 10 МГц). Недостатки: невысокая чувствительность, низкий класс точности (1,5… 4,0), большое потребление энергии из измерительной цепи, малая перегрузочная способность, неравномерная шкала.