8. Измерение постоянных токов. Шунты и добавочные сопротивления. Их характеристики и параметры. Амперметры

Магнитоэлектрический механизм позволяет измерять малые постоян­ные токи, не превышающие 20-50 мА. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой манганиновые резисторы, сопротивление которых во много раз меньше сопротивления рамки R_А магнито­электрического измерительного механизма. Поэтому при включении шунта параллельно прибору (рис.5.3) основная часть измеряемого тока I проходит через шунт, а ток I_А не превышает допустимого значения.

Рисунок 5.3 – Схема включения амперметра с шунтом

Отношение I/I_А = n, показывающее, во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, называется коэффициентом шунтирования. Со­противление шунта определяется как

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до не­скольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Измерение больших токов (до нескольких тысяч ампер) осуществляют при помощи наружных шунтов, которые имеют определенные номинальные падения напряжения (45, 60, 75, 100 и 300 мВ) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Вольтметры

Схема вольтметра магнитоэлектрической системы приведена (рис.5.4).

Рисунок 5.4 – Схема включения вольтметра

Добавочный резистор R_доб, включенный последовательно с рамкой измерительного механизма, ограничивает ток полного отклонения I, протекающего через нее, до допустимых значений. При этом падение напряжения на рамке U_V зависит от сопротивления рам­ки R_V и обычно не должно превышать десятков милливольт. Осталь­ная часть измеряемого напряжения U должна падать на добавочном сопротивлении. Если необходимо получить верхний предел измерения напряжения, в m раз превышающий значение U_V, то необходимо вклю­чить добавочный резистор, сопротивление которого легко вычисляется по формуле

R_доб = R_V (m – 1).

Добавочные резисторы изготавливают из термостабильных мате­риалов, например, из манганиновой проволоки. Они могут быть внут­ренними, встроенными в корпус прибора (при напряжениях до 600 В), и наружными (при напряжениях 600-1500 В).

9. Измерение переменных токов. Погрешности: по току (по напряжению), угловые погрешности. Схемы включения амперметра и вольтметра для измерения больших токов и напряжений.

В амперметрах катушки соединены последовательно (рис.5.7.а) или параллельно (рис.5.7.б). Последовательное соединение используется в приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). При больших токах (до 10 А) катушки вклю­чаются параллельно.

Рисунок 4.7 – Схема соединений катушек амперметра

В последовательной схеме амперметра I₁ = I₂ = I, φ₁ – φ₂ = 0, поэто­му уравнение преобразования (4.5) сводится к виду

α = (1/W)(dM/dα)I², (4.6)

т.е. при условии dМ/dα = const угол поворота стрелки α квадратично за­висит от тока, протекающего в катушках.

В этом случае шкала неравномерна. Поэтому расположение и форму катушек выбирают так, чтобы производная dM/dα зависела от угла между подвижной и неподвиж­ной катушками.

В параллельной схеме I₁ = kI; I₂ = kI, а разность фаз также устанав­ливается равной нулю подбором индуктивностей в цепях катушек.

Вольтметры выполняются по схеме (рис.5.8). Катушки включаются последовательно, ток через них ограничивается добавочным резистором R_доб.

Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

α = (1/W)(dM/dα)(U²/R²), (5.7)

где R - общее сопротивление цепи прибора.

Как и в случае амперметров, изменением dM/dα добиваются почти равномерного характера рабочего участка электродинамических вольт­метров.

Рисунок 5.8 – Схема включения катушек вольтметра

Обычно электродинамические вольтметры выполняются многопредельными при помощи нескольких добавочных рези­сторов.

Схема соединения катушек ваттметра и его включения в цепь для измерения мощности, потребляемой на­грузкой Z_н , приведена на (рис.5.9).

Рисунок 5.9 – Схема включения ваттметра

Ток I₁ в неподвижной катушке равен току нагрузки, а ток I₂ в подвижной катушке пропорционален приложенному напряжению:

I₂ = U/(R_доб + r),

где R_доб - сопротив­ление добавочного резистора; r — сопротивление подвижной катушки.

С учетом этого и (5.5) уравнение шкалы для ваттметра

α = (1/W(R_доб + r))(dM/dα)Р (5.8)

где Р - активная мощность нагрузки.

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за темпе­ратурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повыше­нии частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности.

10. Электронные приборы: комбинированные с полупроводниковыми и термоэлектрическими преобразователи, преобразователи амплитудного значения (детекторы с открытым и закрытым анодом). Для всех – принцип действия, устройство, уравнения шкалы.

    Аналоговые электронные приборы

Электронным вольтметром называется измерительный прибор, по­казания которого вызываются током от источника питания, а измеряе­мое напряжение управляет величиной этого тока. Электронные вольт­метры имеют в своем составе усилители.

В зависимости от конструкции электронные вольтметры делятся на: универсальные, постоянного и переменного тока, и импульсные. Вольтметры переменного тока обычно строятся по двум структурным схемам (рис.5.11).

Вольтметр, схема которого приведена на (рис.5.11,.а), включает делитель напряжения ДН, преобразователь пере­менного напряжения в постоянное ПН, усилитель постоянного тока УПТ и магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ (микроамперметр на ток полного отклонения 50-500мкА).

Рисунок 5.11 – Структурные схемы электронных вольтметров

Вольтметры данной схе­мы имеют широкий частотный диапазон (до 700-1000 МГц), но срав­нительно низкую чувствительность (наименьшее значение верхнего предела измерения 1В), что обусловлено нелинейностью вольт-амперных ха­рактеристик выпрямительных элементов.

Вольтметры с предварительным усилением входного переменного напряжения (рис.5.11,б) имеют более узкий частотный диапазон (око­ло 500 кГц), но благодаря предварительному усилению их чувствительность значительно выше – наименьший верхний предел равен 1мВ.

Электронные вольтметры в отличие от электромеханических имеют большое входное сопротивление. Они обеспечивают измерение напряжений в высокоомных цепях без нарушения их электрических режимов. Измерения могут проводиться в широком диапазоне частот от постоянного тока до единиц гигагерц.

Обязательным элементом измерительной цепи является преобразователь переменного напряжения в постоянное. Постоянное напряжение на выходе этих преобразователей пропорционально одному из значений измеряемого переменного напряжения: амплитудному, средневыпрямленному, среднеквадратическому. Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров переменного тока градуируют в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы, что следует учитывать при определении значения измеряемой величины.

Преобразователи напряжения ПН делятся на преобразователи амплитудного, средневыпрямленного (среднего по модулю) и действующего значения. В вольтметрах с предварительным выпрямлением (рис.5.11,а) применяются преобразователи амплитуд­ного значения (ПАЗ), а в вольтметрах по схеме (рис.5.11,б) - преобразователи среднего (ПСЗ) или действующего значения (ПДЗ).

Рассмотрим ПАЗ с открытым входом, которые обычно состоит из диода, конденсатора и сопротивления нагрузки (рис.5.12.а).

Рисунок 5.12 – Схема ПАЗ переменного напряжения

При положительной полуволне входного напряжения (диод открыт) конденсатор заряжается до напряжения, близкого к амплитудному. В отрицательный полупе­риод (диод закрыт) конденсатор разряжается через сопротив­ление нагрузки. Учитывая, что постоянная разряда значительно больше постоянной заряда τ_р > τ₃, то напряжение при его разряде будет уменьшаться незначительно, как показано на (рис.5.12,б). В результате на конденсаторе установится постоянное на­пряжение U_c = U_в, почти равное амплитуде входного напряже­ния

Шкалу вольтметра с ПАЗ градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения с учётом коэффициента амплитуды K_а =1,41. При измерении несинусоидальных напряжений возникает погрешность, обусловленная отличием коэффициента амплитуды исследуемого напряжения от заданного.

ПСЗ широко применяются в схемах электронных вольтметров вследствие метрологических характеристик и высокой чувствительности. На (рис.5.13) приведена схема ПСЗ с мостовым выпрямителем в цепи ООС. За счёт высокого коэффициента усиления К_у операционного усилителя, ток в диагонали с ИМ поддерживается пропорционально входному переменному напряжению. Влияние нелинейности вольтамперной характеристики диодов мостовой цепи уменьшается пропорционально коэффициенту усиления усилителя.

Рисунок 5.13 – Схема ПСЗ переменного напряжения

Шкалы вольтметров с ПСЗ также градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения, но с учётом коэффициента формы (для синусоидального напряжения K_ф = 1,11).

Одним из основных недостатков ПАЗ и ПСЗ является зависимость показаний от формы кривой входного сигнала. Этого недостатка лишены преобразователи действующего значения ПДЗ переменного напряжения.

В электротепловых ПДЗ применяют термопреобразователи, представляющие собой сочетание нагревательного элемента с термопарой. Выходная величина ПДЗ нелинейно связана с действующим значением подаваемого на них напряжения. ПДЗ включает входной усилитель А₁, два термопреобразователя ТП₁ и ТП₂ и выходной усилитель А₂ (рис.5.14).

Рисунок 5.14 – Схема ПДЗ переменного напряжения

На вход усилителя А₂ поступает разность выходных ЭДС обоих преобразователей ТП₁ и ТП₂. При этом осуществляется сравнение по действующему значению преобразуемого переменного и выходного постоянного напряжений. В установившемся режиме входное u(t) и выходное постоянное U_вых напряжения равны с высокой точностью.

Электронные вольтметры с ПДЗ имеют основную погрешность 0,5-2,5%, широкий частотный диапазон (200кГц-10МГц) и высокую чувствительность (наименьший верхний предел измере­ния - 1 мВ).

Рассматриваемые вольтметры имеют обычно широкий частотный диапазон измерений (10 Гц...1000 МГц), но не обладают высокой чув­ствительностью, т.е. с их помощью нельзя измерять малые напряжения (меньше нескольких долей вольта), так как преобразователь не обеспе­чивает выпрямление малых сигналов.

Более чувствительными являются вольтметры, выполненные по схеме, представленной на (рис.5.7).

Рисунок 5.7 - Схема аналогового электронного вольтметра переменного тока

Вольтметры этого типа использу­ют для измерения малых напряжений переменного тока от единиц ми­кровольт до единиц вольт. Это возможно благодаря предварительному усилению переменного тока. Однако создание усилителей, работающих в широком диапазоне частот и имеющих большой коэффициент усиле­ния, - трудная техническая задача, поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1...10 МГц).