книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

Магнитоэлектрические вольтметры имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но малое внутрен­ нее сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от микровольт до 1,5 кВ.

§ 2.3. Комбинированные аналоговые измерительные приборы

Комбинированный аналоговый измерительный прибор — ампервольтомметр (авометр) является универсальным многопредельным прибором, с помощью которого возможны приближенные измере­ ния токов, напряжений в цепях постоянного и переменного тока частотой от 20 Гц до 20 кГц и выше, сопротивлений постоянному току и емкости. В универсальном измерительном приборе исполь­ зуют магнитоэлектрический измерительный механизм (микроампер-

Рис. 2.9. Схема однополупериодного выпрямления

(а) и временные диаграммы изменения выпрямлен­ ного тока (б)

метр), например с током полного отклонения подвижной части 50 мкА и падением напряжения 75 мВ, который может при помощи переключающего устройства соединяться с различными измери­ тельными цепями.

При измерении постоянного тока параллельно микроампер­ метру включаются многоступенчатые шунты, а при измерении постоянного напряжения последовательно с микроамперметром — добавочные резисторы. Таким образом, в режиме измерения по­ стоянного тока и напряжения авометр работает как многопредель­ ный магнитоэлектрический амперметр и вольтметр (см. § 2.2 ).

При измерении переменных токов и напряжений звуковых ча­ стот используют многопредельные выпрямительные амперметры и вольтметры, представляющие собой сочетание шунтов или доба­ вочных резисторов, полупроводниковых одноили двухполупериодных выпрямителей и магнитоэлектрического микроамперметра. Показания выпрямительных приборов соответствуют средневыпрямленному значению измеряемого напряжения или тока, т. е. магнитоэлектрический измеритель усредняет значение предвари­ тельно выпрямленного тока.

На рис. 2.9, а, б представлены схема однополупериодного выпрямления и временные диаграммы изменения выпрямленного

тока. В цепи однополупериодного выпрямления ток через микро­ амперметр, включенный последовательно с диодом Д х, протекает только в положительный полупериод напряжения и {I). В отри­

диод Д х от пробоя. Сопротивление /?', включенное в цепь встреч­ ного диода и равное сопротивлению микроамперметра Ди, делает входное сопротивление цепи в обоих направлениях одинаковым. Подвижная часть магнитоэлектрического микроамперметра из-за своей инерционности при частотах от 20 Гц и выше не успевает следовать за мгновенными значениями вращающего момента, поэтому реагирует на среднее значение момента:

тт

Шкалу прибора, измеряющего переменный ток или напряже­ ние, обычно градуируют в среднеквадратичных (действующих) значениях синусоидального сигнала, поэтому среднее значение тока /„, протекающего через прибор, можно выразить через сред­ неквадратичное значение / измеряемого тока и коэффициент фор­ мы /Сф для синусоиды:

В цепи двухполупериодного выпрямления с четырьмя диодами (рис. 2.10, а) ток / и, протекающий через микроамперметр, увели­ чивается вдвое по сравнению с током, протекающим через микро­ амперметр в цепи однополупериодного выпрямления. В течение положительного полупериода ток проходит через диод Д х — микро­ амперметр — диод Д 3; в течение отрицательного полупериода — через диоды Д 2, Д4 и микроамперметр. Таким образом, через микро­ амперметр ток / и проходит в одном и том же направлении оба полупериода:

Предельное среднеквадратичное значение измеряемого синусо­ идального тока / = 1,11/,,.

В цепи однополупериодного выпрямления почти все приложен­ ное напряжение и (0 падает на диод Д и поэтому при малых на­ пряжениях работа диода осуществляется на линейном участке его вольтамперной характе­ ристики и шкала при- а) г бора делается более ли- 0— нейной. В цепи же двухполупериодного выпрям­ ления приложенное на- и пряжение распределяет­ ся между двумя диодами

и прибором, что приво- ф__ дит к расширению нелинейного участка шкалы. Входное сопротивление цепи двухполупериодно­

го выпрямления одинаково для обеих полуволн измеряемого на­ пряжения, но вследствие нелинейного характера сопротивлений диодов сопротивление цепи зависит от значения измеряемого то­ ка, поэтому для определенности принято сопротивление указы­ вать при номинальных значениях напряжения и тока.

Мостовая цепь с четырьмя диодами требует идентичности послед­ них и специальной температурной компенсации, так как прямое и обратное сопротивления диода зависят от температуры окру­ жающей среды. Практическое применение находят мостовые цепи двухполупериодного выпрямления с двумя диодами и двумя рези­ сторами (рис. 2.10,6).

Ток, протекающий через микроамперметр,

Данная цепь более чувствительна к малым напряжениям, чем цепь с четырьмя диодами, и менее зависит от температуры, по­ скольку два диода заменены резисторами. Частотный диапазон измерительных выпрямителей определяется в основном собствен­ ной емкостью диода. Нижняя граница частотного диапазона состав­ ляет 10 — 20 Гц, верхняя достигает с меднозакисными диодами не выше 10 кГц, с плоскостными германиевыми и кремниевыми — 100 кГц и с точечными — сотни мегагерц.

К достоинствам выпрямительных приборов относят: высокую чувствительность по току и напряжению; малую собственную мощ­ ность потребления; малые габариты; широкий частотный диапазон; к недостаткам — зависимость прямого и обратного сопротивления диода от температуры, нелинейность шкалы (сжата в начале при малых напряжениях до 0,4 В); невысокую точность (классы точ­

ности 1,5; 2,5 и 4); зависимость показаний от формы кривой иссле­ дуемого сигнала. Если измеряемое напряжение или ток отличны от синусоиды, то к показаниям прибора необходимо внести по­ правки.

Расширение пределов измерения и возможность использования на различных пределах измерения переменного тока общей шкалы обеспечиваются с помощью универсального шунта (рис. 2.11). Расчет шунта в многопредельных амперметрах, работающих в об­ ласти звуковых частот, выполняется теми же способами, что и в мно­ гопредельных магнитоэлектрических амперметрах, только вместо

ленный из двух резисторов: один — из медной проволоки с поло­ жительным температурным коэффициентом, а второй — из ман­ ганиновой проволоки с высокостабильным сопротивлением. При повышении температуры сопротивление шунта увеличивается; это приводит к возрастанию выпрямленного тока, компенсирующего в некотором интервале температур понижение коэффициента вы­ прямления Кв = Кобр/Кпр. Для снижения частотной погрешности резисторы дополнительного шунта изготовляются в виде катушек. С увеличением частоты возрастает межэлектродная емкостная проводимость, уменьшается выпрямляющее действие диода и пока­ зания прибора падают. При этом индуктивное сопротивление дополнительного шунта возрастает, что увеличивает долю тока, протекающего через измерительный выпрямитель, показания при­ бора возрастают и тем самым компенсируют влияние увеличения межэлектродной емкостной проводимости.

В авометрах в режиме, измерения синусоидальных токов диапа­ зон измерения токов лежит в пределах от 0,2 мА до нескольких десятков ампер, шкала в большей части линейна. Падение напря­ жения в амперметрах колеблется от 0,5 до 1 В.

Для измерения переменного напряжения используют многопре­ дельные выпрямительные вольтметры. Расширение пределов изме­ рения осуществляется переключаемыми добавочными резисторами, включенными в цепь переменного тока перед измерительным вы-

прямителем. Значение входного сопротивления вольтметра в ос­ новном определяется значением # д (так как # д ;> Япр + # и); оно составляет 1,5—2 кОм/В и зависит от предела измерения на­ пряжения.

Для измерения малых напряжений предпочтительны вольтметры с однополуперйодным выпрямлением, для измерения больших напряжений — вольтметры с двухполупериодным выпрямлением. Для уменьшения частотной погрешности используют безындук­ ционные добавочные резисторы и параллельно им включают кон­ денсатор. В вольтметрах с однополупериодным выпрямлением при градуировке шкалы в среднеквадратичных значениях измеряемого напряжения II учитывается коэффициент 2,22, т. е. II = 2,22{Уср в, а в вольтметрах с двухполупериодным выпрямлением — коэф­ фициент 1,11, т.е. II = 1,1Шср>в. При измерении несинусоидаль­ ных напряжений к показаниям вольтметров вносятся поправки. Схемы измерения сопротивлений резисторов и емкостей конден­ саторов, используемые в авометрах, будут рассмотрены в гл. 9.

§ 2.4. Электродинамические измерительные приборы

Измерительные механизмы. Эти механизмы (рис. 2.12) работают на принципе взаимодействия магнитных потоков двух катушек, по которым протекают токи. Измерительные механизмы состоят

то отрицательна. При повороте подвижной катушки на угол а из­ меняется взаимная индуктивность <^, зависящая от формы и взаимного расположения катушек, а индуктивности Ьг и 1г остают­

Под действием вращающего момента подвижная катушка стре­ мится занять такое положение, при котором направление ее маг­ нитного поля совпадало бы с направлением магнитного поля непод­ вижных катушек. При этом она будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий и противодействующий моменты не сравняются, т. е. М = Ма. Следовательно, угол отклонения подвижной части механизма

При включении электродинамического механизма в цепь пере­ менного тока мгновенное значение вращающего момента

значения токов в катушках (фх, ф2 — начальные углы сдвига фаз). Среднее значение вращающего момента за период, на который

показывает, что при несовпадении по фазе токов отклонение под­ вижной части а пропорционально произведению среднеквадратич­ ных значений этих токов на косинус угла сдвига фаз между ними.

Электродинамические механизмы содержат две цепи тока, по­ этому являются множительным устройством и обладают фазочувствительностыо. Данная особенность позволяет применять их не только в амперметрах, вольтметрах, но и в ваттметрах, фазо­ метрах и др.

К достоинствам электродинамических механизмов относят высо­ кую точность и возможность использования их как в цепях посто­ янного тока, так и в цепях переменного тока, к недостаткам — малую чувствительность; влияние внешних магнитных полей на по­ казания ИМ (слабое собственное магнитное поле); большую мощ­ ность потребления; ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц).

Электродинамические механизмы используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты, -фазо-

метрах. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на показания приборов применяют магнитное экранирование изме­ рительного механизма, или астазирование. При астатическом испол­ нении имеются два измерительных механизма с общей осью. Соб­ ственные магнитные поля измерительного механизма направлены в противоположные стороны. Внешнее равномерное магнитное поле, усиливая поле одного измерительного механизма на какое-то значение, на это же значение ослабляет поле другого, но не изме­ няет их суммарного вращающего момента.

Амперметры и вольтметры. Если неподвижные и подвижные катушки соединить последовательно и по ним пропустить один

где к — коэффициент пропорциональности.

Следовательно, отклонение подвижной части прибора пропор­ ционально квадрату тока (напряжения). При изменении направле­ ния токов в обеих катушках отклонение подвижной части прибора останется прежним. Так как токи 1Хи / 2 совпадают по фазе, то при­ бор может иметь одну шкалу для постоянных и переменных токов (например, для амперметров на малые токи до 0,1 А и вольтметров).

При токах выше 0,1 А катушки соединяются параллельно. Электродинамические амперметры применяют для измерения

токов 0,1—10 А. Использование их для измерения токов миллиамперного диапазона в маломощных цепях ограничивается боль­ шой мощностью потребления и малой чувствительностью. Изме­ нение пределов измерения достигается секционированием непод­ вижных катушек, а также комбинацией последовательно-парал­ лельного соединения секций неподвижных катушек с подвижной катушкой.

В электродинамических вольтметрах неподвижная и подвижная катушки соединяются последовательно с добавочным резистором и по ним проходит один и тот же ток.

Электродинамические вольтметры выпускаются на несколько пределов (до 300 В) и используют их в основном для точных изме­ рений. Внутреннее сопротивление их мало (примерно 1 кОм на пре­ деле 30 В), мощность потребления изменяется в зависимости от пре­ дела измерения, максимум до 10 Вт, чувствительность низкая.

Пределы измерения амперметров и вольтметров могут быть рас­ ширены с помощью измерительных трансформаторов токов и напря­ жений.

§ 2.5. Электромагнитные измерительные приборы

Измерительные механизмы. В электромагнитных механизмах (рис. 2.13) для создания вращающего момента используют дей­ ствие магнитного поля катушки 1 с током на подвижный пермаллоевый лепесток 2, эксцентрично насаженный на оси 4 прибора.

Противодействующий момент создается спиральной пружиной 3. При прохождении по неподвижной плоской катушке измеряемого тока / возникает магнитное поле, которое, воздействуя на лепе­ сток 2, стремится расположить его

в катушке, поэтому электромагнитные приборы одинаково при­

ного тока.

Из (2.34) следует, что отклонение подвижной части механизма пропорционально среднеквадратичному значению измеряемого тока.

Успокоение в приборе воздушное или магнитоиндукционное. Электромагнитные приборы конструктивно выполняются как

сплоской катушкой, так и с круглой.

Кдостоинствам электромагнитных приборов следует отнести простоту и надежность, хорошую перегрузочную способность

и одинаковую пригодность для измерений в цепях постоянного, и переменного тока, к недостаткам — большое собственное потреби ление энергии, невысокую точность (при измерениях в цепях с постоянного тока сказывается явление гистерезиса в ферромагнит* 1 ном лепестке), малую чувствительность, влияние внешних магнит­ ных полей из-за слабого собственного магнитного поля.

Электромагнитные приборы применяют как измерители тока и напряжения преимущественно в цепях переменного тока про­ мышленной частоты в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и многопре­ дельных лабораторных классов 0,5 и 1,0.

Использование их в цепях повышенной и высокой частоты недопустимо из-за боль­ ших дополнительных частотных погреш­ ностей.

Амперметры и вольтметры. Диапазон измерения токов весьма широк. Для ста­ ционарных измерений используют однопре­ дельные амперметры, для переносных — многопредельные амперметры с секциони­ рованными катушками. Переключение оди­ наковых секций катушки с последователь­ ного соединения на параллельное позво­ ляет получать пределы измерения у ампер­

метров с соотношением 1:2:4. Секции катушки можно выполнять с разным числом витков из проволоки различного диаметра.

Применение шунтов для расширения пределов измерения элек­ тромагнитных амперметров нерационально, так как это приводит к увеличению мощности потребления приборами, громоздкости и дороговизне.

Пределы измерения амперметров расширяют с помощью изме­ рительных трансформаторов тока ТрТ. Первичная обмотка тран­ сформатора тока с меньшим числом витков включается последова­ тельно в цепь измеряемого тока 11г а к зажимам вторичной об­ мотки с большим числом витков подсоединяется амперметр А

Измеряемый ток определяют посредством умножения показа­ ний амперметра на номинальный коэффициент трансформации

Шкала амперметра может быть отградуирована в значениях измеряемого тока. В паспорте трансформатора тока указывают предельное значение сопротивления, на которое может быть зам­ кнута вторичная обмотка. Нормальным режимом для трансформа­ тора тока является режим короткого замыкания. При размыкании вторичной цепи трансформатора тока резко повышается напря­ жение на вторичной обмотке от единиц вольт до нескольких кило­

вольт, что опасно и может привести к перегреву сердечника транс­ форматора и пробою изоляции. Во избежание размыкания преду­ смотрен ключ К • Вторичная обмотка трансформатора тока зазем­ ляется для того, чтобы при случайном пробое изоляции между ней и первичной обмоткой обезопасить обслуживающий персонал от соприкосновения с цепью высокого напряжения.

Лабораторные измерительные трансформаторы тока изготовля­ ются на номинальные напряжения 0,5—35 кВ; номинальные пер­ вичные токи 0,1—25 000 А; номинальные вто­ ричные токи 5 А для всех частот и 1 А. Для трансформатора тока характерны погрешно­ сти в передаче значений тока, фазы (угловая

погрешность).

Классы точности трансформаторов токов 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Измерительная цепь электромагнитного вольтметра представляет собой последова­ тельное соединение неподвижной катушки и добавочного резистора. Ток полного откло­ нения вольтметра равен 25—50 мА, с пони­ жением предела измерения это значение воз­ растает и достигает 100—200 мА при напря­ жении 15—30 В. Добавочные резисторы при­ меняют в многопредельных вольтметрах с

наибольшим пределом измерения 600 В. Пределы измерения электромагнитного вольтметра могут быть расширены с помощью измерительных трансформаторов напряжения ТрН (рис. 2.15), где А, X — зажимы первичной обмотки; а, х — зажимы вторичной обмотки. Первичную обмотку трансформатора напряжения с малым числом витков подключают параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение 1/ъ вторичную обмотку с напряжением {/2 н малым числом витков соединяют с вольтметром.

Вторичная обмотка замкнута на большое сопротивление, вслед­ ствие чего токи в обмотках малы и трансформатор напряжения работает в условиях, близких к холостому ходу.

Трансформатор напряжения представляет собой маломощный силовой трансформатор.

Измеряемое напряжение определяют посредством умножения показаний вольтметра на номинальный коэффициент трансформа­

первичного напряжения.

В паспорте трансформатора напряжения указывают его номи­ нальную мощность, которая должна быть больше или равна сумме мощностей потребления включенных приборов.

Для трансформатора напряжения характерны погрешности в пе­ редаче значений напряжения, фазы. Классы точности трансформа­ торов напряжения 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.