книги / Электрорадиоизмерения

пространство, а следовательно, повышает чувствительность прибора.

Для повышения чувствительности термоэлектрических приборов в них иногда используют преобразователи, состоя­

внутри корпуса прибора Я, и с отдельным выносным термо­ преобразователем. При втором варианте термопреобразо­ ватель обычно включают непосредственно в измеряемую цепь, а прибор И располагают на пульте управления данным радиоустройством.

В зависимости от назначения термоэлектрические изме­ рители тока могут иметь различные пределы измерения, классы точности и частотный диапазон, в верхней части кото­ рого погрешность прибора возрастает.

Общий частотный диапазон термоэлектрических прибо­ ров промышленного типа лежит в пределах от 45 Гц до 300 МГц. Номинальные токи — от 1 мА до 50 А. Классы точности от 1,0 до 2,5. На частотах 300 МГц (Т22М) основная погрешность достигает ± 5 % .

Примером термоэлектрических приборов являются щи­ товые миллиамперметры Т20 и Т20Т с внутренним вакуум­ ным термопреобразователем на частоты 50 Г ц — 100 МГц. Пределы измерений: 75, 100, 250, 500, 1000 мА. Основная погрешность на частоте 50 Гц — ± 5 %.

Более высокий класс точности (1,0) имеет миллиампер­ метр Т15 с термопреобразователем Т105. Такой прибор на номинальный ток 100 мА имеет погрешность в диапазоне частот 20 Гц—20 МГц — dz 1 %, 20—60 МГц — ± 2 %, 60— 100 МГц — ± 4% .

Сопротивление подогревателя определяется номиналь­ ным током и может иметь величину от единиц до сотен ом. Чем больше ток, тем меньше должно быть сопротивление подогревателя, чтобы прибор меньше поглощал энергии от измеряемой цепи. Сопротивление термопары постоянному току бывает обычно порядка нескольких десятков ом и под­ бирается примерно равным сопротивлению прибора И, чтобы отдача энергии термопарой прибору была максимальной.

Для расширения пределов измерения тока высокой час­ тоты применяются измерительные трансформаторы и реак­ тивные делители тока.

Применение измерительных трансформаторов тока обычной конст­ рукции ограничивается резонансными свойствами трансформатора. Поэтому высокочастотные измерительные трансформаторы имеют спе­ циальную конструкцию, у которой первичная обмотка обычно выпол­ няется в виде прямолинейного провода (стержня), а вторичная — в форме торроидальной катушки для уменьшения влияния на нее внешних магнитных полей. В диапазоне СВЧ вторичная обмотка транс­ форматора выполняется в виде квадратного витка.

Измерительные трансформаторы имеют следующие преимущества при измерении больших токов:

а) уменьшение потребляемой прибором мощности; б) возможность применения электростатических экранов, устра­

няющих ответвление измеряемого тока на землю через емкость прибора; в) расширение диапазона частот, так как при использовании измерительных трансформаторов применяются приборы на малые токи,

вие поверхностного эффекта и дру­ гих причин активное сопротивление разных по диаметру проводников (в данном случае шунта и подогревателя) изменяется неодинаково с изменением частоты и, кроме того, прибор обладает также реактив­ ным сопротивлением, зависящим от /. В связи с этим коэффициент шунтирования, а следовательно, и градуировка прибора будет ме­ няться с частотой.

На рис. 3-14 изображена принципиальная схема емкостного дели­ теля тока, в котором Сш и Са — емкости ветвей делителя (шунта и при­ бора), которые подбираются такими, чтобы их сопротивление во всем рабочем диапазоне частот было значительно больше активного сопро­ тивления ветвей делителя, т. е. прибора.

Если пренебречь активным сопротивлением и индуктивностью вет­ вей делителя, то на основании законов Кирхгофа

1.\—^а+ Iiij»

Следовательно, коэффициент деления тока емкостного делителя, соответствующий коэффициенту шунтирования, выражается формулой

т. е. не зависит от частоты.

Следует иметь в виду, что если индуктивностью прибора пренебречьнельзя, то для ее компенсации в ветвь шунта необходимо включить дополнительную индуктивность. Схема индуктивного делителя тока аналогична рассмотренной схеме емкостного делителя, но имеет мень­ шее применение вследствие больших потерь в катушках, а также влия­ ния внешнего магнитного поля.

Общим недостатком реактивных делителей тока, ограничивающим их использование в радиотехнических измерениях, является значи­ тельное падение напряжения на измерительном устройстве.

3-5. ГРАДУИРОВКА АМПЕРМЕТРОВ

Градуировка амперметров заключается в сравнении их показа­ ний с показаниями образцового прибора. В зависимости от назначения прибора градуировку можно производить на различных частотах.

Если приборы используются в широком диапазоне звуковых и вы­ соких частот, то градуировку их обычно производят на частоте 50 Гц. Однако в верхней части рабочего диапазона следует дополнительно про­ извести проверку амперметра, пользуясь специальными схемами и об­ разцовыми высокочастотными приборами.

При использовании амперметра на фиксированной частоте его гра­ дуировку производят именно на этой, т. е. рабочей, частоте прибора.

При градуировке амперметров в качестве образцового прибора может быть применен как амперметр, так и вольтметр, причем в по­ следнем случае необходимо дополнительно иметь образцовое сопроти­ вление, а ток определять косвенно по известным сопротивлению и паде­ нию напряжения на нем (закон Ома).

Рассмотрим несколько схем поверки и градуировки амперметров. Схема рис. 3-15, а предназначена для использования ее на промыш­

ленной частоте 50 Гц и постоянном токе.

При помощи схемы рис. 3-15, б может быть произведена градуи­ ровка амперметров на не очень высоких частотах (примерно до 1 МГц). Регулировка величины тока образцового прибора в данной схеме осу­ ществляется изменением степени связи и настройки контура.

Для устранения емкостной связи между генератором высокой ча­ стоты и отдельными элементами схемы следует применять электростати­ ческий экран.

На высоких и сверхвысоких частотах рекомендуется использовать симметричные схемы градуировки, устраняющие неравномерность рас­ пределения тока в цепи, а следовательно, и погрешности в измерении, обусловленные этим фактором. На рис. 3-15, в изображена одна из таких схем градуировки, в которых при помощи конденсаторов Сь С2, С3 и С4 можно получить равномерное распределение тока вдоль цепи, что опре­ деляется одинаковыми показаниями образцовых амперметров А0 и А'0.

Кроме описанных способов градуировки на СВЧ (в диапазоне примерно до 1000 МГц) может быть использован также метод фотоэле­ мента, схема которого приведена на рис. 3-16, а.

В светонепроницаемом ящике располагаются фотоэлемент Ф и специальная лампочка накаливания Л с короткой прямолинейной очень тонкой (диаметром порядка микрометра) вольфрамовой нитью. Малый диаметр нити необходим для того, чтобы влияние поверхностного эффекта не сказывалось даже на очень высоких частотах. Нить должна быть короткой, чтобы распределение тока по ее длине было почти рав­ номерным даже на очень коротких волнах.

Индикатором является магнитоэлектрический прибор Л0, шкала которого может быть проградуирована в действующих значениях ве­ личины измеряемого тока /<*., так как световое излучение лампочки Л пропорционально квадрату измеряемого тока, нагревающего нить.

*)

Достоинством этого метода является то, что цепь индикатора А0 слабо связана с цепью высокой частоты через незначительную емкость между лампой и фотоэлементом.

Недостатком этого метода является то, что разница между макси­ мальной и минимальной величинами уверенного отсчета по шкале очень мала (перекрытие примерно в 1,5 раза).

На высоких частотах, примерно до 400 МГц, для градуировки тер­ моэлектрических приборов с погрешностью порядка 3—5% можно использовать электронный вольтметр с большим входным сопротивле­ нием. Образцовый вольтметр V0 подключают к подогревателю термо­ элемента через конденсаторы Сг и С2 (рис. 3-16, б), предназначенные для компенсации индуктивного сопротивления цепи подогревателя. Для уменьшения влияния неравномерного распределения тока и напряже­ ния вдоль соединительных проводов, а следовательно, и для уменьше­ ния погрешности измерения электронный вольтметр подключается к точ-

кам ab на расстоянии ас и bdt равном / = п уX, где п — любое целое число.

Так как входное сопротивление такой линии (полуволнового тран­ сформатора) равно сопротивлению нагрузки, то вольтметр будет как бы подключен к точкам ab цепи подогревателя с активным сопротивле­ нием /?0, которое может быть измерено на постоянном токе. При этом

где U — показание электронного вольтметра.

Рис. 3-16. Схемы градуировки амперметров высокой час­ тоты с помощью фотоэлемента (а) и электронного вольт­ метра (б).

Переменное сопротивление R служит для регулировки величины напряжения, подводимого к измерительной схеме.

3-6. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1.Какие системы приборов используются для измерения постоян­ ного тока и токов звуковых и высоких частот?

2.Какие требования, необходимые для получения минимальной погрешности измерения, предъявляются к амперметру постоянного тока?

3.В чем заключаются особенности измерения тока высокой ча­

стоты?

4.На чем основано расширение пределов измерения амперметров при помощи шунтов и измерительных трансформаторов тока?

5.Амперметр с номинальным током 5 А и сопротивлением 0,4 Ом необходимо использовать для измерения токов до 25 А. Рассчитайте необходимую величину сопротивления шунта.

Ответ. /?ш = 0,1 Ом.

6.Определите коэффициент шунтирования прибора, если его изме­ рительный механизм имеет сопротивление 9 Ом, а сопротивление шунта 1 Ом.

Ответ, р = 10.

7.Определите величину сопротивления шунта, если сопротивле­ ние амперметра 0,45 Ом, а коэффициент шунтирования 10.

Ответ. Rm = 0,05 Ом.

8.В чем заключается принцип работы электродинамического аМперметра?

9.Какой системы приборы нужно применять для измерения сред­ него значения пульсирующего тока звуковой и высокой частоты?

10.Перечислите и объясните факторы, определяющие чувствитель­ ность термоэлектрических приборов.

11.Какой системы приборы используют для измерения действую­ щего значения тока звуковой и высокой частоты?

12.Какие показания дадут миллиамперметры магнитоэлектриче­ ской и термоэлектрической системы, включенные в цепь пульсирующего

Ответ. Магнитоэлектрический прибор покажет 8 мА, а термо­ электрический — 10 мА.

13. Определите наибольшую амплитуду и действующее значение синусоидального тока, измеряемого при помощи выпрямительного мил­ лиамперметра, имеющего одиополупериодиую схему выпрямления И

14.Что покажут миллиамперметры магнитоэлектрической и выпря­ мительной (с двухполупериодной схемой выпрямления) системы, вклю­ ченные в цепь с переменным током прямоугольной формы и с амплиту­ дой 10 мА?

Ответ. Магнитоэлектрический прибор покажет 0 мА, а выпрями­ тельный 5 мА.

15.В анодную цепь лампы усилителя включены миллиамперметры магнитоэлектрической, термоэлектрической и выпрямительной системКакое показание дадут эти приборы, если мгновенное значение анодного тока, мА, изменяется по закону

ta= 20 + 8 sin co/ + 3 sin 2со/.

Ответ. Магнитоэлектрический и выпрямительный миллиампер­ метры покажут 20 мА, а термоэлектрический — около 21 мА.

16.Почему активные шунты не рекомендуется применять в неко­ тором диапазоне высоких частот?

17.Выведите формулу коэффициента деления для индуктивного делителя тока.

Ответ. К = 1 + LJLm.

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

4-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение напряжения является наиболее распростра­ ненным видом измерения электрических величин и может осуществляться в широких пределах по его величине и частоте.

Чаще всего для измерения напряжения используется метод непосредственной оценки и, если требуется очень высокая точность, метод сравнения.

Приборы непосредственной оценки, измеряющие напря­ жение (вольтметры), подключаются параллельно тому участ­ ку электрической цепи, на котором измеряется падение напряжения (рис. 4-1).

Сопротивление вольтметра должно быть достаточно

синусоидальной или несинусоидальной формы, т. е. мгно­ венное значение и, амплитудное UM, размах Upa3, действую­ щее (эффективное) U или среднее Ucp (рис. 4-2).

Рис. 4-2. К определению среднего значения напряжения.

Мгновенное значение переменного напряжения любой формы можно определить по его осциллограмме для опре­ деленного момента времени.

Амплитудным (пиковым) значением напряжения (ам­ плитудой) называется его максимальное значение за период или полупериод.

Размахом называется сумма максимальных значений положительной и отрицательной полуволн несинусоидального напряжения.

Действующее (эффективное) значение напряжения пред­ ставляет собой среднее квадратичное за период и может быть определено по формуле

u = v u i + u i + u i + . . . ,

где U0 — постоянная составляющая напряжения несину­ соидальной формы, a Ult U2 и т. д. — действующие зна­ чения соответствующих гармоник.

Среднее значение напряжения Ucp представляет собой среднее арифметическое абсолютных величин мгновенных его значений и графически характеризуется высотой равно­ великого прямоугольника с основанием, равным периоду, и площадью, равной площади, ограниченной кривой Напря­ жения (рис. 4-2).

Соотношение между амплитудным, действующим и средним значением напряжения (или тока) зависит от его формы.

Для синусоидального напряжения это соотношение опре­

Вольтметры для измерения переменного напряжения (за исключением импульсных) градуируются обычно в дейст­ вующих .значениях синусоидального напряжения.

Иногда градуировка шкал вольтметров производится в децибелах относительно уровня напряжения, равного 0,775 В.

Основными параметрами вольтметра, определяющими его качество и учитываемыми при его выборе для работы, явля­ ются: пределы измерений, частотный диапазон, погрешность измерения, входное сопротивление, входная емкость и характер шкалы.

4-2. ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИБОРАМИ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

а) ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛЬТМЕ1РЫ

Для измерения постоянных напряжений, так же как и постоянных токов, могут использоваться электроизмери­ тельные механизмы всех систем кроме индукционной, но применяются преимущественно магнитоэлектрические.

где R u — сопротивление измерительного механизма; /?д — сопротивление добавочного резистора.

Из этого равенства найдем величину сопротивления Д0' бавочного резистора:

где р = U'n/Uu — множитель шкалы.

Таким образом, зная во сколько раз нужно расширИтЬ пределы измерения вольтметра и его сопротивление, можн° подсчитать величину сопротивления добавочного резистор3» пользуясь формулой (4-1).

Добавочные резисторы изготовляются из манганиновой проволоки. Помимо своего основного назначения — расши­ рения пределов измерения — они уменьшают температур* ную погрешность вольтметров.

Это объясняется тем, что манганин имеет очень низкий температурный коэффициент сопротивления. В очень точ­ ных вольтметрах применяют более сложные схемы темпера­ турной коррекции.

Добавочные резисторы имеют такие же шесть классов точности, что и шунты. В большинстве случаев они монти­ руются внутри корпуса вольтметра, но выпускаются также и наружные добавочные резисторы. Очень часто вольтметры имеют несколько внутренних добавочных резисторов, что позволяет получить многопредельные приборы (рис. 4-4).

Отечественная промышленность выпускает большое коли­ чество магнитоэлектрических вольтметров различных клас­ сов точности — от 4,0 до 0,1. Широкое применение находят также комбинированные приборы (вольтамперметры) с не­ сколькими пределами измерения по напряжению и по току.