книги / Электрорадиоизмерения
..pdfшунт, а меньшую / и через микроамперметр И. При этом ток прибора /„ составляет определенную часть всего измеряемо го тока /. Это расширение пределов измерения при помощи шунта характеризуется так называемым коэффициентом шунтирования р, равным
Р = Г ' |
(з-i) |
1И |
|
Коэффициент шунтирования зависит от сопротивления прибора и шунта и может быть определен по формуле, полученной следующим образом:
I __/ i f __ ^АБ |
| ^АБ |
, |
' и - Г ' ш - Rtt |
Т |
где R„ — сопротивление микро амперметра И;
R m— сопротивление шунта. Преобразуем это выражение
к виду
(3-2)
откуда
Рис. 3-5. Схема включения амперметра с шунтом.
P = r |
= |
I + S iL. |
(3-3) |
|
M |
l |
7 M U |
|
|
Из данного выражения можно получить расчетную |
||||
формулу для |
сопротивления шунта: |
|
||
|
|
|
Я ш = ^ т - |
(3-4) |
Коэффициент шунтирования, зависящий от сопротивле |
||||
ний /?и и R m (при наличии одного шунта), |
постоянен, поэ |
тому величина измеряемого тока / в неразветвленной цепи определяется умножением коэффициента шунтирования на показание / и измерительного механизма (микроамперметра), т. е. / = /?/„.
Шунты, выпускаемые промышленностью, имеют раз
личные классы точности — 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; |
1,0. |
При измерении токов до 30 А шунты монтируются |
не |
посредственно внутри измерительного прибора и его шкала градуируется с учетом коэффициента шунтирования.
Для получения нескольких пределов измерения тока измерительным механизмом применяются схемы с несколь-
2,5 на частотах до 1500 Гц, а также переносных приборов классов точности 0,5 и 1,0 на частотах до 2400 Гц.
Для расширения пределов измерения тока электромаг нитными амперметрами шунты не применяются. Это дости гается применением секционированных катушек или из мерительных трансформаторов тока.
Электродинамические амперметры могут иметь две раз личные схемы включения обмоток — последовательную (рис. 3-7, а) и параллельную (рис. 3-7, б).
Последовательная схема применяется в приборах для измерения малых токов (меньше 0,5 А). В этом случае по неподвижной и подвижной обмоткам течет один и тот же
а) |
5) |
Рис. 3-7. Схема включения амперметра электродинамической системы.
ток, поэтому согласно формуле (2-16) шкала прибора должна быть квадратичной. Практически добиваются вы равнивания шкалы в ее рабочей части за счет изменения коэффициента К 2 в формуле (2-16) при различных а, осу ществляемого конструкцией прибора.
Схема параллельного соединения катушек используется для измерения больших токов (больше 0,5 А). Подбором добавочных сопротивлений /?д1 и /?д2 обеспечивается фазо вый сдвиг между токами ф = 0. Таким образом, согласно формуле (2-17) и параллельное соединение катушек должно давать квадратичную шкалу, которая практически вырав нивается.
Электродинамические амперметры выпускаются раз личных классов точности вплоть до 0,1. Применяются они главным образом на промышленной частоте, но существуют приборы, работающие и на более высоких частотах (до 5кГц).
Для расширения пределов измерения электродинами ческих амперметров применяют переключение катушек измерительного механизма с последовательного соедине ния на параллельное и трансформаторы тока.
Расширение пределов измерения тока при помощи измерительного трансформатора основано на том, что ампер метр включается в исследуемую цепь через понижающий (по току) трансформатор с определенным коэффициентом трансформации (рис. 3-8). Например, для измерения токов до 50 А амперметром с шкалой на 5 А необходимо исполь зовать измерительный трансформатор тока с коэффициен том трансформации 10.
Для измерения тока диапазона звуковых частот наиболее широко используются выпрямительные приборы.
Принцип работы таких приборов основан на использо вании выпрямительных свойств полупроводникового диода.
Постоянная составляющая выпрямленного диодом тока измеряется прибором
-о — магнитоэлектрической системы.
|
|
|
Как |
известно, |
полупроводниковые |
||||
|
|
|
диоды |
обладают различной |
проводимо |
||||
|
|
|
стью для тока различного знака и ха |
||||||
|
|
|
рактеризуются так называемым коэффи |
||||||
|
- © — |
1 циентом выпрямления /С. |
|
|
|||||
Рис. 3-8. Схема |
Коэффициент К |
представляет собой |
|||||||
отношение прямого тока |
/ пр |
к обратно |
|||||||
включения |
ампер |
му току / обр при равных |
по |
абсолютно |
|||||
метра |
через |
транс |
|||||||
форматор |
тока. |
му |
значению |
напряжениях, |
приложен |
||||
|
|
|
ных к диоду. Коэффициент выпрямле |
||||||
ния |
может быть также |
выражен через отношение обрат |
|||||||
ного |
сопротивления к |
прямому, |
т. е. |
|
|
|
|||
|
|
|
^ |
__ |
Л ф |
^ о б р |
|
|
(3-6) |
|
|
|
|
|
'о б р |
Ч ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Этот коэффициент всегда больше единицы. Он зависит от приложенного к диоду напряжения вследствие его не линейной вольт-амперной характеристики и от температуры, с повышением которой коэффициент К возрастает (увеличи вается крутизна положительного участка характеристики). Недостатком полупроводниковых диодов является значи тельный разброс их параметров, что затрудняет подбор диодов в схемах выпрямительных приборов.
Достоинством выпрямительных приборов является про стота их устройства, достаточно высокая чувствительность и небольшие размеры; их показания не зависят от внешних магнитных и электрических полей; эти приборы для изме рения тока не нуждаются в источниках питания.
Сопротивление выпрямительных приборов для измере ния тока должно быть как можно меньше не только в поло жительный полупериод измеряемого тока, но и в отрица тельный. Поэтому выпрямительные приборы выполняются по схеме однопол упер модного выпрямления с шунтирую щим, встречно включенным диодом или по мостовой схеме.
На рис. 3-9 изображены простейшая схема выпрямитель ного миллиамперметра с однопол упер йодным выпрямлением, а также графики, поясняющие его работу.
Рис. 3-9. Одиополупериодная схема выпрямительного миллиамперметра (а), идеализированная вольт-амперная характеристика и график тока прибора (б).
Через основной диод Д х проходит положительная полу волна измеряемого синусоидального тока, среднее значение которого измеряется прибором И. Для уменьшения воз можности пробоя запирающего слоя основного диода полу волной тока обратного направления, а также для уменьше ния сопротивления выпрямительного прибора в отрица тельный полупериод прибор И и диод Д х шунтируются вторым диодом До, имеющим малое сопротивление для полу волны обратного тока.
На рис. 3-10 приведена мостовая, т. е. двухполупериодная, схема выпрямительного прибора. Прохождение тока в схеме в положительный и отрицательный полупериод измеряемого тока показано соответственно сплошными и пунктирными стрелками. На этом же рисунке дано построе ние тока через прибор Я, величина которого пропорциональ на среднему значению измеряемого синусоидального тока.
Преимуществом мостовой схемы по сравнению с однополупериодной является ее большая чувствительность,
так как ток проходит через приборы в течение обоих полупериодов, а также увеличение вдвое частоты пульсации выпрямленного тока, что несколько расширяет частотный диапазон прибора в область более низких частот. Объяс няется это тем, что колебания стрелки прибора И будут происходить с частотой, также в 2 раза большей частоты измеряемого тока, а следовательно, будут иметь меньшую амплитуду и будут менее заметны.
Иногда в мостовых схемах выпрямительных ампермет ров количество диодов сокращают, заменяя два из них (соседних) балластными сопротивлениями. Такая замена уменьшает зависимость показаний прибора от изменений окружающей температуры, но снижает его чувствитель ность.
-ii+ i
Рис. 3-10. Двухполупериодная схема выпрямительного миллиамперметра (а) и график тока прибора (б).
Выпрямительные приборы обычно градуируются в дейст вующих значениях синусоидального тока, хотя прибор И магнитоэлектрической системы реагирует только на постоян ную составляющую выпрямленного тока, т. е. на среднее значение.
Между амплитудным / м, действующим / и средним зна чением / 0 выпрямленного тока при однопол упер йодной схеме выпрямления существует следующая зависимость при синусоидальной форме тока:
K = V 2 /; |
(3-7) |
|
(3-8) |
I = 2,22 /„. |
(3-9) |
При двухполупериодном выпрямлении
/= 1 ,1 1 /0. |
(З-Ю) |
В этих формулах указанные соотношения между раз личными значениями измеряемого тока будут справедливы, если пренебречь нелинейным начальным участком вольтамперной характеристики диода, т. е. при линейном детек тировании.
Характер градуировки шкалы и пределы измерения тока выпрямительным прибором зависят от выбранной схемы выпрямления, а также параметров используемых диодов и прибора И магнитоэлектрической системы. Шкала выпрями тельных приборов практически равномерна, за исключением начальной ее части, что объясняется нелинейностью вольтамперной характеристики диода при малых значениях тока.
При использовании германиевых диодов и чувствитель ных приборов И магнитоэлектрической системы может быть использован квадратичный участок вольт-амперной харак теристики диода. При этом можно считать, что отклонение стрелки прибора будет пропорционально квадрату дейст вующего значения измеряемого тока любой формы.
Выпрямительные приборы для измерения тока широко применяются в виде составных элементов, так называемых тестеров или авометров, используемых для измерения по стоянных и переменных токов и напряжений, а также сопротивлений и других величин. Такие приборы поз воляют измерять переменные токи от единиц миллиампер до ампер во всем звуковом диапазоне частот.
При использовании соответствующего типа диода вы прямительные приборы для измерения тока могут приме няться также в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Плоскостные германиевые и кремниевые диоды обеспечи вают частотный диапазон измерения тока до 100 МГц. В ин дикаторах тока до 1—3 ГГц используются диоды с точечными контактами (индикаторы напряженности поля, измери тельные линии, резонансные частотомеры и т. д.).
3-4. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
Для измерения тока высокой частоты используются приборы термоэлектрической системы.
Термоэлектрический прибор (рис. 3-11) состоит из термопреобразователя (термоэлемента) и прибора И магни тоэлектрической системы 2. Простейший термопреобразова
тель содержит подогреватель 3 и термопару 1 из двух раз" нородных проводников, спаянных между собой.
Если место спая нагреть, то в пограничном слое эти* соприкасающихся проводников возникает термо-э. д. с. по* стоянного направления, величина которой зависит of свойств проводников термопары и разности температур горячего спая и холодных концов термопары.
Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток /, например, высокой частоты, то вслед" ствие нагрева спая в цепи термопары и прибора И будет про* текать термоток / 0 постоянного напряжения и прибор даст соответствующее показание.
Так как величина термо-э. д. с. пропорциональна коли* честву тепла, выделенному в подогревателе, то приборы
термоэлектрической |
системы |
измеряют |
||
действующее |
значение |
/ э переменного |
||
тока любой формы, |
т. е. |
|
||
/ „ = К / б |
+ /г + |
/1 + |
..., |
(3-11) |
где / 0 — постоянная составляющая, a 119 /о и т. д. — действующее значение пер вой, второй и т. д. гармоник измеряе мого тока.
Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратичной, что объясня ется почти линейной зависимостью меж ду температурой нагрева подогревателя и величиной термо-э. д. с. и квадра
тичной зависимостью между количеством тепла в подо гревателе и измеряемым током.
Шкалы термоэлектрических приборов можно получать более равномерными за счет некоторых конструктивных приспособлений.
Чувствительность термоэлементов, определяемая изме нением величины термо-э. д. с. в микровольтах, получаю щимся при изменении температуры места спая на Г С , зависит в основном от материала термопары и температуры места спая.
Для повышения чувствительности термоэлектрических приборов термопара изготовляется из возможно более тон ких проводников. Для уменьшения влияния поверхностного эффекта подогреватель также должен быть как можно тоньше.
К достоинствам приборов термоэлектрической системы следует отнести высокую чувствительность к измеряемому току, большой диапазон измерения величин токов. Малые размеры приборов позволяют получить малые емкости и,
следовательно, использовать их в широком диапазоне час тот.
Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, которая в начальной своей части получается сжатой и на участке примерно до 20% номиналь ного тока практически не используется. Кроме того, к не достаткам таких приборов следует отнести зависимость их
показаний от внешней темпера- |
|
|
__ |
|||||
туры, тепловую инерцию и чув- |
|
|
|
|||||
ствительность |
к перегрузке. |
|
|
|
||||
По своему устройству термо |
|
|
|
|||||
элементы разделяют на два ос |
|
|
|
|||||
новных типа: контактные и бес |
|
|
|
|||||
контактные, т. е. с косвенным |
|
|
|
|||||
нагревом (рис. 3-12). |
|
|
|
|
||||
Достоинством |
контактного |
|
|
|
||||
термоэлемента (рис. |
3-12, а) яв |
Рис |
Типы |
термоэле |
||||
ляется его |
высокая |
чувстви |
||||||
|
ментов. |
|
||||||
тельность, |
а недостатком — воз |
а — контактный; |
6 — бескон |
|||||
можность |
ответвления |
измеряе |
|
тактный. |
|
|||
мого тока |
высокой |
частоты из |
|
|
|
цепи подогревателя на землю через цепь термопары и емкости Сн-з прибора И относительно земли.
В термоэлементах с косвенным нагревом (рис. 3-12, б) подогреватель и термопара механически соединены через изолятор-бусинку.
Вследствие очень малой емкости между подогревателем и контактом термопары (около 0,1—0,5 пФ) такого термо элемента цепь прибора И слабо связана с исследуемой цепью.
Термоэлемент с косвенным нагревом имеет малую чувст вительность, так как тепло от подогревателя к термопаре поступает не непосредственно, а через бусинку.
Применяют такие термоприборы тогда, когда желательно уменьшить шунтирующее действие емкостью прибора цепи измеряемого объекта. Это иллюстрируется схемами, при веденными на рис. 3-13.
При измерении тока прибором с контактной термопарой (рис. 3-13, а) измеряемый объект шунтируется емкостью Си.„ а при измерении прибором с бесконтактной термопарой
(рис. 3-13, б) он шунтируется значительно меньшей емко стью С0, так как
|
СО |
п |
С |! . 3 С |1 .Т ^ |
/-» |
|
|
|
|
I п |
|
|
||
|
^ и . з “Г <-уи .т |
|
|
|||
где С„.т — емкость |
между |
подогревателем и |
термопарой; |
|||
С0 — общая |
емкость |
последовательно |
соединенных |
|||
емкостей С„.3 |
|
и Сп.т. |
с косвенным нагревом |
|||
Использование |
термоэлементов |
позволяет расширить частотный диапазон измерения токов. Для еще большего уменьшения влияния емкости Си.3 (прибор— земля) на погрешность измерения рекомендуется прибор И подключать к термопаре через дроссели высокой
частоты.
Рис. 3-13. Схема, показывающая преимущество бесконтактного термо элемента.
Источниками дополнительных погрешностей термо электрических приборов являются влияние частоты на изменение активного сопротивления подогревателя вслед ствие поверхностного эффекта и дополнительный нагрев проводников термопары токами высокой частоты, наводи мыми магнитным полем подогревателя.
Для уменьшения этих погрешностей необходимо подо греватель брать меньшего сечения (что снижает номиналь ные токи приборов, но повышает частотный предел), про водники термопары располагать в плоскости, перпендику лярной подогревателю, т. е. параллельно магнитным сило вым линиям (что уменьшает э. д. с., наводимую в термо паре).
Обычно на частотах примерно 10 МГц и выше применяют бесконтактные термоэлементы, помещенные в вакуумный или наполненный инертным газом стеклянный баллончик, что уменьшает теплоотдачу термоэлемента в окружающее