- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •что соответствует
- •ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
- •НАДЕЖНОСТЬ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИИ
- •ПРИБОРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
- •ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
- •ПРИБОРЫ ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
- •ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
- •ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА СДВИГА ФАЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ
- •ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ
- •ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ
- •КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ
- •Y = ± (а 4- bUnp/Ux)>
В комплект АСК входят амперметры и вольтметры постоянного и переменного тока, частотомеры и приборы, работающие в комплекте с термометрами сопротивления или термопарами.
Г л а в а ш е с т а я
ПРИБОРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
6.1. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Выпрямительный (детекторный) прибор представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма и измерительного преобразователя среднего значения переменного тока или напряжения. Этот преоб разователь основан на использовании диодов, преобразую щих переменный ток в пульсирующий. Магнитоэлектриче ский механизм реагирует на среднее значение (постоян ную составляющую) выпрямленного тока. В качестве выпрямительных элементов чаще всего используют крем ниевые и германиевые диоды. Работа полупроводникового диода основана на его свойстве пропускать ток только в одном направлении.
Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика. Для сравнения на рис. 6.1 приведены типовые вольт-амперные характери стики германиевого 1 и кремниевого 2 диодов. Кремниевые
Рис. 6.1. Сравнительные вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов
диоды имеют во много раз меньшие обратные токи, чем германиевые, при одинаковом напряжении. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов может достигать 1000— 1500 В, в то время как у германиевых оно лежит в пределах 100—400 В. Кремниевые диоды могут работать при температурах от —60 до + 150°С, а германиевые от
—60 до + 85°С. Вместе с тем у германиевых диодов мож но получить сопротивление в прямом направлении в 1,5— 2 раза меньшее, чем у кремниевых, при одинаковом токе нагрузки. Поэтому мощность, рассеиваемая внутри герма ниевого диода, оказывается во столько же раз меньшей.
Выпрямительные свойства диода Характеризуются ко эффициентом выпрямления Кв, который определяется по вольт-амперной характеристике диода как отношение пря
мого тока / Пр к обратному / 0бр |
или как отношение |
обрат |
|
ного сопротивления /?0бр к прямому RnР |
при одинаковом |
||
прямом Unр и обратном напряжении U0бр, |
|
|
|
/<В = ^пр/^обр = |
W t f n p . |
|
(6.1) |
Коэффициент выпрямления |
зависит |
от приложенного |
|
напряжения, частоты и температуры окружающей |
среды. |
||
При низкой частоте и нормальной температуре коэффи циент выпрямления составляет у германиевых диодов 4000—5000, у кремниевых 105— 106. Изменение температу ры вызывает изменение сопротивлений # пр и R0бр. С повы
шением температуры они уменьшаются, причем темпера турный коэффициент обратного сопротивления в несколько раз выше температурного коэффициента прямого сопро тивления, поэтому с повышением температуры коэффи циент выпрямления уменьшается.
Диоды имеют собственную емкость. На высоких часто тах шунтирующее действие емкости на обратное сопротив ление #обР сказывается сильнее, оно уменьшается, а зна чит, уменьшается значение Кв, эффект выпрямления ухуд шается.
В выпрямительных приборах используют выпрямители двух типов — однополупериодные или двухполупериодные. На рис. 6.2 приведена схема прибора с однополупериодным выпрямлением для измерения тока i(t). Ток in(t) через измерительный механизм ИМ проходит только в течение
положительного полупериода; в течение отрицательного полупериода ток проходит через диод VD2. Сопротивление резистора R выбирается равным сопротивлению измери-
Рис. 6.2. Схема прибора с одно* полупериодным выпрямлением
тельного механизма, чтобы сопротивление прибора было одинаково для любого направления тока.
В двухполупериодных схемах (рис. 6.3) выпрямленный ток через измерительный механизм проходит в течение обоих полупериодов. Среднее значение выпрямленного то ка в таких схемах возрастает в 2 раза по сравнению с однополупериодными, следовательно, чувствительность при бора увеличивается.
Трансформаторная схема (рис, 6.3, а) позволяет элек трически изолировать цепь измерительного механизма от цепи измеряемого тока, но снижает точность измерений изза зависимости коэффициента трансформации от частоты.
Кроме того, в приборах с трансформаторной схемой возможно измерение только переменных токов.
Рис. 6.3. Схемы приборов с двухполупериодным выпрямлением
Рис. 6.4. Мостовая схема с заменой двух диодов резисторами
100
Бестрансформаторная мостовая схема выпрямления (рис. 6 .3 , 6 ) не имеет этих недостатков и применяется ча ще. Число выпрямительных элементов можно сократить, заменив их резисторами R (рис. 6.4). Сопротивление этих
резисторов подбирается равным прямому сопротивлению диодов. При этом уменьшается зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды, но увеличи вается потребление энергии. Схема на рис. 6.4,6 удобна для измерения больших токов, так как в каждый полупериод один из резисторов R выполняет роль шунта.
6.2. ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ
Мгновенное значение вращающего момента т вр(0 , действующего на рамку магнитоэлектрического измери тельного механизма при протекании по ее виткам пере менного тока i'a(t) = / msin oof, согласно ( 5 .2 ) равно
mBV(t) = Bswia(f). |
(6 .2) |
Вследствие инерционности подвижной части ее откло нение определяется не мгновенным, а средним значением вращающего момента Л4вр>ср. Для однополупериодной схе мы выпрямления получаем
т |
т |
Мор,ср = у J Шв„ (/) dt = В от, |
J <„ (t)dt = B s w ± f - , (6 .3) |
О |
о |
где Т — период, а / Ср — среднее значение измеряемого тока.
Угол поворота подвижной части
Bswlср
(6.4)
2W
Для схемы с двухполупериодным выпрямлением значе ние среднего тока / ср увеличивается вдвое, значит, и вра щающий момент Мвр,ср и угол поворота а для этого слу чая также увеличиваются вдвое
М вр.ср |
= BswIc1>; |
(6.5) |
а _ |
Bsw/ср |
( 6. 6) |
|
|
W
Из (6.4) и (6.6 ) видно, что отклонение подвижной части выпрямительных приборов пропорционально среднему зна чению измеряемого тока / ср.
Шкала выпрямительного прибора в рабочей части рав
номерна, но в начальной части сжата из-за нелинейности вольт-амперной характеристики диода.
При измерениях в цепях переменного тока обычно пред ставляет интерес действующее значение тока (напряже ния). Учитывая, что действующее значение тока I связано со средним соотношением h p — I/Кф, где /<ф — коэффициент
формы кривой тока, получаем угол поворота подвижной части для двухполупериодиой схемы выпрямления
Bs wl
(6.7)
К'Кф
Выпрямительные приборы градуируют при синусои дальном токе (для синусоиды /<ф = 1,11). Если форма из меряемого тока отличается от синусоидальной, в показа ниях приборов возникает погрешность.
Для расширения пределов измерения по току и напря жению выпрямительных приборов, так же как в магнито электрических приборах, применяют шунты и добавочные сопротивления.
6.3. ПОГРЕШНОСТИ И СПОСОБЫ ИХ КОМПЕНСАЦИИ
Зависимость коэффициента выпрямления от темпера туры, приложенного напряжения, частоты протекающего тока и формы кривой тока обусловливает значительные погрешности выпрямительных приборов. Уменьшение этих погрешностей производится обычно схемным путем.
Рассмотрим влияние повышения температуры на пара метры выпрямительного преобразователя (влияние темпе ратуры на измерительный механизм рассмотрено в § 5.2), С повышением температуры уменьшаются прямое и об ратное сопротивления диодов, а также коэффициенты вы прямления. В зависимости от того, какая выбрана схема измерительного прибора (измеритель тока и измеритель напряжения), а также изменение какого параметра пре обладает, выбирается соответствующая схема температур
ной компенсации.
При измерении тока в схемах без шунтов при увеличе нии температуры проявляется уменьшение обратного со противления диодов. Это влечет за собой уменьшение сред него значения выпрямленного тока, т. е. отрицательную по грешность.
Отрицательную температурную погрешность можно скомпенсировать с помощью шунта, сопротивление которо-
т
Медь
i ( i ) Манганин
Рис. 6.5. Схема обшей компенсации для измерителей тока
го растет с температурой (рис. 6.5). Температурозависи мым элементом в данном случае является резистор, выпол ненный из медной проволоки.
Уменьшение частотной погрешности достигается вклю чением частотно-зависимых элементов — конденсаторов или катушек индуктивности. С повышением частоты шун тирующее действие емкости диодов увеличивается и пока зания прибора из-за снижения общего коэффициента вы прямления уменьшаются. В схеме рис. 6.5 при повышении частоты возрастает сопротивление шунта за счет увеличе ния индуктивного сопротивления катушки, а значит, умень шается доля тока, ответвляющегося в шунт, что приводит к компенсации частотной погрешности.
На рис. 6.6 приведены схемы выпрямительных вольт метров с температурной и частотной компенсацией.
При повышении температуры происходит, во-первых, уменьшение прямого и, во-вторых, обратного сопротивле ния диодов. В зависимости от того, какой из этих эффектов оказывает преобладающее влияние на результат измере ния, возникает положительная в первом случае и отрица тельная во втором случае погрешность.
Рис. 6.6. Схемы общей компенсации для измерителей напряжения
Включением |
и регулировкой добавочного |
резистора |
|
/?д, как показано |
на рис. 6 .6 , а, можно |
компенсировать по |
|
ложительную, а |
по схеме, показанной |
на рис. |
6 .6, б, — от |
рицательную температурную погрешность. При этом рези стор R A выполняется частично из меди, а частично из ман
ганина.
Компенсация частотной погрешности выпрямительных вольтметров производится включением дополнительных реактивных элементов.
6.4. ПРИМЕНЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Выпрямительные приборы обычно применяются для из мерения действующих значений синусоидальных токов и напряжений.
Весьма распространены комбинированные многопре дельные приборы, содержащие выпрямительные элемен ты, шунты и добавочные резисторы. С помощью переклю чателей одним и тем же прибором такого типа можно из мерять постоянные и переменные токи, напряжения и сопротивление. Диапазон измерения для большинства вы прямительных приборов, выпускаемых отечественной про мышленностью, составляет по току от 3 мА до 6 А, по на пряжению от 75 мВ до 600 В на постоянном токе, по со противлению— от 0,5 кОм до 5 МОм.
Измерения на постоянном и переменном токе произво дятся по соответствующим шкалам.
Достоинствами выпрямительных приборов, как и всех магнитоэлектрических приборов, являются высокая чувст вительность и малое собственное потребление энергии, а
также широкий |
частотный диапазон |
(без частотной ком |
|
пенсации— до 2 |
кГц, с частотной компенсацией |
рабочий |
|
диапазон частот расширяется до 50 кГц). |
|
||
Недостатки |
прибора — невысокая |
точность |
(классы |
точности 1,0—2,5) и зависимость показаний от формы кривой.
Г л а в а с е д ь м а я
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термоэлектрический преобразователь преобразует действующее значение пере-
Рис. 7.1. Термоэлектрические преобразователи
менного тока в постоянное напряжение. Он состоит из нагревателя — проводника, по которому протекает ток, действующее значение которого измеряется, и миниатюрной термопары, в которой под действием теп лоты, выделяемой протекающим в нагревателе током, возникает элек тродвижущая сила. В качестве нагревателя используется тонкая прово лока из материала, допускающего длительный нагрев (до 600—800 °С) л имеющего низкий температурный коэффициент сопротивления (нихром, константан и др.). Электроды термопар выполняют из металлов и их сплавов, например, термопары хромель — копель или платина — платинороднй, дающих достаточно высокую термо-ЭДС (до 50—60 мкВ при нагреве на 1 °С).
По конструкции различают контактные и бесконтактные термоэлек трические преобразователи.
В контактных термоэлектрических преобразователях горячий спай термопары 2 и нагреватель 1 электрически соединены друг с другом
(рис. 7.1,а). В бесконтактных преобразователях горячий спай термопа ры и нагреватель разделены изолятором 3, например каплей стекла
(рис. 7.1,6). Тепло от нагревателя через изолятор передается термо паре. Изоляционная прослойка между нагревателем и термопарой уве личивает инерционность преобразователя, уменьшает его чувствитель ность, но изолирует цепь термопары от цепи нагревателя, предотвращая ответвление тока, протекающего через нагреватель, в цепь термопары. Преимуществом бесконтактных преобразователей является возможность создания термобатарей, состоящих из нескольких термопар, соединен ных последовательно (рис. 7.1, в). Термо-ЭДС батареи возрастает про порционально количеству термопар, вследствие чего повышается чув ствительность преобразователя.
Термоэлектрические преобразователи, рассчитанные на малые токи '(150—300 мА), выполняют вакуумными, т. е. помещают нагреватель н термопару в стеклянную колбу, из которой выкачан воздух. Вакуум уменьшает теплоотдачу в окружающую среду, следовательно, для на грева горячего спая термопары требуется меньшая мощность.
К свободным концам термопары присоединяется магнитоэлектриче ский измерительный механизм. На рис. 7.2 приведена схема термоэлек трического амперметра с бесконтактным термоэлектрическим преобра зователем.
Рис. 7.2. Схема термоэлектричес- |
Рис. 7.3. Схема |
термоэлектричес |
кого амперметра |
кого вольтметра |
|
Термо-ЭДС, развиваемая преобразователем, пропорциональна коли честву теплоты, выделенной током в нагреватель, а количество теплоты, в свою очередь, пропорционально квадрату действующего значения из меряемого тока. Ток / и измерительного механизма
/ П = Я //?, |
(7.1) |
где Е — термо-ЭДС; R — сопротивление термопары и измерительного ме-
ханизма.
Таким образом, показания термоэлектрического прибора пропорцио нальны квадрату действующего значения измеряемого тока, т. е.
а = К Я , |
(7.2) |
где К — коэффициент, зависящий от конструкции и типа термоэлектри
ческого преобразователя и параметров измерительного механизма. Теплота, выделяемая током в проводнике, не зависит от частоты
вплоть до весьма высоких частот, поэтому термоэлектрическими прибо рами можно пользоваться и на постоянном, и на переменном токе, вклю чая токи высокой частоты.
Как видно из (7.2), шкала имеет квадратичный характер. Но та кой характер шкалы сохраняется только на начальном участке, а затем приближается к линейному из-за увеличения потерь теплоты нагрева телем.
Применение вместо одной термопары термобатареи (рис. 7.1, в) уве личивает термо-ЭДС преобразователя, но при последовательном соеди нении термопар растет полное сопротивление цепи прибора, и поэтому существенного выигрыша в чувствительности в этом случае не проис ходит.
Схема термоэлектрического вольтметра (рис. 7.3) отличается лишь наличием безреактивного добавочного сопротивления /?д, включенного последовательно с нагревателем.
Расширение пределов измерения термоэлектрических амперметров на токи до 1 А производится включением измерительного механизма с от дельными термопреобразователями на каждый предел измерения. При измерении токов свыше 1 А для расширения пределов пользуются вы сокочастотными измерительными трансформаторами тока. В вольтмет-