Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Рис. 2.5. Схема измерения тока с помощью образцового сопротивления

Токи 10~" -10~* А можно измерить непосредственно с помощью электрометров (типов В7-29, ВТ-30 и др.), магнитоэлектрических гальванометров, чувствительность которых может быть повыщена специальными усилителями: гальванометрическими, электрометрическими, фотогальванометрически-ми, образующими совместно с гальванометром гальванометрические компенсаторы. Принцип построения таких приборов и их технические характеристики рассмотрены в § 2.4.

2.2.2. КОСВЕННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА

Кроме прямого метода измерения токов амперметрами возможно косвенное измерение токов с помощью образцового резистора Лобр> включаемого в разрыв цепи, и высокочувствительного измерителя напряжения (рис. 2.5), измеряющего падение напряжения "обр на резисторе Лобр- Измеряемый ток определяется /л: = Иобр/обр- Для получения минимальной погрещности сопротивление обр должно быть меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток.

2.3. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Для измерения переменного тока в зависимости от диапазона частот могут быть применены различные приборы. Для измерения тока промышленной частоты (50-1000 Гц) используются в основном приборы непосредственной оценки на основе электромагнитной и электродинамической систем, а также термоэлектрической системы.

В маломощных цепях повышенной и высоких частот ток измеряется выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми и аналоговыми амперметрами, аналоговьш1и и цифровыми вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением. Амперметр должен иметь минимальные значения входного сопротивления, индуктивностей и емкостей.

Для измерения достаточно больших токов и токов редко повторяющихся процессов применяют пояс Роговского.

2.3.1. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

Принцип действия этих приборов основан иа явлении втягивания стальной пластины, соединенной со стрелкой, магнитным полем катушки. Уравнение шкалы, определяемое из условий равенства вращающего и противодействующего моментов, имеет вид

а = /сЛ (2.2)

где к - коэффициент, зависящий от конструкции измерительного механизма; I - ток в катушке при включении измерителя в цепь постоянного тока или его средне-квадратическое значение при включении измерителя в цепь переменного тока.

Из (2.2) следует, что отклонение подвижной части измерительного механизма зависит от квадрата измеряемого тока и может быть использовано для измерения напряжений и токов как постоянных, так и переменных сигналов произвольной формы, если спектр этих сигналов не выходит за пределы рабочего диапазона частот прибора. Кроме того, шкала прибора определяется законом изменения индуктивности сердечника, поэтому подбором формы сердечника удается получить практически равномерную шкалу, начиная с 20 - 25% верхнего предела измеряемой величины. Амперметры магнитоэлектрической системы вьшускаются в качестве щитовых приборов классов точности 0,5; 1,0 и 2,5 на частотах до 1500 Гц, а также переносных приборов классов 0,5 и 1,0 на частотах до 2400 Гц.

Для расширения пределов измерения тока электромагнитными амперметрами шунты не применяются. Это достигается применением секционированных катушек или измерительных трансформаторов.

Основными достоинствами электромагнитных приборов являются простота конструкции, дешевизна и надежность в работе.

К недостаткам приборов относятся сравнительно малая точность и чувствительность.

Электромагнитные амперметры применяются непосредственно для измерения токов до 200 - 250 А; катушка измерительного механизма включается последовательно в цепь измеряемого тока. Предел измерения амперметров определяется числом витков катушки. Чем выше предел измерения, тем меньше витков из более толстого провода должна иметь катушка.



2.3.2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия измерительных механизмов электродинамической системы основан на взаимодействии двух магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими по двум катушкам, одна из которых подвижна. В результате взаимодействия магнитных полей катушек и противодействующих пружин подвижная катушка поворачивается на некоторый угол, пропорпиональный токам в катушках. При включении измерителей электродинамической системы в цепь постоянного тока уравнение шкалы имеет вид

а = fe/j/j, (2.3)

где к - коэффициент, зависящий от конструкции измерителя; и - токи в катушках измерителя.

Если измеритель электродинамической системы включить в цепь переменного тока, то уравнение шкалы имеет вид

OL = kIil2Cos(p, (2.4)

где /j и I2 - среднеквахфатические значения токов соответственно в неподвижной и подвижной катушках; ф - фазовый сдвиг токов катушек.

Если катушки измерителя тем или иным способом подключаются к одному источнику тока, то выражение (2.3) преобразуется к виду

a=kj\ (2.5)

где fej - коэффициент пропорциональности, зависящий от способа подключения катушек к источнику; / - постоянный ток в одной из катушек механизма или его среднеквадрати-ческое значение при подключении к источнику переменного тока.

Схемы включения обмоток различны - последовательная и параллельная. Последовательная схема применяется в приборах для измерения малых токов (менее 0,5 А). В этом случае по подвижной и неподвижной обмоткам течет один и тот же ток, поэтому согласно (Z3) шкала прибора должна быть квадратичной.

Схема параллельного соединения катушек используется при измерении больших токов (более 0,5 А). Подбором добавочных сопротивлений, включаемых в цепь катушек, обеспечивается фазовый сдвиг между токами 9 = 0. Таким образом, и параллельное включение катушек, согласно (Z4) должно дать квадратичную шкалу.

Электродинамические амперметры выпускаются различных классов точности до 0,1. Применяются они главным образом на промышленных частотах, но существуют

приборы, работающие и на более высоких частотах - до 5 кГц. Для расширения пределов измерений электродинамических амперметров применяют переключение катушек измерительного механизма с последовательного соединения на параллельное и трансформаторы токов.

2.3.3. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Выпрямительные приборы широко применяются для измерения тока в звуковом диапазоне частот. Принцип работы таких приборов основан на использовании выпрямительных свойств полупроводникового диода. Постоянная составляющая выпрямленного диодом тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы.

Обычно используются вьшрямители двух основных типов: однополупериодные и двухполупериодные. В однополупериодных схемах ток /„р через микроамперметр, включенный последовательно с диодом Vi, пропускается только один полупериод переменного напряжения u(t). В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода Fj велико, ток протекает через диод F2, включенный параллельно прибору. Диод V2 защищает диод Fj от пробоя. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резистор Л, сопротивление которого равно сопротивлению цепи измерительного механизма (рис. 2.6, а). Подвижная часть магнитоэлектрического микроамперметра из-за ее инерционности при частотах вьппе 20 Гц не успевает следить за мгновенными значениями вращающего момента, поэтому реагирует на среднее значение момента.

Из уравнения шкалы магнитоэлектрического прибора а = S/cp также следует, что приборы выпрямительной системы измеряют среднее значение переменного тока, а не среднеквадратическое. Для однополупе-риодного выпрямителя (рис. 26,6)

2 Г

/пр = /ср = /„sincutdt = /„/jt.


а) Ю

Рис. 2.6. Однополупериодная схема вьшря-мительного миллиамперметра (а) и токи, протекающие в нем (б)



Шкалу прибора, измеряющего переменный ток или напряжение, обычно градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала, поэтому среднее значение тока /пр, протекающего через прибор, выражают через среднеквадратическое значение / синусоидального сигнала и коэффициент формы feф:

/пр = Un=I ]/2/п = /2feф = 0,45/,

где кф = п/(2\/2) = 1,П, а 1„, = 1]/2.

Если форма кривой тока несинусоидальная, то feф 91,11 и показания прибора неверны. Если коэффициент формы несинусоидального тока известен, можно определить новую постоянную прибора и с ее помощью производить правильные измерения этого несинусоидального тока.

В двухполупериодных схемах вьшрями-теля (рис. 2.7, а) ток /„р, протекающий через микроамперметр, увеличивается вдвое по сравнению с током, протекающим в схеме на рис 2.6, о. В положительный полупериод ток проходит через диод микроамперметр, диод Уз, в течение отрицательного полупериода - через диоды Fj. и микроамперметр. Таким образом, через микроампермегр ток /пр проходит в одном и том же направлении в оба полупериода:

/„р = 2/„/п=/Аф = 0,9/.

Мостовая цепь с четырьмя диодами требует подбора диодов и специальной температурной компенсации, так как прямое и обратное сопротивления диода зависят от температуры окружающей среды. Практическое применение находят мостовые схемы с двумя диодами и двумя резисторами (рис. 27,6). Эта схема имеет меньшую чувствительность, так как измеритель И зашунтирован резисторами Rj и R2. Ток, протекающий через прибор, в этом случае равен:


е) г)

Рис. 2.7. Двухполупериодные схемы выпрямительных миллиамперметров (а-в) и токи, протекающие в нем (г)

/пр = ?Дф(2/?-Ь/?„р),

TRe R=R2 = R, а R - сопротивление цепи измерителя.

Если поменять местами диагонали моста, то получим схему последовательного моста (рис. 2.7,6), позволяющую измерять значительные токи, так как сопротивления Ri и R2 в этом случае шунтируют измеритель вместе с диодом, а не только измеритель, как в схеме параллельного моста (рис. Z7,6).

Выпрямительные приборы для измерения токов широко применяются как составные элементы комбинированных приборов: тестеров, авометров, используемых для измерения токов, напряжений, сопротивлений и других электрических величин.

При использовании соответствующего типа диода выпрямительные приборы для измерения токов могут применяться в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Германиевые и кремниевые диоды обеспечивают частотный диапазон измерения токов до 100 МГц.

Основными достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Недостатком этих приборов является их невысокая точность. Основными ирточниками погрешностей при этом являются изменение параметров диодов с течением времени, нелинейность шкалы, влияние внешней температуры.

Класс точности выпускаемых выпрямительных приборов 1,5 и 2,5; пределы измерения по току от 2 мА до 600 А, по напряжению от 0,3 до 600 В.

2.3.4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Эти приборы используются для измерения токов высокой частоты. Термоэлектрический прибор (рис. 2.8) состоит из термопреобразователя, термоэлемента и измерительного прибора И магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь содержит подогреватель 2 и термопару / из двух разнородных проводников, спаянных между собой.

Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток i (например, высокой частоты), то вследствие нагрева спая в цепи термопары и прибора И будет протекать термоток постоянного напряжения. Так как термо-ЭДС пропорциональна количеству тепла, выделенному в подогревателе, то прибор термоэлектрической системы



0 1 2 3 4 5 6 [7] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0101