Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений




Рис. 2.8. Схема включения в цепь измерения термоэлектрического прибора

измеряет действующее значение переменного тока любой формы.

Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратичной, так как термо-ЭДС пропорциональна квадрату измеряемого тока. Чувствительность термоэлементов, определяемая изменением термо-ЭДС в микровольтах, получающимся при изменении температуры спая на 1 "С, зависит в основном от материала термопары и температуры спая.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отнести высокую чувствительность к измеряемому току, большой диапазон измерения токов, широкий диапазон частот, а также возможность измерения токов сигналов произвольной формы. Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, которая в начальной своей части получается сжатой и на участке примерно 20% номинального тока практически не используется. Кроме того, показания приборов зависимы от внешней температуры, имеют тепловую инерцию и чувствительны к перегрузке.

В зависимости от назначения термоэлектрические приборы имеют различные пределы измерения, классы точности и частотный диапазон. Общий частотный диапазон термоэлектрических приборов промышленного типа лежит в пределах от 45 Гц до 300 МГц. Номинальные токи - от 1 мА до 50 А, с применением трансформаторов тока - от 1 до 500 А. Классы точности - от 1,0 до 2,5. На частотах 300 МГц (Т22М) основная погрешность достигает + 5 %.

Примером термоэлектрических приборов являются щитовые миллиамперметры Т2С и Т20Т с внутренним вакуумным термопреобразователем на частоты 50 Гц - 100 МГц, с пределами измерения 75, 100, 250, 500 и 1000 мА. Более высокий класс точности (1,0) имеет миллиамперметр Т15 с термопреобразователем Т105, который имеет номинальный ток 100 мА и погрешность в диапазоне частот 20 Гц - 100 МГц 1-4%.

Для увеличения чувствительности тер-

моприборов и повышения их перегрузочной способности применяются вакуумные термопреобразователи в сочетании с фотогальва-номегрическими компенсационными усилителями, что позволяет изготовлять микроамперметры с нижним пределом измерения 100 мкА.

2.4. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Приборы непосредственной оценки. При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивление Кист, вольтметр включают параллельно нагрузке (рис. 2.9). Если внутреннее сопротивление вольтметра равно К„, то относительная погрешность измерения напряжения

7и = -

1 + RIR, + R/R„„

где и - действительное значение напряжения на нагрузке R до включения вольтметра; «x - измеренное значение напряжения на нагрузке R.

Так как отношение R/R„ обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра Р„ к мощности цепи Р, то

l+PJP + R/R

Таким образом, погрешность тем меньше, чем меньше Р„ и R,„.

Измерение напряжений в цепях постоянного тока может быть выполнено любыми измерителями напряжений постоянного тока (магнитоэлектрическими, электродинамическими, электромагнитными, электростатическими, аналоговыми и цифровыми вольтметрами). Выбор вольтметра обусловлен мощ-

"пр


Рис. 2.9. Эквивалентная схема вольтметра магнитоэлектрической системы (а) и схема включения его в цепь измерения напряжения (б)



ностью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от долей микровольт до десятков киловольт.

Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления могут бьггь обеспечены приборами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. При измерении напряжения с более высокой точностью следует использовать приборы, основанные на методах сравнения. При любом методе измерения могут быть использованы аналоговый и цифровой отсчеты.

2.4.1. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

Магнитоэлектрические приборы. В радиоизмерительной технике магнитоэлектрические приборы применяются при измерении постоянных токов и напряжений, при проверке режимов радиосхем и используются при измерении переменных токов и напряжений в выпрямительных и термоэлектрических приборах и электронных вольтметрах. Кроме того, магнитоэлектрические приборы находят применение в качестве индикаторов во многих типах радиоизмерительных приборов для измерения мощности, частоты, коэффициента модуляции и ряда других величин. При этом шкала магнитоэлектрического прибора градуируется непосредственно в единицах измеряемой величины.

Измерительная цепь магнитоэлектрического вольтметра представляет собой рамку с сопротивлением R„ измерительного механизма И и включенного последовательно с ним добавочного резистора Кд (рис. 2.9, а). В измерительной цепи вольтметра происходит преобразование измеряемого напряжения в ток, необходимый для отклонения подвижной части механизма. Предел измерения вольтметра зависит от тока полного отклонения / подвижной части и внутреннего сопротивления вольтметра (суммы сопротивлений R„ рамки прибора и добавочного резистора Лд, помещенного внутри прибора):

u=IR=I{R„ + Rp).

Следовательно, R = и/1 - Л„.

Ток полного отклонения магнитоэлектрических вольтметров составляет 0,5 - 30 мА. Изменение предела измерения до величины и производится подключением добавочного резистора Кщ, сопротивление которого при заданном токе рамки I равно Кд1=Д(и,/и-1).

Набор добавочных резисторов к вольтметру позволяет создавать многопредельные вольтметры. Добавочные резисторы обычно изготовляются из манганина и делятся на внутренние до 600 В и наружные до 1500 В. Наружные добавочные резисторы могут быть индивидуальными (к конкретному прибору) и взаимозаменяемыми (к любым приборам, номинальные токи которых равны номинальному току добавочного резистора). Изготовляются добавочные резисторы на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА. Калиброванные добавочные резисторы делятся на классы 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1.

Вольтметры магнитоэлектрической системы имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но низкое входное сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от нескольких микровольт до сотен киловольт.

Электростатические приборы. Принцип действия измерительных механизмов электростатической системы основан на взаимодействии двух систем электрически заряженных тел, одна из которых механически подвижна. Независимо от конструкции измерителя электростатической системы имеют уравнение шкалы вида

а = kuf,

где к - коэффициент, определяемый конструкцией измерителя; щ - мгновенное значение напряжения, поданного на механизм.

Приборы электростатической системы могут применяться для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного (до нескольких мегагерц) токов. Особенностью приборов является то, что они могут непосредственно (без добавочных делителей напряжения или измерительных трансформаторов) измерять высокое напряжение. Если осуществляется измерение переменного напряжения с частотой выше нескольких герц, то подвижная часть электростатического механизма из-за большой массы не успевает следовать за мгновенным значением напряжения, происходит усреднение вращающего момента системы и измеритель имеет уравнение шкалы вида

а = ки,

где и - среднеквадратическое значение напряжения.

Таким образом, при измерении переменного напряжения показания электростатического вольтметра соответствуют среднеква-дратическому значению измеряемого напряжения.



К достоинствам электростатических вольтметров следует отнести незначительное потребление энергии, независимость показаний от температуры окружающего воздуха, от внешних магнитных полей. К недостаткам относятся малая чувствительность, неравномерность шкалы, опасность электрического пробоя между пластинами.

Промышленность выпускает электростатические вольтметры классов точности 0,5; 1; 1,5 на напряжение от 10 В до 300 кВ с диапазоном частот от 20 Гц до 10 МГц, входной емкостью от 4 до 65 пФ и входным сопротивлением 10°-10 Ом.

В последнее время электростатические приборы применяют совместно с электронными уоиителями, что значительно расширяет область применения электростатических приборов; например, созданы высокочувствительные миллиамперметры и вольтметры переменного тока.

2.4.2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного тока имеют высокие входное сопротивление, чувствительность и малое потребление тока от измерительной цепи.

Вольтметры постоянного тока непосредственной оценки выполняются по структурной схеме, приведенной на рис. 2.10. Основными элементами структурной схемы являются входное устройство, уаиитель постоянного тока (УПТ) и измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Входное устройство содержит входные зажимы, делитель напряжения, предварительный усилитель. Высокоомный делитель на резисторах служит для расширения пределов измерения. Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствительности вольтметра и является усилителем мощности измеряемо- го напряжения до значения, необходимого для создания достаточного вращающего момента у измерительного прибора.

К усилителям постоянного напряжения предъявляются такие требования, как высокая линейность амплитудной характеристики, постоянство коэффициента уаиения

Входное устройство

Усилитель

посте

го тока

Измерительный прибор

и малый температурный и временной дрейфы нуля. Высокая линейность амплитудной характеристики обычно достигается правильным выбором режимов работы электронных приборов усилителя, а также применением отрицательной обратной связи, которая повышает стабильность коэффициента уаиения. Стабилизации коэффициента уаиения уаиителя способствует также стабилизация питающего напряжения.

Из различных схем уаиителей постоянного тока наиболее удачно разрешаются указанные проблемы в мостовых балансных схемах. Применение балансной схемы позволяет снизить требования к стабильности питающих напряжений, так как при изменении этих напряжений сопротивления плеч моста изменяются примерно одинаково и баланс моста не нарушается. Нестабильность нулевого отсчета в балансных схемах сохраняется, но она оказывается значительно ниже, чем у обычного УПТ.

Схема УПТ, выполненного по мостовой балансной схеме, приведена на рис. 2.11. Усилитель постоянного тока собран по мостовой схеме на транзисторах Fj - F4; на транзисторах К5, 6 собран выходной каскад усилителя по схеме с с5бщим коллектором. Такое включение необходимо для получения низкого выходного сопротивления. Измеряемый сигнал подается на базу транзистора К4, включенного по схеме с общим эмиттером, коллекторной нагрузкой которого является транзистор V. Сигнал с коллектора подается на базу транзистора V, включенного по схеме с общим коллектором, нагрузкой которого является транзистор Fg. Сигнал с эмиттера через калибровочный потенциометр К 9 подается на измерительный прибор. Установка нуля УПТ осуществляется потенциометром R. При регулировке К 4 изменяется ток базы транзистора V, что позволяет установить значение его коллекторного тока, соответ-


Рис. 2.10. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Рис. 2.11. Принципиальная электрическая схема УПТ на основе балансного моста.



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


0.0099