Измерение переменного тока и напряжения

А б

R R

А б

Рисунок 8.1—Измерение постоянного тока магнитоэлектрическим прибором

Применение совместно с магнитоэлектрическим прибором шунта (рис. 8.1,б) позволяет определять токи, превышающие 500 мкА, т. е. расширить предел измерений. Шунт имеет сравнительно малое, точно подобранное сопротивление R _ш, подключается параллельно прибору и последовательно в цепь измеряемого тока. При этом измеряемый ток I _изм разветвляется на две неравные части: большая часть проходит через шунт, а меньшая ‒ через прибор, вызывая отклонение указателя. При полном отклонении указателя измеряемый ток достигает предельного значения

I изм = I пред = I ш + I и,

Откуда

I ш = I пред ‒ I _и,

Падения напряжений на выводах шунта и измерительного прибора равны и составляют

Uи = I _и∙ R_к= I _ш∙ Rш Таким образом, сопротивление шунта

R ш = I и∙ R к/(I пред ‒ I и). (8.1)

Следовательно, для расчета сопротивления шунта необходимо знать ток полного отклонения I _и и сопротивление R_к измерительного прибора и выбрать предел измеряемого тока

I пред.

Измерение постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором Магнитоэлектрический прибор включают параллельно участку цепи, на котором действует измеряемое напряжение U _изм (рис. 8.2, а). Увеличение этого напряжения до U_и вызы­вает возрастание показаний до полного отклонения указателя, следовательно, прибор является милливольтметром с пределом измерений U_и. Включение прибора вызывает некоторое умень­шение напряжения, поскольку уменьшается сопротивление участка цепи R_уч из-за его шунтирования сопротивлением R_и прибора. Этим уменьшением напряжения можно пренебречь и считать, что при включении прибора напряжение не изменилось, если R_к» R _уч. Дополнитель­ная погрешность, вызванная влиянием включения прибора, равна

У = R уч/(R уч + Rи) (8.1)

Так, при R_к = 2000 Ом дополнительная погрешность меньше 5% для участков цепи сопротивлением R _уч = 100 Ом и ниже. В зависимости от чувствительности приборов их пределы измерений различны и обычно составляют 25‒200 мВ. Для прибора с параметрами: R_к = 2000 Ом и I _и = 50 мкА величина U_и составит 100 мВ.

Рисунок 8.2—Измерение постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором

Применение совместно с магнитоэлектрическим прибором добавочного резистора R _доб (рис. 8.2,6) позволяет измерять более высокие напряжения, т.е. расширить пределы измерений напряжений.

Добавочный резистор имеет сравнительно большое, точно подобранное сопротивление и включается последовательно магнитоэлектрическому прибору, который подключается па­раллельно исследуемому участку R _уч. Измеряемое напряжение разделяется на две неравные части: большая часть падает на R _доб, а меньшая вызывает отклонение указателя прибора. При полном отклонении указателя измеряемое напряжение достигает своего предельного значения

U изм =U пред = U R + U и

Поскольку через R _доб и прибор проходит общий ток I _и и падение напряжения на добавочном резисторе U_R = I _и∙ R _доб, соотношение напряжений U_R И Uи равно соотношению сопротивлений R _доб и R_н, т. е.

U _R/ U _и = I _и∙ R _do6/ (I _и ∙ R_к) = R _do6/ R_к, откуда

R do6 = R_к ∙(UR/Uи) Учитывая, что

U_R = U пред ‒ U _и и U _и = I _и∙ R_к

Получим

R do6 = (U _пред / I_и) ‒ R_к (8.3)

В нашем случае для U _пред = 1 В R _доб =18 кОм.

Следовательно, для расчета добавочного резистора следует знать параметры I _и и R_к измерительного механизма и выбрать предел измеряемого напряжения U _пред.

Важным параметром вольтметра является входное сопротивление R_v= R_к + R _доб, которое определяют как отношение предела измеряемого напряжения к току полного отклонения, т.е. Rv = U п_ред/ I и, поэтому в нашем случае R_v = 20 кОм на пределе измерения 1 В. Следовательно, чем больше предел измерений, тем больше сопротивление R _доб и входное сопротивление. Для получения больших входных сопротивлений желательно применять измерительные механизмы большой чувствительности, т. е. имеющие малый ток полного отклонения I _и. В практике изме­рений для оценки вольтметра и расчета R _доб удобно пользоваться удельным входным сопротивлением R/U = 1/I_и. При этом входное сопротивление вольтметра определяют как про­изведение предела измерений на удельное входное сопротивление.

Точность показаний вольтметра зависит от точности подбора сопротивлений добавочных резисторов и их стабильности. В массовой измерительной аппаратуре широко используют непроволочные резисторы MЛT, OMЛT и др., общим недостатком которых является зависимость стабильности сопротивления от температуры, влажности и времени. Для уменьшения нестабильности сопротивления резисторы подвергают искусственному старению и тренировке, пропуская номинальный ток в течение нескольких часов. В вольтметрах повышенной точности используют прецизионные резисторы С2-14, С2-29 и более современные в керамическом герметизированном покрытом эмалью корпусе, имеющие номинальные сопротивления до 1 МОм с допустимыми отклонениями 0,1; 0,2... 2%, а также проволочные резисторы с допустимыми отклонениями 0,05; 0,1... 1%.

Для подбора сопротивления добавочного резистора к вольтметру прикладывают предельное напряжение и выбирают из нескольких резисторов тот, при котором указатель устанавливается на конечную отметку шкалы.

Для переменных токов и напряжений характерно изменение их значения с определенной периодичностью соответственно направления и полярности. Количество периодов в секунду, т.е. частота электрических колебаний, может быть различно: от долей герца до десятков гигагерц. К диапазону низких частот относят частоты от долей герца до 100 кГц, высоких — от 100 кГц до 30 МГц и сверхвысоких — от 30 МГц до 30 ГГц. Сверхвысокочастотный диапазон, в свою очередь подразделяют на поддиапазоны метровых (MB), дециметровых (ДМВ) и сантиметровых (СМВ) волн, граничные частоты которых соответственно составляют от 30 до 300 МГц, от 300 до 3000 МГц и от 3 ГГц до 30 ГГц.

Токи и напряжения промышленной частоты 50 Гц измеряют электромагнитными, электро- и ферродинамическими приборами, а также магнитоэлектрическими совместно с пре­образователями переменного тока в постоянный.

Токи и напряжения с частотой более 1 кГц в основном измеряют приборами выпрямительной системы ‒ магнитоэлектрическими с диодами. Приборы электромагнитной и электродинамической систем находят ограниченное применение, поскольку их частотная погрешность с увеличением частоты возрастает.

Токи высокой частоты измеряют термоэлектрическими приборами ‒ магнитоэлектри­ческими с термопреобразователями.

Напряжения высоких и низких частот измеряют электронными вольтметрами.

Оценить переменный ток и напряжение можно по их амплитудному I_m и U_m, среднеквадратичному, или действующему I _д и U _д, и средневыпрямленному I _ср и U_cp значениям. В электротехнике наиболее часто производят оценку по действующему значению.

При синусоидальной форме напряжения его действующее значение (рис. 8.3, а)

U_д= U_m/b = 0,707 U_m,

а средневыпрямленное при одно- и двухполупериодном выпрямлении (рис. 8.3, б)

U_cp = U_m/n = 0,318 U_m и U _cp = 2U_m/n = 0,637 U_m

(коэффициенты определены математически, исходя из условий равенства приведенных на рис. 8.3, а, б заштрихованных фигур и соответствующих им прямоугольников). Коэффициент формы К_ф напряжения определяют как отношение действующего напряжения к средневыпрямленному и при синусоидальном напряжении

К_ф = U _д/ U _cp= 0,707 U_m /0,637 U_m = 1,11. При других формах напряжения он может иметь другие значения.

Рисунок 8.3—Действующее (а) и средневыпрямленное (б) переменные напряжения

синусоидальной формы

Действующие переменные токи и напряжения до 1 кГц измеряют электромагнитными
приборами, которые могут быть щитовыми или переносными. Щитовые амперметры и
вольтметры имеют один предел измерений, а переносные могут быть многопредельные, для
чего переключаются секции катушки измерительного механизма. Так, два предела измерений
можно получить, переключая две секции катушки с последовательного соединения на
параллельное. Для расширения пределов измерений однопредельных амперметров используют
измерительный трансформатор тока. Применение шунтов возможно только в

высокочувствительных приборах. Для расширения пределов измерений однопредельных вольтметров используют без‒реактивные добавочные резисторы или измерительный транс-форматор напряжения.

Кроме того, действующие переменные токи и напряжения измеряют электро-динамическими переносными амперметрами н вольтметрами с одним или несколькими пределами измерений. Неподвижную и подвижную катушки вольтметров и высо-кочувствительных амперметров соединяют последовательно, а низкочувствительных амперметров-параллельно. Расширяют пределы измерений однопредельных вольтметров и амперметров так же, как электромагнитных приборов. Широко используются амперметры на два предела измерений, которые получают последовательным или параллельным соединением неподвижной и подвижной катушек. Многопредельные вольтметры имеют несколько добавочных резистров, выполненных в виде намотки манганиновой проволоки на каркас из изоляционного материала.

Рисунок 8.4—Эквивалентная схема амперметра

При повышении частоты переменного тока реактивные сопротивления измерительных приборов изменяются и возникают резонансные явления. Например, амперметр, эквивалентная схема которого показана на рис. 8.4, имеет собственные индуктивность L _A И емкость С _A, а также емкости С между зажимами и корпусом, которые хотя и невелики, но оказывают влияние на высоких частотах. При этом емкостные сопротивления уменьшаются, а индуктивное ‒ возрастает, все большая часть измеряемого тока минует прибор и растет частотная по-грешность. Собственные индуктивность и емкость амперметра являются колебательным контуром, поэтому резонансные явления на частотах, близких к резонансной, значительно искажают показания. Таким образом, на высоких частотах следует использовать приборы, имеющие малые собственные емкости и индуктивности.

Для каждого конкретного прибора обычно указывается частотный диапазон, в котором его можно применять с наибольшей допустимой частотной погрешностью. При измерениях на ностоянном токе и переменном промышленной частоты 50 Гц место включения амперметра в цепь значения не имеет. При измерениях на высокой частоте следует включать амперметр в участки цепи, имеющие соединение на корпус (рис. 8.5), тогда действие емкости между одним зажимом и корпусом исключается, а вторая оказывается соединенной параллельно емкости прибора С _А. При этом ток утечки незначителен, поскольку он возникает под действием весьма малой разности потенциалов между зажимами прибора.

Рисунок 8.5—Включение амперметра при измерениях на высокой частоте

При измерениях напряжений высоких частот основное влияние оказывает входная емкость С _вх электронного вольтметра (рис. 8.6), шунтирующая его входное сопротивление R _вх, а также собственная индуктивность подводящих проводов L _пров. При возрастании частоты переменного тока уменьшается реактивное сопротивление входной емкости, возрастает ток утечки через нее, что вызывает снижение показаний вольтметра. Поскольку входные сопротивления вольтметров очень велики (порядка единиц и десятков мегаом), то даже небольшие входные емкости вызывают значительные частотные погрешности. Действительно, индуктивность подводящих проводов L _пров и входная емкость С _вх представляют собой последовательный колебательный контур, поэтому на высоких частотах, близких к резонансной, входное сопротивление вольтметра будет резко изменяться, вызывая частотную погрешность.

Рисунок 8.6—Эквивалентная схема входной части элегтронного вольтметра переменного тока

Для уменьшения частотной погрешности и расширения диапазона частот входную часть вольтметра конструируют так, чтобы снизить входную емкость и уменьшить длину подводя-щих проводов. В некоторых конструкциях вольтметров входной частью служит буферный по-вторитель напряжения, имеющий большое входное и малое выходное сопротивление, который монтируют в выносной головке, соединенной с прибором кабелем 0,5-1 м. Выносную головку приближают вплотную к объекту измерений, что резко снижает длину подводящих проводов. Такая конструкция позволяет расширить частотный диапазон до нескольких мегагерц. На более высоких частотах применяют вольтметры, в выносной головке которых смонтирован измерительный выпрямитель, который преобразует измеряемое переменное напряжение в постоянное, подаваемое по кабелю непосредственно в прибор на усилитель постоянного тока. Частотный диапазон таких вольтметров достигает сотен мегагерц.

Приборы выпрямительной системы

Основной частью приборов выпрямительной системы являются измерительные
выпрямители средневыпрямленного, действующего или амплитудного переменного

напряжения, которые состоят из одного или нескольких диодов и магнитоэлектрического
измерительного механизма. Измеряемое переменное напряжение выпрямляется

полупроводниковым или ламповым диодом, при этом в цепи измерительного механизма проходит постоянный ток, вызывающий отклонение его подвижной системы и указателя.

В настоящее время в электронных вольтметрах для этой цели используются кремниевые полупроводниковые диоды, выдерживающие прямые токи от единиц миллиампер до нескольких десятков ампер и обратные напряжения до тысячи вольт.. Характер проводимости полупроводникового диода можно определить с помощью вольтамперной характеристики (рис. 8.7), из которой видно, что при малых прямых напряжениях (примерно до 0,6 В) зависимость тока от напряжения имеет квадратичный характер, т.е. I _пр ≈ m ∙ U _пp² (где m ‒ постоянный коэффициент), а при больших прямых напряжениях (выше 0,7 В) ‒ линейный характер, т.е. I_пp ≈ m∙U_пp. Очень малые прямые напряжения (примерно до 0,4 В) не открывают диод и прямого тока нет. Обратные напряжения (порядка десятков и даже сотен вольт) вызывают в цепи диода очень малые обратные токи, которые можно не учитывать.

Рисунок 8.7—Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Основная погрешность выпрямительных приборов обычно составляет 1,5 ‒ 4%, выража-ется в процентах от конечного значения шкалы, определяется при нормальных значениях влияющих величин, т. е. при температуре (20 + 5)° С и синусоидальной форме напряжения частотой (50 ± 5) Гц и зависит от разброса параметров диодов, их нестабильности, а также точности подбора добавочных резисторов, шунтов и градуировки шкалы. Для выпрямительных приборов характерна температурная погрешность, вызванная изменением прямого и обратного сопротивления диодов при изменении температуры. Собственная емкость высокочастотных полупроводниковых диодов очень мала (меньше 1-2 пФ), потому их применяют в очень широком диапазоне частот: от низких до сверхвысоких. Частотный диапазон выпрямительных приборов достигает 10-20 кГц и ограничивается наличием собственных индуктивностей и емкостей других элементов приборов: шунтов, добавочных резисторов, переключателей, соединительных проводов и т.д. На высоких и сверхвысоких частотах выпрямительные приборы служат как индикаторы и позволяют определять точную настройку контуров в резонанс по максимуму показаний.

Шкалы выпрямительных приборов с выпрямителем средневыпрямленного напряжения градуируют в действующих значениях переменного напряжения синусоидальной формы. При других формах измеряемого напряжения в показаниях прибора появляется погрешность, зависящая от того, насколько коэффициент формы К _ф отличается от 1,11.

Измерительные выпрямители средневыпрямленного напряжения могут быть одно- и двухполупериодные.

а ‒ одним, б ‒ двумя Рисунок 8.8—Однополупериодные выпрямители средневыпрямленного напряжения с диодами

Однополупериодные с одним диодом Д (рис. 8.8, а) используют на высоких и сверх-высоких частотах в качестве индикатора резонанса при контроле напряжений контура,

однополупериодные с двумя диодами (рис. 8.8, б) позволяют пропустить обратную волну переменного тока через диод Д ₂ и резистор R, имеющий сопротивление, равное сопротивлению измерительного механизма и этим устранить недостатки предыдущей схемы, т.е. выравнять сопротивление схемы для токов обоих направлений и устранить перенапряжение на диоде Д ₁ в тот полупериод, когда он закрыт.

Рисунок 8.9—Двухполупериодная мостовая выпрямительная схема с четырьмя диодами

Двухполупериодные мостовые схемы с четырьмя диодами (рис. 8.9) позволяют удвоить чувствительность прибора, поскольку ток через измерительный механизм проходит (как это показано на рис. 8.9 стрелками) в течение обоих полупериодов переменного напряжения.

Рисунок 8.10—Мостовая параллельная выпрямительная схема с двумя диодами

В мостовых параллельных (рис. 8.10) и последовательных (рис. 8.11) выпрямительных схемах вместо двух диодов включены резисторы R ₁ и R ₂, поэтому они не требуют тщательного подбора одинаковых по параметрам диодов и градуировка шкал при замене диодов более стабильна. По чувствительности эти выпрямители уступают выпрямителям с четырьмя диодами, так как часть выпрямленного тока минует измерительный механизм.

Рисунок 8.11—Мостовая последовательная выпрямительная схема с двумя диодами

Двухполупериодные мостовые выпрямители с удвоением напряжения (рис. 8.12) позволяют получить наибольшую чувствительность. В один полупериод происходит заряд конденсатора С ₁ через открытый диод Д ₁, а в другой—заряд конденсатора С ₂ через открытый диод Д ₂. Напряжения на конденсаторах постоянны и соответствуют амплитудному значению переменного напряжения. К измерительному механизму прикладывается суммарное напряжение конденсаторов, соединенных последовательно.

Рисунок 8.12—Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя с удвоением на двух диодах

Анализируя характер шкал, показанных на рис. 8.13, а‒г, можно заметить, что наиболее равномерную шкалу, удобную для отсчета (рис. 8.13, г ), можно получить, применив мостовую параллельную или последовательную схему. Однополупериодные схемы также позволяют получить достаточно равномерный характер большей части шкалы (рис. 8.13, б). Неравно-мерный начальный участок шкалы (рис. 8.13, в) наиболее велик при использовании мостовой схемы с четырьмя диодами.

а ‒ на постоянном токе, б, в, г ‒ на переменном токе для схем, показанных на рис. 8.8, 8.9,8.10 и

8.11 Рисунок 8.13—Характер шкал измерительного механизма

Рисунок 8.14—Схема измерительного выпрямителя действующего напряжения

Измерительные выпрямители действующегопеременногонапряжения, или

квадратичные вольтметры, имеют довольно сложную схему (рис. 8.14), в которой
применены широкополосный трансформатор Тр со средней точкой во вторичной обмотке
и двухполупериодный выпрямитель измеряемого напряжения на диодах Д ₁ и Д ₂. Для
получения квадратичной зависимости тока измерительного механизма И от приложенного
напряжения последовательно ему включают диодную цепочку, состоящую из нескольких
звеньев (на рис. 8.14—четырех). Резисторы R ₃, R ₅, R ₇ и R ₉ делителей напряжения источника
питания Е каждого звена подобраны так, чтобы создать на резисторах R ₂, R ₄, R ₆ и R ₈
увеличивающиеся постоянные напряжения, соответственно запирающие диоды Д _З, Д ₄, Д ₅ и
Д ₆. При увеличении измеряемого напряжения диоды Д _З, Д ₄ и Д ₅ поочередно открываются и
их токи, определяемые линейным участком характеристики, суммируются с током,

определяемым квадратичным участком характеристики открывающегося последним диода Д ₆. Шкалу измерительного механизма градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения, и эта градуировка справедлива при любой другой форме измеряемого напряжения. Такие вольтметры являются единственно пригодными для измерения напряжений сложной формы и напряжений шумов.

Измерительный выпрямитель амплитудного значения переменного напряжения, или амплитудный выпрямитель, выполняют по схеме с закрытым входом (рис.13, а). В положительный полупериод измеряемого переменного напряжения U_изм (рис.13, б) диод Д открыт и конденсатор С заряжается до напряжения U _c. В момент t₁ мгновенное значение измеряемого напряжения становится равным U_c и диод закрывается. В течение времени от t₁ до t₂ диод закрыт и конденсатор медленно разряжается через большое сопроти-вление нагрузочного резистора R. В отрезок времени от t₂ до t ₃ диод снова открывается, конденсатор подзаряжается, напряжение U с возрастает и т.д.

Дата добавления: 2014-12-08