Для оценки величины переменного тока и напряжения используют понятия действующего, амплитудного и среднего значений Если сигнал синусоидален, то эти значения жестко связаны между собой через коэффициент формы кривой К ф = U/ U cp = 1,11 и коэффициент амплитуды К а = U max / U д = 1,41. Значения этих коэффициентов зависят от формы кривой используемого сигнала. Чем острее форма исследуемого сигнала, тем больше будут значения К ф и К а.

Для измерения переменного тока и напряжения могут быть использованы измерительные механизмы всех систем.

В этом случае магнитоэлектрические приборы используются с преобразователями переменного тока в постоянный. Это выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы. Обычно они градуируются в действующих значениях тока или напряжения. В приборах, предназначенных для измерения среднего и амплитудного значений, делается соответствующая отметка на шкале.

Электромагнитные амперметры и вольтметры. Амперметры на токи 250... 300 А непосредственно в цепь не включаются из-за сильного влияния на показания приборов магнитного поля токопроводящих проводов и значительного нагрева шины. Изменение предела измерения производится путем секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно. Для переключения секций используются штепсельные и рычажные переключающие устройства. Расширение пределов измерения на переменном токе производится при помощи измерительных трансформаторов тока.

Для расширения пределов измерения электромагнитных вольтметров применяются включения добавочных сопротивлений и секционирование; для измерения больших напряжений (свыше 500 В) на переменном токе - измерительные трансформаторы напряжения.

Собственное магнитное поле электромагнитных приборов невелико и внешние магнитные поля влияют на показания приборов. Для защиты от внешних магнитных полей применяется астазирование и экранирование.

На переменном токе возникает частотная погрешность, так как в сердечнике и в других металлических частях возникают вихревые токи, оказывающие размагничивающее действие на сердечник, вследствие чего вращающий момент на переменном токе будет немного меньше, чем на постоянном. Частотный диапазон - до 2000...3000 Гц, классы точности - 1,5; 2,5.

Электродинамические амперметры и вольтметры. У амперметров на токи до 0,5 А неподвижные и подвижные катушки соединяются

последовательно. При таком соединении катушек компенсация частотной и температурной погрешностей не требуется, так как изменения температуры t и частоты/(до 2000... 3000 Гц) не оказывают значительного влияния на показания приборов.

При токах более 0,5 А подвижная катушка соединяется параллельно с неподвижной (так как последовательное соединение вызвало бы перегрев и изменение свойств токоподводящих пружин). В этом случае необходима компенсация температурной и частотной погрешностей, которые возникают в результате перераспределения токов в катушках при изменении t и f Для компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы температурные коэффициенты сопротивления параллельных ветвей были одинаковые. Для исключения частотной погрешности необходимо, чтобы постоянные времени обеих катушек были бы равны между собой.

У вольтметров неподвижная и подвижная катушки включаются последовательно. Для расширения пределов измерения приме­няют секционирование и измерительные трансформаторы напряжения.

Ферродинамические амперметры и вольтметры. Они имеют такие же измерительные схемы включения неподвижных и подвижных катушек, что и электродинамические приборы. Ферродинамические приборы кроме температурной и частотной погрешностей имеют еще специфические погрешности, вызванные наличием сердечника. К ним относятся:

Погрешность от нелинейности кривой намагничивания;

Погрешность потерь в материале на гистерезис и вихревые токи (магнитопровод изготовляют из материала с малой коэрцитивной силой).

Для расширения пределов измерения используются те же способы, что и для электродинамических приборов.

Электростатические вольтметры. Схемы включения электростатических вольтметров (ЭВ) обладают некоторыми особенностями. У ЭВ на малые пределы измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а следовательно, и сети при случайных ударах, трясках, вибрациях. Для исключения этой опасности внутрь ЭВ встраивается защитный резистор и прибор включается в сеть через этот резистор. При повышении частоты до нескольких сотен герц защитный резистор во избежание дополнительной погрешности выключается. Номинальная область частот- 20 Гц... 10 МГц.

Расширение пределов измерения ЭВ на переменном токе осуществляется включением последовательно с ЭВ добавочных конденсаторов или емкостных делителей. Применение делителей значительно снижает точность электростатических вольтметров.

Источником погрешности является собственная емкость прибора на повышенных частотах. Электростатические вольтметры приме­няются в основном в качестве лабораторных вольтметров.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН Измерение постоянного тока и напряжения Выбор измерителя обусловлен мощностью объекта... Контрольные вопросы... Приборы каких систем можно использовать для измерения постоянного тока и напряжения...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Для измерения переменного тока в зависимости от его диапазона частот должны выбираться различные измерительные приборы.

Для измерения тока промышленной частоты – 50 Гц -1000 Гц , можно использовать приборы непосредственной оценки на основе электромагнит­ной и электродинамической систем.

Напомним, что принцип действия электромеханических приборов элек­тромагнитной системы основан на явлении втягивании стальной пластины, соединённой с отсчётной стрелкой, магнитным полем катушки, в которой протекает измеряемый ток I . Уравнение шкалы прибора имеет вид:

α=k·I 2

Из этого выражения следует, что отклонение подвижной части α изме­рительного механизма зависит от квадрата измеряемого тока и может ис­пользоваться для измерения действующих значений переменных токов про­извольной формы, если спектр соответствующих сигналов не выходит за пределы рабочего диапазона частот прибора. При измерении переменных на­пряжений шкала прибора градуируется в единицах √I 2 ; кроме того, подбором формы стальной пластины (за счёт изменения её индуктивности) удаётся по­лучить, практически, равномерную шкалу, начиная с 20%-25% верхнего пре­дела измеряемой величины.

Амперметры магнитоэлектрической системы выпускаются для измере­ния токов до 200А -250А на частотах до 1500 Гц классов точности 0.5 , 1.0 , 2.5 . Для расширения пределов измерения тока применяются измерительные трансформаторы, а не шунты.

Принцип действия измерительных приборов электродинамической сис­темы основан на взаимодействии двух магнитных потоков, создаваемых из­меряемым током, протекающим по двум катушкам, одна из которых под­вижна. В результате взаимодействия магнитных полей катушек и противо­действующей пружины подвижная катушка поворачивается на некоторый угол, пропорциональный квадрату измеряемого тока. Приборы этой системы также используются для измерения действующих значений переменного тока.

При измерении токов частотой 20 Гц -100 кГц в составе измерительных приборов применяют преобразователи переменного тока в постоянный. Как правило, в качестве таких преобразователей используются одно или двухпо­лупериодные диодные выпрямители (см., соответственно, рис. 1а и 1б).

В первом случае (см. рис. 1а) через прибор протекает ток I пр , определяе­мый выражением:

I пр =I ср =1/T∫I m |sinωt|dt=I m /π

во втором (см. рис. 1б):

I пр =I ср =1/T∫I m |sinωt|dt=2·I m /π

Таким образом, выпрямительные приборы измеряют средневыпрямленное значение переменного тока. Однако, обычно шкалы выпрямительных приборов гра­дуируют в действующих значениях переменного тока.

Рис. 1. Измерение тока с помощью выпрямительных приборов

Напомним, что при измерении значений переменных токов, форма кото­рых известна и отличается от синусоидальной, получение верного значения измеряемой величины требует перерасчёта по формуле:

I нс =I пр ·k фнс /k фс

где: I нс – действующее значение тока несинусоидальной формы;

I пр – показания прибора;

k фнс – коэффициент формы несинусоидального сигнала;

k фс – коэффициент формы синусоидального сигнала.

При измерении токов частотой до 300 МГц используются термоэлек­трические приборы.

Термоэлектрический прибор состоит из термопреобразователя, образо­ванного двумя спаянных между собой разнородными проводниками - термо­пары ТП , добавочного резистора R д и термоэлемента ТЭ – подогревателя, и из­мерительного прибора магнитоэлектрической системы И (см. рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема термоэлектрического прибора

Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток, то вследствие нагрева спая в цепи термопары и измерительного прибора будет протекать постоянный ток. Поскольку, так называемая, термо-ЭДС пропор­циональна количеству тепла, выделенному в подогревателе, то прибор тер­моэлектрической системы измеряет действующее значение переменного тока любой формы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ, измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств - измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Электрическое измерение - это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах (например, 3 А, 4 В). Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики и единицами механических величин. Поскольку «поддержание» единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют «практическими» эталонами единиц электрических величин. Такие эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Например, в США юридическую ответственность за поддержание эталонов единиц электрических величин несет Национальный институт стандартов и технологии. Время от времени проводятся эксперименты по уточнению соответствия между значениями эталонов единиц электрических величин и определениями этих единиц. В 1990 государственные метрологические лаборатории промышленно развитых стран подписали соглашение о согласовании всех практических эталонов единиц электрических величин между собой и с международными определениями единиц этих величин.

Электрические измерения проводятся в соответствии с государственными эталонами единиц напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и емкости. Такие эталоны представляют собой устройства, имеющие стабильные электрические характеристики, или установки, в которых на основе некоего физического явления воспроизводится электрическая величина, вычисляемая по известным значениям фундаментальных физических констант. Эталоны ватта и ватт-часа не поддерживаются, так как более целесообразно вычислять значения этих единиц по определяющим уравнениям, связывающим их с единицами других величин.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы - ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.

Аналого-цифровые преобразователи.

Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1-0,0003%. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4-0,002%), но зато время преобразования - от ~10мкс до ~1 мс. Параллельные АЦП - самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность - от 0,4 до 2%.

Методы дискретизации.

Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала; их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала («в реальном времени»), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.

Цифровые вольтметры и мультиметры.

Цифровые вольтметры и мультиметры измеряют квазистатическое значение величины и указывают его в цифровой форме. Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение, обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление постоянному току и иногда температуру. Эти самые распространенные контрольно-измерительные приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2 до 0,001% могут иметь 3,5- или 4,5-значный цифровой дисплей. «Полуцелый» знак (разряд) - это условное указание на то, что дисплей может показывать числа, выходящие за пределы номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5-разрядный) дисплей в диапазоне 1-2 В может показывать напряжение до 1,999 В.

Измерители полных сопротивлений.

Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс) соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором. Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г. Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах, близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых значений. Большинство приборов могут показывать также производные величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.

АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ

Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на постоянном токе применяются аналоговые магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и многовитковой подвижной частью. Такие приборы стрелочного типа характеризуются погрешностью от 0,5 до 5%. Они просты и недороги (пример - автомобильные приборы, показывающие ток и температуру), но не применяются там, где требуется сколько-нибудь значительная точность.

Введение.......................................................................................................... 3

1.Методы измерения................................................................................... 3

1.1Метод непосредственной оценки..................................................... 4

1.2Метод сравнения.............................................................................. 5

2.Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры) 5

2.1Магнитоэлектрические приборы..................................................... 8

2.2Электромагнитные приборы......................................................... 13

2.3Электродинамические приборы.................................................... 16

2.4Ферродинамические приборы....................................................... 18

2.5Электростатические приборы........................................................ 18

2.6Термоэлектрические приборы....................................................... 20

2.7Выпрямительные приборы............................................................ 21

Заключение.................................................................................................... 24

Введение.

В эпоху научно-технической революции темпы развития науки и техники в значительной степени определяются научным и техническим уровнем измерения. В свою очередь уровень развития измерительной техники является одним из важнейших показателей прогресса науки и техники. Это особенно справедливо для электрорадиоизмерений, поскольку исследования в области физики, радиотехники, электроники, космонавтики, медицины, биологии и других отраслей человеческой деятельности базируются на измерениях электромагнитных величин.

Основными направлениями качественной стороны развития электрорадиоизмерительной техники являются:

· повышение точности измерения;

· автоматизация процессов измерения;

· повышение быстродействия и надежности измерительных приборов;

· уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

Электрорадиоизмерения, как и другие измерения, основаны на метрологии.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

1. Методы измерения

Перед измерением тока (напряжения) нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и сопротивлении цепи, в которой производится измерение. Эти предварительные сведения позволят выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор.

Для измерения тока и напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения.

1.1 Метод непосредственной оценки

Метод непосредственной оценки осуществляют с помощью прямопоказывающих приборов – амперметров и вольтметров со шкалами, градуированными в единицах измеряемой величины. Амперметр включают последовательно с нагрузкой (в разрыв цепи); вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, падение напряжения на котором нужно измерить (рис.1). Включенный в цепь прибор оказывает на ее режим определенное влияние, для уменьшения которого необходимо строго выполнять следующие условия:

· внутреннее сопротивление амперметра R A должно быть много меньше сопротивления нагрузки R н;

· внутреннее сопротивление вольтметра R V должно быть много больше сопротивления нагрузки R н;

Невыполнение этих условий приводит к систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадет со значениями отношений R A /R Н и R Н /R V . Условие R V > R Н особенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивлением в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры с входным сопротивлением до сотен мегаом.

С повышением частоты погрешность измерений тока увеличивается.

1.2 Метод сравнения

Метод сравненияобеспечивает более высокую точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов – компенсаторов, отличающихся тем свойством, что в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется, т.е. входное сопротивление практически бесконечно. Это свойство позволяет применять компенсаторы для измерения ЭДС. Метод сравнения реализуется также в цифровых вольтметрах дискретного действия и аналоговых компенсационных вольтметрах, благодаря чему погрешность измерения составляет десятые, сотые и даже тысячные доли процента.

2. Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры)

Электромеханические измерительные приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно преобразуется в показания отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей:

· неподвижной, соединенной с корпусом прибора;

· подвижной, механической или оптической связанной с отсчетным устройством.

Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам называется ценой деления.

Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочным.

Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запресованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (Рис.2,а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках или подвесах (Рис.2,б,в).

Электромеханический измерительный прибор содержит следующие узлы:

· узел, создающий вращающий момент;

· узел, создающий противодействующий момент;

· успокоитель

Электромагнитная энергия W эм поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент, и вызывает поворот подвижной части прибора. Вращающий момент М в можно выразить уравнением Лангранжа второго рода:

(1)

Под воздействием вращающего момента подвижная часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент М п, направленный навстречу вращающему моменту. Противодействующий момент можно получить за счет механических или электрический сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте подвижной части. Механический противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а:

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

Во втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины в соответствии с формулой .

Движение подвижной части прибора прекращается в некотором положении а 0 , когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными друг другу: М в = М п (Рис.3). Подставляя значение М в и М п из формул 1 и 2, можно получить выражение для угла поворота

подвижной части прибора в виде

Если противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии, движение прекращается в момент достижения равенства двух моментов М 1 и М 2 противоположного направления. В общем виде на основе формулы (1) выражения для моментов можно записать так: и , где х 1 и х 2 – электрические измеряемые величины.

Успокоитель предназначается для убыстрения процесса затухания колебаний подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения

где Р – коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя;

da/dt – угловая скорость перемещения подвижной части.

Наиболее распространены воздушные жидкостные и магнитоиндукционные успокоители (Рис.4), с помощью которых время успокоения сокращается до 3-4с. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую приборы разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая.

2.1 Магнитоэлектрические приборы

Магнитоэлектрические приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный – и для измерений в цепях переменного тока.

Узел для создания вращающего момента состоит из сильного постоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток (Рис.5, а).

Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра.

Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т.е. в радиальном магнитном поле. Принцип действия магнитоэлектрических приборов заключается во взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил F (Рис.5, б), создающая вращающий момент. Энергия магнитоэлектрической системы является суммой энергии поля магнита W п.м . , энергии катушки с током и энергии взаимодействия поля магнита и катушки с током YI , где Y -- потокосцепление, численно равное произведению числа силовых магнитных линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при ее повороте на угол а , на число витков n ее обмотки:

Здесь В – магнитная индукция в зазоре, Тл; s – площадь обеих сторон катушки, м 2 .

Таким образом, вся энергия, сосредоточенная в узле, вызывающем вращающий момент, равна

На основании формулы (1), дифференцируя выражение (6) по перемещению, получим уравнение вращающего момента

На основании формулы (2) отклонение подвижной части прибора подчинено следующей зависимости:

(8)

где S i = Bns/W – чувствительность прибора по току.

Формула (8) является уравнением шкалы прибора магнитоэлектрической системы. Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально измеряемому току, шкала равномерна (линейна), при включении следует соблюдать полярность, так как прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь по которому протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов; в цепи с током синусоидальной формы вследствии инерционности подвижной части показания будут равны нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гц подвижная часть с указателем будет совершать колебательные движения.

Время установления показаний сокращается с помощью электромагнитного успокоения, возникающего за счет индуцированного тока в катушке, возбуждаемого при пересечении ею магнитного поля: I = e/R S , где е – индуцированная ЭДС, а R S – сумма сопротивлений подвижной катушки и внешней цепи, на которую она замкнута;

Находим момент электромагнитного успокоения

Коэффициент успокоения в соответствии с формулой (4)

Для увеличения коэффициента успокоения нужно уменьшиь общее сопротивление, что не всегда возможно. Выход состоит в том, что катушка наматывается на алюминиевом каркасе, в котором индуцируется ЭДС; тогда формула (9) примет вид:

,

где R k – электрическое сопротивление каркаса.

Если катушку утяжелять нежелательно, то она выполняется бескаркасной (витки склеиваются), а для получения индуцированной ЭДС наматывают дополнительный короткозамкнутый виток.

Имеются конструкции магнитоэлектрических приборов с неподвижной катушкой и подвижным магнитом на одной оси с указателем (рис. 5,в).

К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся: высокая чувствительность (до 3*10 -11 А); высокая точность (до класса 0,05); малое потребление мощности от измеряемой цепи (10 -5 – 10 -6 Вт); влияющая величина –температура окружающей среды.

Недостатки: сложность изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных перегрузок (деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

Амперметры. Для измерения токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50 А применяют наружние шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами или наружными наборами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения m = I/I A и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки) R A . Для электрической цепи, приведенной на рис.6, а, справедливы следующие равенства: I a R a =I ш R ш; I=mI a ; I ш =I-I a . Отсюда находим сопротивление шунта: R ш =R а I a /I ш =R a I a /(mI a -I a)=R a /(m-1). Через катушку прибора будет протекать (1/m)-я часть измеряемого тока, а через шунт – в (m-1) раз больше.

Погрешность шунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов (от 0,005 до 0,5%) и различных температурных коэффициентов сопротивления катушки и шунта.

Вольтметры. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение. В этом случае уравнение (8) примет вид:

, (10)

где S u – чувствительность вольтметра по напряжению; R v – сопротивление проводов катушки.

Сопротивление обмотки катушки мало и для измерения больших напряжений последовательно ей включают добавочные резисторы с сопротивлением R д. Пусть задано расширить предел измерений в m=U/U v раз. Для электрической цепи представленной на рис. 6, б, можно написать: U Rд /R д =U v /R v , откуда R д =R v U Rд /U v =R v (m-1). Значит на катушке прибора падение напряжения составит (1/m)-ю часть измеряемого напряжения, а на добавочном резисторе в (m-1) раз больше. В формуле (10) вместо R v нужно подставить R v +R д.

Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества. Гальванометры часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двухсторонней шкалой, т.е. с нулевой отметкой посередине.

Гальванометры разделяются на переносные и стационарные. Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках; внутреннее отсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которую падает луч света, отраженный от зеркальца (Рис.2,в). Легкая катушка и малый удельный противодействующий момент создает условия для возникновения механических затухающих колебаний подвижной части гальванометра (Рис.7, кривая 1). Для убыстрения затухания колебаний применяют электромагнитное успокоение. Коэффициент успокоения (9)

,

где R г – сопротивление проводов рамки гальванометра; R н – сопротивление наружного резистора (цепи), на который замкнута рамка.

Зная, что P=f(R г +R н) ; изменяя наружное сопротивление, можно изменять коэффициент успокоения и интервал времени успокоения. Положим, что при некотором P=P кр наступает критический режим, при котором в течении минимального интервала времени t у наступает успокоение. Введем понятие степени успокоения b :

,

где R н.кр – некоторое значение наружного сопротивления, при котором возникает критический режим.

В критическом режиме b кр = 1 и процесс установления характеризуется кривой 3 на рис.7. Если b кр > 1, режим апериодический (кривая 2), если b кр < 1 – колебательный (кривая 1). В паспортных данных гальванометра приводятся значения R г R н.кр, собственный период механических колебаний T 0 и длительность успокоения в критическом режиме t y .

2.2 Электромагнитные приборы

Узел для создания вращающего момента (рис.7,а) состоит из плоской или круглой катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.

Принцип действия приборов электромагнитной системы заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. Энергия, запасенная в катушке, . Индуктивность катушки при движении сердечника меняется, следовательно, выражение для вращающего момента (1) будет иметь следующий вид:

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получаем

Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально квадрату измеряемого тока. Прибор пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градуировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратическим (действующим) значениям переменного тока.

Достоинства электромагнитных приборов – простота конструкции и надежность. Недостатки: малая чувствительность; Значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы; значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока.

Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяют для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амерметров и вольтметров выпускают в виде щитовых приборов различных класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000, 1500 Гц.

Амерметры. Катушку амерметра изготавливают из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5А. Число витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе.

Для расширения пределов измерения переменного тока применяют измерительные трансформаторы тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы и на 400 и 1000 Гц.

Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков и включается последовательно в разрыв цепи (рис.8, а). Вторичная обмотка с большим кольчеством витков соединяется с амперметром на 5 А (иногда на 1 А). Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до 15кА. При больших значениях тока первичная обмотка представляет собой прямоугольный отрезок шины или стержень, проходящий через окно магнитопровода (рис.8, б). Сопротивления амперметров малы, поэтому нормальным режимом работы трансформатора тока является режим, близкий к режиму короткого замыкания.

Вольтметры. Катушку вольтметра изготавливают из большого количества витков тонкого медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значении тока. Уравнение для электромагнитного вольтметра приобретает вид:

, (12)

где R v – сопротивление обмотки катушки.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В и добавочными сопротивлениями на – 450, 600 и 750 В; класс точности 1,5. Для измерений более высоких напряжений, вплоть до 15 кВ, применяют измерительные трансформаторы напряжения. Они различаются классом точности (0,1 и 0,2) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц.

Первичная обмотка трансформатора (рис.9) напряжения включается параллельно измеряемой цепи. К вторичной обмотке подключается вольтметр.

2.3 Электродинамические приборы

Узел для создания вращающего момента состоит из неподвижной катушки, внутри которой помещена подвижная. Принцип действия заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи (рис.10).

Неподвижная катушка разделена на две половины, по которым протекает ток I 1 . Подвижная катушка расположена внутри неподвижной, и по ней протекает ток I 2 , который подводится через спиральные противодействующие пружины или растяжки. Успокоение обычно воздушное. Энергия, запасенная в обеих катушках,

где M 1,2 – взаимная индуктивность между катушками.

Формула вращающего момента

(14)

и уравнение отклонения указателя

. (15)

Если через катушки пропустить переменные синусоидальные токи и , то подвижная часть прибора будет реагировать на среднее значение вращающего момента

где I 1 и I 2 – действующие значения тока; j -- фазовый сдвиг между ними.

Значит уравнение (15) для переменного тока примет вид:

(16)

Из формул (15) и (16) ясно, что показания приборов электродинамической системы пропорциональны произведению токов, протекающих по катушкам; градуировка шкалы на постоянном токе справедлива и для переменных токов.

К достоинствам этих приборов относятся: возможность перемножать измеряемые величины, т.е. измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности; сложность конструкции; недопустимость перегрузки; нелинейность шкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля.

Выпускаются амперметры, вольтметры электродинамической системы для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой 50,400,1000,2000, 3000 Гц.

Амперметры. Для измерения силы тока обе катушки соединяют параллельно или последовательно (рис.11,а). При этом один и тот же ток протекает по обеим катушкам уравнение (15) будет иметь вид:

(17)

где S I – чувствительность по току.

При параллельном соединении катушек пределы измерения тока будут больше чем при последовательном.

Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают с пределами измерений от 1 до 200 А. Расширение пределов (до 6кА) осуществляется при помощи измерительных трансформаторов тока.

Вольтметры. Для измерения обе катушки соединяют последовательно (рис.11, б). Уравнение (15) для вольтметра примет вид:

, (18)

где S u – чувствительность по напряжению; R k – сопротивление обмоток катушек.

При измерении переменного напряжения в цепи вольтметра будет действовать полное сопротивление , где R k и X k – активное и реактивное сопротивление катушек. На частотах свыше 500 Гц реактивное сопротивление X k проявляется довольно заметно и поэтому градуировка шкалы нарушается.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносные – от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерения вплоть до 30 кВ применяют измерительные трансформаторф напряжения.

2.4 Ферродинамические приборы

Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических с тем отличием, что неподвижные катушки заключены в сердечники из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако это приводит к увеличению погрешности прибора.

2.5 Электростатические приборы

Принцип действия приборов электростатической системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных тел. Конструктивно они выполняются в виде неподвижной и подвижной пластин к которым прикладывается измеряемое напряжение (рис.12).

Энергия электрического поля . При движении подвижной пластины емкость С между ними изменяется. Формула вращающего момента будет иметь вид

и отклонение указателя

Противодействующий момент создается спиральной пружиной (рис.12, а) или весом подвижной пластины (рис.12, б). Из уравнения (19) следует, что электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.

К достоинствам электростатических приборов относятся: большие пределы напряжений (до 1МВ); широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30Мгц). Недостатки: малая чувствительность; малая надежность; нелинейность шкалы; влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля.

Электростатические приборы выполняются в виде щитовых и переносных вольтметров и киловольтметров для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 20 Гц до 30 МГц.

2.6 Термоэлектрические приборы

Приборы с термопреобразованием предназначены для работы в цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя магнитоэлектрического милли – или микроамперметра (рис.13, а).

Преобразователь (рис.13, б) представляет собой нагреватель 1, по которому протекает измеряемый ток I , и связанную с ним термопару. Во время измерения температура места соединения нагревателя и термопары приобретают значение Т 1 , а свободные концы термопары имеют температуру окружающего пространства T 2 . Разность температур вызывает термоЭДС , где а – коэффициент пропорциональности, зависящий от материала термопары и ее конструкции. В установившемся состоянии вследствие тепловой инерции температура нагревателя T 1 постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью. Запишем такое выражение , где k – коэффициент теплоотдачи. Исключив разность температур из выражения и выражения для термоЭДС, запишем

где -- коэффициент пропорциональности; R н – сопротивление нагревателя; I – среднеквадратичное значение измеряемого тока.

Нагреватель включают последовательно в разрыв измеряемой цепи, а возникающую термоЭДС измеряют микроамперметром, работающим как милливольметр. Шкалу последнего градуируют в среднеквадратических значениях измеряемого тока.

Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные (рис.13,б) и (рис.13, в) и вакуумные (рис.13, г). В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары стеклянной или керамической бусинкой, так что между ними существует только незначительная емкостная связь. Чувствительность и бесконтактного преобразователя ниже чем у контактного. В вакуумного термопреобразователя ниже, чем у контактного. В вакуумном термопреобразователе нагреватель и термопара помещены в стеклянный баллончик.

Нагреватель представляет собой тонкую проволочку из манганина или нихрома. Термопара состоит из разнородных материалов и сплавов, устойчивых при высоких температурах.

Максимальное значение измеряемого тока определяется сечением нагревателя и составляет от единиц миллиампер до десятков ампер. При необходимости измерения токов больших значений применяют трансформаторы тока. Максимальная частота измеряемого тока зависит от сечения нагревателя и его длины и при минимальных размерах достигает сотен мегагерц.

К достоинства термоэлектрических приборов следует отнести независимость показаний от формы кривой измеряемого тока; к недостаткам – малую чувствительность; неравномерность шкалы, недопустимую перегрузку.

Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно в качестве амперметров и миллиамперметров. Термоэлектрические вольтметры применяются редко вследствии малого входного сопротивления и низкой чувствительности.

2.7 Выпрямительные приборы

Для измерения тока и в цепях повышенной частоты широко применяют выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра (рис.14, а). В качестве выпрямительных элементов используются полупроводниковые (германиевые или кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентом выпрямления

где I пр и I об – прямой и обратный токи; R пр и R об – прямое и обратное сопротивление диода.

Коэффициент выпрямления зависит от частоты и значения преобразуемой электрической величины и от температуры окружающей среды. С повышением частоты часть тока ответвляется через внутреннюю емкость диода и коэффициент выпрямления уменьшается.

Выпрямительные приборы работают по схемам одно- или двухполупериодного выпрямления (рис.14, б) ток в течении положительного полупериода проходит по измерительной ветви (открыт диод Д 1 и витки катушки миллиамперметра), в течении отрицательного полупериода – по защитной ветки (диод Д 2 и резистор R ). Обе ветви идентичны, сопротивление резистора R равно сопротивлению катушки миллиамперметра R a . Через диод Д 1 проходит пульсирующий ток i (рис.14, в), а показания миллиампертметра пропорционально постоянной составляющей тока или среднему значению I ср. Если измеряемый ток синусоидальной формы, то

В схеме с двухполупериодного выпрямления (рис.14, г) измеряемый ток в течении положительного полупериода проходит по цепи Д 1 – миллиамперметр – Д 3 , а в течении отрицательного – Д 2 – миллиамперметр – Д 4 . Показания миллиамперметра пропорционально средневыпрямленному значению переменного тока. Для синусоидального тока (рис.14, д)

Шкалу выпрямительного прибора всегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы. Значит, все оцифрованные деления шкалы умножают на коэффициент формы : . Главными источниками погрешностей выпрямительных приборов являются: погрешность градуировки миллиамперметра; емкость диодов; изменение температуры окружающей среды; выход частоты за пределы рабочего диапазона; отклонение формы кривой измеряемого тока от синусоидальной.

Для измерения больших токов применяют приборы со схемой, представленной на рис. 15, а. Здесь резисторы R являются шунтами для каждого полупериода тока. В многопредельных амперметрах набор таких шунтов помещают внутри корпуса и переключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит из миллиамперметра и добавочного резистора R д (рис.15, а). Добавочные резисторы располагаются внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключают их при изменении предела измерения.

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения. Снабженные источником постоянного напряжения, они могут использоваться для измерения электрического сопротивления.

Заключение.

В результате изучения курса «Метрологии и радиоизмерения» удалось усвоить основные принципы и методы измерений токов и напряжений с учетом их частоты и уметь выбрать наиболее подходящий для данных условий метод и средство измерения, выполнить измерение и оценить погрешность результата измерения.

Основное назначение выпрямительных приборов - измерение токов и напряжений низких (звуковых) частот, например в цепях усилителей и генераторов НЧ или в измерительных мостах переменного тока. Действие их основано на преобразовании с помощью полупроводниковых, ламповых или механических выпрямителей измеряемого переменного тока или напряжения в пропорциональный последнему постоянный ток, регистрируемый чувствительным магнитоэлектрическим измерителем, отсчёт по шкале которого производится в значениях измеряемой величины.

Преимущественно применяемый в качестве выпрямительного элемента полупроводниковый диод представляет собой полупроводник, в котором созданы две области с проводимостью различного характера: дырочной (типа p) и электронной (типа n); на границе раздела этих областей возникает тонкий запорный слой (p-n переход). Диод обладает односторонней проводимостью, которая проявляется в том, что для электрического тока Iпр, протекающего в прямом направлении (от области р к области n ), он представляет значительно меньшее сопротивление, чем для тока обратного направления Iобр.

Зависимость между напряжением, приложенным к полупроводниковому диоду, и током в его цепи характеризуется вольт-амперной характеристикой. Напомним, что при малых прямых напряжениях (до десятых долей вольта) эта зависимость примерно квадратичная (Inp ≈ k*U 2пр 2 , где k - коэффициент пропорциональности), а при повышении напряжения она приближается к линейной (Inp ≈ k*U 2пр). При обратных же напряжениях, изменяющихся в широких пределах (до десятков, а иногда и сотен вольт), обратный ток остаётся почти неизменным и весьма малым. Если к диоду приложить переменное напряжение, то в его цепи будет протекать пульсирующий ток (рис. 1, б), постоянную составляющую которого (I0) можно измерить магнитоэлектрическим измерителем. Благодаря указанным выше особенностям вольт-амперных характеристик диодов шкалы выпрямительных приборов оказываются почти равномерными, за исключением нелинейных начальных участков, протяжённость которых зависит от параметров выпрямительных элементов и измерителя, схемы их включения и предела измерений.

Выпрямительный прибор рассчитывают таким образом, чтобы в предельных режимах работы для каждого применённого в нем полупроводникового диода среднее значение I0 выпрямленного тока не превосходило 50-70% максимально допустимого (по паспортным данным) значения Iпр.макс, а обратное напряжение на нём Uобр не превышало 50-70% максимального допустимого значения Uобр.макс. При Uобр > Uобр.макс может произойти необратимый пробой p-n перехода, в результате которого его сопротивление для тока обратного направления резко уменьшится.

Выпрямительные приборы обычно имеют класс точности не выше 2,5. Это объясняется тем, что различные экземпляры полупроводниковых диодов недостаточно однородны по своим характеристикам и параметрам, которые к тому же со временем несколько изменяются. Поэтому расчёт выпрямительного прибора может быть произведён лишь приближённо, в процессе его наладки возникает необходимость в подборе диодов и подгонке электрических номиналов других элементов схемы. Градуировочная характеристика прибора должна систематически проверяться и корректироваться, особенно при замене выпрямительных элементов. Вследствие зависимости прямого и обратного сопротивлений диодов от температуры приборы имеют заметную температурную погрешность, достигающую 3-4% на каждые 10 К отклонения температуры от 20° С. Способами температурной компенсации и теплоизоляции удаётся получить диапазон рабочих температур от -30 до +(40-50)° С.

В большинстве выпрямительных приборов применяют точечные германиевые диоды, которые способны выдерживать обратные напряжения до 30-150 В. Они имеют площадь точечного контакта примерно 0,0001 мм 2 , поэтому собственная ёмкость диодов в основном определяется ёмкостью между выводами, которая не превышает 2 пФ. Точечные диоды удовлетворительно работают на частотах до 100-150 МГц и потому верхняя граница рабочего диапазона частот выпрямительного прибора практически определяется зависимостью от частоты реактивных параметров других элементов схемы - входной цепи, шунтов, добавочных резисторов и т. д. С целью облегчения требований к схеме, конструкции и деталям прибора верхнюю граничную рабочую частоту обычно берут в пределах 10-20 кГц.

Вольт-амперные характеристики германиевых диодов имеют сравнительно широкий нелинейный участок (примерно до Uпр = 0,5 В). В меньшей степени этот недостаток проявляется у диодов серий Д2 и Д9.

Кремниевые диоды в выпрямительных приборах используются редко, так как их внутреннее сопротивление для тока прямого направления значительно больше, чем у германиевых диодов. Некоторое применение имеют ламповые диоды, которые характеризуются устойчивостью параметров и отсутствием обратного тока. Однако они требуют питания цепи накала и компенсации начального анодного тока.

Измерительные блоки выпрямительных приборов

Специфичной частью любого выпрямительного прибора является его измерительный блок (ИБ). Сопротивление последнего чаще всего желательно иметь малым для токов обоих направлений. ИБУ удовлетворяющие этому условию, могут быть основаны на одно- или двухполупериодной схеме выпрямления.

На рис. 1 представлены однополупериодная схема ИБ и примерный график протекающего через его измерительный механизм И выпрямленного тока iи для случая измерения синусоидального тока (при условии пренебрежения обратным током диодов). Полупроводниковый диод Д1 пропускает через измеритель И лишь одну полуволну измеряемого переменного тока; полуволна тока обратного направления, для которой сопротивление диода Д1 очень велико, проходит через диод Д2. Так как подвижная система измерителя имеет значительную инерцию, то при частотах от 20 Гц и выше стрелка не успевает следовать за пульсациями тока iи и показывает его среднее значение I0.

Рис. 1. Однополупериодная схема (а) измерительного блока выпрямительного прибора и график (б) изменения выпрямленного тока

С целью выравнивания сопротивления ИБ для токов обоих направлений последовательно с диодом Д2 включают резистор R, сопротивление которого берут равным сопротивлению измерителя Rи.

Параллельно измерителю иногда присоединяют конденсатор С ёмкостью 0,1- 1 мкФ, который ослабляет вибрацию стрелки измерителя и тем самым понижает нижнюю границу частотного диапазона выпрямительного прибора.

Рис. 2. Двухполупериодная схема (а) измерительного блока выпрямительного прибора и график (б) изменения выпрямленного тока

Достоинством однополупериодной схемы является то, что почти все напряжение, приложенное к ИБ, падает на диоде Д1; вследствие этого диод уже при сравнительно малых входных напряжениях работает в режиме линейного детектирования и шкала прибора получается в большей своей части линейной. Недостатком схемы является сравнительно низкая её чувствительность по току. При измерении синусоидального тока со среднеквадратическим значением I средневыпрямленное значение тока, отклоняющее стрелку измерителя, I0 ≈ 0,45*I; поэтому при токе полного отклонения измерителя Iи

предельное среднеквадратическое значение измеряемого ИБ переменного тока

Iи.б ≈ Iи/0,45 = 2,22 Iи.

Более высокая чувствительность по току может быть получена при использовании двухполупериодной схемы выпрямления (рис. 2), в которой измеритель И включён в диагональ моста, образованного четырьмя диодами. Пути протекания измеряемого переменного тока ix в течение обоих его полупериодов показаны на рис. 2, а стрелками, соответственно штриховыми и сплошными. Одну половину периода ток проходит через диоды Д1 и Д3, а другую через диоды Д2 и Д4. Через измеритель ток идёт оба полупериода в одном и том же направлении. При работе в режиме линейного детектирования постоянная составляющая выпрямленного тока I0 ≈ 0,9*I, а предельное среднеквадратическое значение измеряемого синусоидального тока

Iи.б ≈ Iи/0,9 =1,11*Iи.

Недостатком данной схемы по сравнению с однополупериодной является расширение нелинейного участка шкалы вследствие того, что на каждом диоде падает менее половины приложенного к ИБ напряжения. С учётом этого обстоятельства практически оказывается Iи.б = (1,2...1,3)*Iи.

Таким образом, чувствительность ИБ по току зависит главным образом от схемы включения и параметров входящего в его состав магнитоэлектрического измерителя и может достигать высоких значений (примерно 60-100 мкА). При измерителе с током полного отклонения Iи до 100-200 мкА и соответствующем подборе диодов можно получить примерно квадратичную градуировочную характеристику ИБ по току. Примерно линейная градуировочная характеристика достигается при выборе измерителя пониженной чувствительности, что ведёт к повышению наименьшего предельного значения измеряемого тока Iи.б. Отсчёт по шкалам таких приборов обычно производится в среднеквадратических значениях I синусоидального тока, тогда как отклонение стрелки определяется средним значением I0 выпрямленного тока. Связь между ними выражается коэффициентом формы кривой: Kф = I/I0 = 1,11 (при двухполупериодном линейном выпрямлении синусоидального тока). Если форма кривой измеряемого тока отличается от синусоиды или заметно проявляется нелинейность вольт-амперных характеристик диодов, то возникает дополнительная погрешность, пропорциональная изменению коэффициента Kф.

Падение напряжения Uи.б на ИБ, необходимое для отклонения стрелки измерителя на всю шкалу, складывается из падений напряжений на диодах, включённых последовательно, и магнитоэлектрическом измерителе И и достигает 0,25-1,5 В. Для его уменьшения желательно применять диоды с возможно меньшим сопротивлением прямому току и низкоомные измерители.

Вследствие нелинейного характера сопротивлений диодов сопротивление ИБ зависит от значения измеряемого им тока. Для определённости внутреннее сопротивление ИБ принято характеризовать номинальным значением:

Rи.б = Uи.б/Iи.б,

при предельных условиях измерений. Значения Uи.б и Iи.б могут быть определены опытным путём по схеме, аналогичной приведённой на рис. 2, при включении ИБ вместо измерителя И и использовании источника и опорных приборов (миллиамперметра и вольтметра) переменного тока.

Выпрямительные миллиамперметры и амперметры

Для расширения верхнего предела измерений по току до требуемого значения: Iп = N/Iи.б, параллельно измерительному блоку (ИБ) (рис. 2) включают шунт сопротивлением

Rш = Rи.б/(N-1).

С изменением тока сопротивление ИБ меняется, тогда как сопротивление шунта остаётся практически неизменным, а это приводит к зависимости отношения токов в цепях ИБ и шунта от значения измеряемого тока. В результате шкалу ИБ, выполненную при отсутствии шунта, не всегда удаётся использовать (с помощью кратного множителя N) при работе с шунтом. Более того, поскольку характер указанной выше зависимости становится несколько иным при различных сопротивлениях шунта, то многопредельный выпрямительный миллиамперметр (амперметр) с переключаемыми шунтами на каждом пределе измерений должен иметь отдельную шкалу.

Задача использования общей шкалы (с кратными множителями к ней) на различных пределах может быть решена двумя способами.

Рис. 3. Схемы многопредельных выпрямительных миллиамперметров с переключаемыми шунтами.

Первый способ направлен к повышению стабильности сопротивления ИБ. Для этого в схему мостового типа вместо двух диодов включают постоянные резисторы сопротивлением примерно в сотни или тысячи Ом. При включении резисторов R3 и R4 по схеме на рис. 3, а общее сопротивление ИБ становится мало зависящим от тока в его цепи и внешней температуры, но начальный нелинейный участок Шкалы заметно расширяется. При включении этих резисторов по схеме на рис. 3, б и выборе сопротивлений R3 = R4 = r/2 0,5 (где r - прямое сопротивление диода) удаётся несколько повысить напряжение на диодах, что улучшает линейность шкалы. Применение схем обоих вариантов заметно понижает чувствительность ИБ по сравнению с исходной схемой (рис. 2, а).

При втором способе отсчёт по общей шкале на различных пределах измерения переменного тока обеспечивается с помощью универсального шунта (рис. 4), при большом сопротивлении которого удаётся сохранить на исходном пределе высокую чувствительность собственно ИБ. Недостатком схемы является то, что при увеличении предельного значения измеряемого тока заметно возрастает падение напряжения на приборе, которое может достигать нескольких вольт; это ограничивает возможности применения амперметров с универсальными шунтами для измерений в низковольтных цепях, например в цепях накала радиоламп. Измерение больших токов при малом падении напряжения на приборе можно обеспечить при использовании измерительных трансформаторов тока, находящих применение в некоторых приборах промышленного изготовления.

Для уменьшения температурной погрешности параллельно ИБ иногда включают дополнительный шунт, как это показано штриховой линией на рис. 4. Один из резисторов шунта (R4) изготовляют из медной проволоки, которая имеет положительный температурный коэффициент, а второй (R5) - из манганиновой проволоки с высокостабильным сопротивлением. При повышении температуры сопротивление шунта увеличивается; это приводит к возрастанию выпрямленного тока, компенсирующего в некотором интервале температур понижение коэффициента выпрямления. Для получения эффективной температурной компенсации общее сопротивление дополнительного шунта не должно превышать сопротивление Rи.б более чем в 3-5 раз, что приводит к заметному понижению чувствительности ИБ.

Рис. 4. Схема многопредельного выпрямительного миллиамперметра с универсальным шунтом.

С целью снижения частотной погрешности резисторы дополнительного шунта выполняют (полностью или частично) в виде катушек. При повышении частоты измеряемого тока индуктивное сопротивление такого шунта возрастает, что увеличивает долю тока, протекающего через ИБ, и тем самым в некоторой степени компенсирует шунтирующее влияние собственной ёмкости запорного слоя диодов.

Если прибор предназначен для измерения переменной составляющей пульсирующего тока, то последовательно с ИБ включают конденсатор С ёмкостью от сотых долей до единиц микрофарад (в зависимости от частоты тока).

Расчёт многопредельных выпрямительных миллиамперметров и амперметров, работающих в области низких (звуковых) частот, производится теми же способами, что и многопредельных магнитоэлектрических приборов; при этом в расчётные формулы вместо данных магнитоэлектрического измерителя Iи, Rи и Uи следует подставлять соответственные параметры ИБ: Iи.б, Rи.б и Uи.б (с учётом влияния элементов температурной и частотной компенсации).

Рис. 5. Схема многопредельного высокочастотного выпрямительного миллиамперметра.

В высокочастотных выпрямительных миллиамперметрах применение резисторов нежелательно из-за заметной зависимости их параметров от частоты тока. Измерительные блоки этих приборов собираются на точечных германиевых диодах по однополупериодной схеме (рис. 1) или по двухполупериодной схеме (рис. 5), два плеча которой образуют конденсаторы С3 и С4. Пределы измерений по току расширяют посредством ёмкостных шунтов. Диапазон рабочих частот таких приборов зависит от параметров диодов, ёмкостей конденсаторов и предельного значения тока; его верхняя граница при токах 10-20 мА может достигать 100-300 МГц, а при токе 100 мкА снижается до 10-20 МГц.

Задача 1. Проверить правильность приближённого расчёта многопредельного выпрямительного миллиамперметра, выполненного по схеме на рис. 4 (без элементов температурной компенсации) на основе следующих данных: пределы измерений (в среднеквадратических значениях) 1, 10 и 100 мА; измеритель типа М49 с током Iи = 0,3 мА и сопротивлением Rи - 350 Ом; напряжение полного отклонения (Uи.б = 0,27 В. Результаты расчёта приведены на схеме.

Задача 2. Какие сопротивления должны иметь резисторы универсального шунта схемы миллиамперметра (рис. 4) при включении элементов температурной и частотной компенсации R4 = 2 кОм и R5 = 1 кОм?

Ответ: R1 = 4,6 Ом; R2 = 41,4 Ом; R3 = 414 Ом.

Выпрямительные вольтметры

В зависимости от схемы и режима работы вольтметры переменного тока дают показания, пропорциональные амплитудному (пиковому) Uм, среднеквадратическому U или средневыпрямленному U0 значению измеряемого напряжения (при симметричной форме последнего). Однако независимо от принципа действия отсчёт по шкалам большей части вольтметров производится в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Тогда при измерении несинусоидальных напряжений отсчёт по шкалам вольтметров амплитудных и средневыпрямленных значений оказывается несправедливым, но их показания могут быть преобразованы в правильные амплитудные или средневыпрямленные значения соответственно, при условии умножения для первых - на коэффициент 1,41, а для вторых - на коэффициент 0,45 (при однополупериодном выпрямлении) или 0,9 (при двухполупериодном выпрямлении).

Рис. 6. Схема простейшего выпрямительного вольтметра.

Простейший вольтметр средневыпрямленных значений, схема которого приведена на рис. 6, содержит последовательно соединённые полупроводниковый диод Д, магнитоэлектрический измеритель И, добавочный резистор Rд. Если Rд >> r, где r - прямое сопротивление диода, то в положительный полупериод входного напряжения их зависимость между током и входным напряжением окажется практически линейной и показания измерителя будут определяться средним значением I0 выпрямленного тока (рис 1, б), пропорциональным среднему значению U0 одной полуволны измеряемого напряжения их за период. Необходимое сопротивление резистора Rд находится в зависимости от предельного среднеквадратического значения Uп измеряемого синусоидального напряжения и параметров измерителя И по формуле

Rд ≈ 0,45(Uп/Iи)-Rи.

Недостатком вольтметра является непостоянство его входного сопротивления, которое приближается к значению Rд + Rи в положительный полупериод измеряемого напряжения и многократно возрастает в отрицательный полупериод. Для увеличения входного сопротивления и улучшения линейности шкалы сопротивление Rд желательно иметь возможно большим. Этого можно достигнуть как выбором измерителя И высокой чувствительности, так и повышением предельного значения Uп измеряемых напряжений. Последнее, однако, не должно превышать максимально допустимого для диода напряжения Uобр.макс; это объясняется опасностью пробоя диода в отрицательный полупериод напряжения их, когда его сопротивление очень велико и значительная доля входного напряжения оказывается приложенной к диоду.

Рис. 7. Схемы выпрямительных вольтметров средневыпрямленного значения

Рассматриваемый вольтметр имеет открытую схему входа, не защищающую его от воздействия постоянных напряжений, поэтому он пригоден для измерения лишь чисто переменных напряжений. Если же входное напряжение их окажется пульсирующим, то результаты измерений будут неопределёнными и различными при разной полярности подключения вольтметра к исследуемой цепи.

Указанные недостатки в значительной мере устраняются, если измерительный блок вольтметра выполнить на основе принципов, рассмотренных в разделе . Две основные схемы таких вольтметров приведены на рис. 7. Их входное сопротивление примерно одинаково для токов обоих направлений, причём большая часть приложенного к вольтметру напряжения в течение всего периода падает на добавочном резисторе Rд, что устраняет опасность пробоя диодов даже при многократной случайной перегрузке прибора.

Для получения требуемого верхнего предела измерений Uп последовательно с измерительным блоком, характеризуемым током полного отклонения Iи.б и номинальным сопротивлением Rи.б, включают добавочный резистор сопротивлением

Rд = Uп/Iи.б - Rи.б.

В многопредельных вольтметрах применяют несколько переключаемых добавочных резисторов различных номиналов (рис. 7, б). Реактивные параметры резисторов ограничивают верхний предел рабочего диапазона частот. Для уменьшения частотной погрешности добавочные резисторы должны быть безындукционными, например непроволочными или с бифилярной намоткой. С той же целью параллельно части добавочного резистора иногда включают конденсатор С (рис. 7, а), необходимую ёмкость которого подбирают опытным путём. С повышением частоты происходит уменьшение общего сопротивления шунтированного участка, что компенсирует в некотором диапазоне частот возрастание полного сопротивления добавочного резистора, а также шунтирующее действие собственных ёмкостей выпрямительных элементов. При необходимости измерения переменной составляющей пульсирующего напряжения вольтметр подключают к исследуемой цепи через конденсатор, ёмкость которого (порядка микрофарад) берётся тем большей, чем ниже частота пульсаций.

На низковольтных пределах из-за уменьшения сопротивления Rд расширяется нелинейный участок шкалы вольтметра, что ведёт к возрастанию погрешности измерений в случае использования общей для всех пределов шкалы. Линейность шкалы улучшается при выполнении ИБ по схемам, приведённым на рис. 3.

Полезно отметить, что при одинаковых пределах измерений Uп и однотипных измерителях постоянного тока входное сопротивление вольтметра средневыпрямленного значения

Rв =Rд + Rи.б = Uп/Iи.б

на 10-60% меньше, а погрешность измерений примерно в два раза выше, чем у магнитоэлектрического вольтметра.

Два основных варианта схем амплитудных выпрямительных вольтметров представлены на рис. 8, а и б. Предположим, что правая часть этих схем между зажимами 1 и 2 отключена, а обратное сопротивление диода Д1 бесконечно велико. Тогда напряжение на конденсаторе С быстро достигнет амплитудного значения Uм в результате его заряда в положительные полупериоды напряжения их через малое прямое сопротивление диода Д1. По окончании заряда ток в цепи исчезнет, так как напряжение на конденсаторе будет задавать отрицательный потенциал на анод диода (На приводимых схемах в случае необходимости в скобках указана полярность потенциалов на обкладках конденсаторов).

Рис. 8. Схемы амплитудных выпрямительных вольтметров

Если параллельно конденсатору С (рис. 8, а) или диоду Д1 (рис. 8, б) включить вольтметр постоянного тока с бесконечно большим входным сопротивлением (например, электростатический вольтметр), то он измерит постоянное напряжение между зажимами 1 и 2, равное в обеих схемах Uм. Однако из-за отсутствия у конденсатора С разрядной цепи прибор не будет реагировать в дальнейшем на уменьшение в процессе измерений амплитуды Uм. Если же к зажимам 1 и 2 подключить высокоомный вольтметр постоянного тока (как это показано на схемах рис. 8), состоящий из чувствительного измерителя И и добавочного резистора Rд, то напряжение Uс на конденсаторе станет пульсирующим. Из графика временной зависимости напряжений Uх и Uс, приведённого на рис. 9, видно, что в течение небольшой части положительного полупериода Uх, когда мгновенные значения Uх превышают Uс, конденсатор заряжается через диод Д1. В течение остальной части периода, когда суммарное напряжение Uс + Uх отрицательно и запирает диод, происходит медленный разряд конденсатора через цепь вольтметра постоянного тока. Если сопротивление Rд велико, то постоянная составляющая напряжения на конденсаторе, измеряемая вольтметром, будет близка к амплитуде Uм положительной полуволны напряжения их. При этом наличие у конденсатора разрядной цепи позволит вольтметру достаточно быстро реагировать как на увеличение, так и на уменьшение амплитуды Uм, отсчёт которой может производиться по равномерной шкале измерителя И. (Процесс изменения напряжения Uс от значения, близкого к Uм1, к значению Uм2 < Uм1 показан на графике рис. 9.) Для измерения амплитуд обеих полуволн при несимметричной форме входного напряжения следует изменять полярность подключения вольтметра к исследуемой цепи. Приближенный расчёт требуемого сопротивления Rд производится по формуле (3), подразумевая под Uп предельную амплитуду измеряемого напряжения.

Рис. 9. График изменения напряжений Uх и Uс.

Вольтметры, собранные по схеме на рис. 8, а, имеют открытый вход и потому непригодны для измерения амплитуд переменных составляющих пульсирующих напряжений. Для измерения последних должны использоваться вольтметры с закрытым входом (рис. 8, б), в которых конденсатор С благодаря отсутствию шунтирующей цепи действует как разделительный, устраняя влияние на показания вольтметра постоянных напряжений. Ёмкостное сопротивление конденсатора в целях уменьшения падения на нем переменного напряжения должно быть значительно меньше сопротивления Rд. Если ограничить минимальную рабочую частоту вольтметра значением 30 Гц, то для того чтобы сопротивление конденсатора (в мегомах) не превышало 0,1Rд, выбор ёмкости (в микрофарадах) следует производить по формуле

С >= 0,05Rд.

Например, при Rд = 1 МОм необходима ёмкость С >= 0,05 мкФ. Следует, однако, учитывать, что при большой ёмкости С из-за увеличения габаритов конденсатора возрастает ёмкость между его корпусом и «землёй», шунтирующая вход. Поэтому в некоторых вольтметрах для обеспечения широкого диапазона рабочих частот применяют несколько сменных конденсаторов С.

Работа рассмотренных схем вольтметров принципиально не изменится, если измеритель И включить последовательно с диодом Д1 (рис. 8, в). В этом случае отклонение стрелки измерителя будет происходить под воздействием постоянной составляющей зарядного тока, равной постоянной составляющей разрядного тока и пропорциональной амплитуде Uм.

При наличии в вольтметре лампового диода (рис. 8, а) в цепи измерителя И при замкнутых входных зажимах (Uх = 0) будет протекать небольшой начальный ток, обусловленный тем, что часть электронов, испускаемых катодом диода Д1, имеет начальную скорость, достаточную для достижения анода при нулевом или даже небольшом отрицательном напряжении на нем. Для компенсации этого тока обычно используют второй диод (Д2), включаемый так, чтобы его начальный ток протекал через измерителе, в направлении, обратном начальному току диода Д1. Точная установка электрического нуля измерителя производится перед началом измерений с помощью регулируемого резистора R1, необходимое сопротивление которого близко к Rд.

Входное сопротивление амплитудных вольтметров в течение большей части периода измеряемого напряжения очень велико, однако оно резко уменьшается в промежутки времени, когда происходит заряд конденсатора С. В области низких частот среднее за период значение входного сопротивления Rв = Rд/2 (рис. 8, а) или Rв = Rд/3 (рис. 8, б и в). С повышением частоты входное сопротивление уменьшается вследствие возрастания потерь в диэлектриках измерительной цепи. При достаточно большом сопротивлении резистора Rд показания вольтметров мало зависят от параметров применённых диодов, что уменьшает температурную погрешность измерений.

Благодаря включению высокоомных элементов активного сопротивления, определяющих пределы измерений, в цепь выпрямленного тока амплитудные выпрямительные вольтметры пригодны для измерений и на высоких частотах в пределах частотной применимости используемых типов диодов. Характерная для них цепочка из конденсатора С и высокочастотного диода Д1 (рис. 8) является элементом схем входных детекторов электронных вольтметров типа «детектор - усилитель».

Рис. 10. Схема высокочастотного амплитудного выпрямительного вольтметра

Следует учитывать, что при подключении амплитудного вольтметра к источнику измеряемого напряжения, в особенности если последнее велико или носит импульсный характер, возможно повреждение точечного диода большим начальным зарядным током входного конденсатора. В импульсных вольтметрах (предназначенных для измерения амплитуд кратковременных импульсных напряжений) это ведёт к необходимости уменьшения ёмкости конденсатора С до тысяч пикофарад, в результате чего повышается нижняя граница рабочего диапазона частот.

На рис. 10 приведена мостовая схема высокочастотного амплитудного вольтметра. Сопротивление его индикаторной цепи Rд + Rи берётся в десятки раз большим (в пределах рабочих частот) прямого сопротивления диодов Д1, Д2 и ёмкостного сопротивления конденсаторов С1 и С2. Чередующиеся полупериоды входного напряжения их вызывают поочерёдно кратковременное отпирание диода Д1 и заряд конденсатора С1, а затем кратковременное отпирание диода Д2 и заряд конденсатора С2. Напряжения на конденсаторах С1 и С2 действуют последовательно и согласно относительно индикаторной цепи, через которую эти конденсаторы в течение большей части периода напряжения их медленно разряжаются. Напряжение на концах индикаторной диагонали близко к удвоенной амплитуде 2Uм, т. е. в схеме происходит удвоение напряжения, что расширяет возможности измерения вольтметром малых переменных напряжений. Изменение пределов измерений может осуществляться с помощью группы переключаемых добавочных резисторов Rд различных номиналов. Параметрами, определяющими влияние таких приборов на исследуемые цепи, являются их входное активное сопротивление и входная ёмкость, которые в области высоких частот оказываются равными единицам килоом и пикофарад соответственно. Рассмотренная схема реализована, в частности, в широкополосном вольтметре типа В3-15, работающем в диапазоне частот от 50 Гц до 300 МГц.

В амплитудных вольтметрах обратное напряжение, приложенное к диодам, в отдельные моменты времени достигает двойной амплитуды измеряемого напряжения 2Uм. Поэтому наиболее высоковольтный предел измерений вольтметра не должен превосходить в амплитудных значениях 0,5Uобр. макс или в среднеквадратических значениях 0,35Uобр.макс. Для повышения расчётного значения напряжения Uобр.макс соединяют последовательно несколько однотипных диодов, каждый из которых шунтируется резистором с сопротивлением примерно в сотни килоом (с целью выравнивания обратных напряжений на диодах).

Во многих случаях измерительной практики желательно иметь квадратичные вольтметры, показания которых в среднеквадратических значениях измеряемого напряжения не зависят от формы последнего. Такие вольтметры являются единственно пригодными для измерения напряжений сложной формы и шумовых сигналов.

Преимущественное применение находят квадратичные вольтметры на диодных цепочках, которые могут иметь широкие пределы измерений при сравнительно небольшой погрешности. На рис. 11, а приведена упрощённая схема измерительного блока электронного вольтметра типа В3-6 (МВЛ-6). Измеряемое напряжение их через широкополосный трансформатор Тр, имеющий равномерную амплитудно-частотную характеристику во всем рабочем диапазоне частот, подводится к линейному двухполупериодному выпрямителю на точечных диодах Д1 и Д2, который преобразует его в пульсирующее напряжение U, повторяющее по форме колебания обеих полуволн напряжения Ux; благодаря последнему показания прибора будут верны и при несимметричной форме Ux. Напряжение U, снимаемое с нагрузочного резистора R1, воздействует на вход диодной цепочки, последовательно с которой включён магнитоэлектрический измеритель И, зашунтированный от переменных составляющих выпрямленного тока конденсатором С большой ёмкости.

Диодная цепочка состоит из группы точечных кремниевых диодов Д3-Д6 с большим обратным сопротивлением, включённых между средними отводами двухрезисторных делителей напряжения R3 и R4, R5 и R6 и т. д. Со стороны выхода к цепочке подводится строго стабилизированное напряжение Uд, регулируемое при калибровке прибора потенциометром R12. Сопротивления каждой пары резисторов делителей напряжения подбирают такими, чтобы при отсутствии измеряемого напряжения (Ux = U = 0) потенциал их точек отвода, равный падению напряжения на нижних (по чертежу) резисторах, последовательно возрастал слева направо, т. е. чтобы получить U4 > U3 > U2 > U1 > U0 = 0. Тогда под действием разностей потенциалов U1 - U0, U2 - U1, U3 - U2, U4 - U3 все диоды Д3-Д6 окажутся закрытыми.

Рис. 11. Схема и вольт-амперная характеристика квадратичного вольтметра на диодной цепочке.

При воздействии на прибор измеряемого напряжения их потенциал U0 левой точки диода Д3 станет равным и. Если U < U1, то диод Д3 останется закрытым и ток i в цепи измерителя будет ограничиваться большим сопротивлением резистора R2. При этом зависимость между током i и напряжением и будет определять начальный пологий участок 0-1 общей вольт-амперной характеристики диодной цепочки (рис. 11, б). Если же U1 <= u < U2, то откроется диод Д3 и резистор R4 окажется фактически включённым параллельно резистору R2; уменьшение сопротивления в цепи измерителя увеличит скорость нарастания тока i с ростом напряжения и (участок 1-2 характеристики). При U2 <= u < U3 оказываются одновременно открытыми диоды ДЗ и Д4 и параллельное включение резисторов R2, R4 и R6 ещё больше повысит крутизну нарастания тока i (участок 2-3). При правильном расчёте элементов схемы линейные отрезки 0-1, 1-2, 2-3 и т. д. образуют ломаную кривую, сходную с полупараболой, и зависимость между током в цепи измерителя и входным напряжением становится близкой к квадратичной: i ≈ k*u 2 , где k - коэффициент пропорциональности. При этом постоянная составляющая I выпрямленного тока, регистрируемая измерителем И, оказывается пропорциональной квадрату среднеквадратического значения U измеряемого напряжения: I ≈ k*U 2 . Чем больше ячеек содержит диодная цепочка, тем ближе ломаная кривая характеристики к полупараболе и тем точнее результаты измерений; практически в диодную цепочку включают до восьми ячеек.

Регулировка и градуировка выпрямительных вольтметров обычно производится на переменном токе частоты 50 Гц при включении прибора по схеме, приведённой на рис. 8. При наличии низкочастотного измерительного генератора желательно снять амплитудно-частотную характеристику вольтметра, т. е. зависимость его показаний от частоты при постоянном значении входного (измеряемого) напряжения.

Измерители выхода

При испытаниях радиоприёмников и усилителей низкой частоты для измерения их выходного напряжения применяют специальные многопредельные выпрямительные вольтметры - измерители выхода. Особенностью этих приборов является примерно одинаковое входное сопротивление на всех пределах измерений; благодаря этому при изменении пределов измерений сохраняется постоянная нагрузка на выходных зажимах испытуемого устройства.

Схема трёхпредельного измерителя выхода приведена на рис. 12. Включённый последовательно с магнитоэлектрическим измерителем И манганиновый резистор R повышает температурную стабильность сопротивления индикаторной цепи. При параметрах измерительного блока Iи.б, Rи.б и выбранных значениях входного сопротивления Rв и самого низковольтного предела измерений Uп1 необходимое сопротивление добавочного резистора

Rд1 = Uп1/Iи.б - Rи.б

должно удовлетворять условию: Rд1 >= Rв - Rи.б; это достигается прежде всего подбором измерителя И достаточной чувствительности. Если указанное условие

удовлетворяется со знаком равенства, то шунта Rш1 не требуется; в противном случае необходим шунт сопротивлением

Rш1 = Rв(RД1 + Rи.б)/(Rд1 + Rи.б - Rв).

При переходе на более высоковольтные пределы: Uп2 = N1/Uп1 и Uп3 = N2*Uп2, измеряемые напряжения подводятся к исходной схеме через делители напряжения, сопротивления которых, выбранные по формулам:

Rд2 = Rв(N1-1)/N1; Rш2 = Rв/(N1-1);

Rд3 = Rв(N1N2-1)/(N1N2); Rш3 = Rв/(N1N2 - 1).

обеспечивают одновременно сохранение входного сопротивления Rв и получение требуемого предела измерений. При этом вольтметр может иметь общую шкалу для всех кратных пределов, поскольку сопротивление цепи, к которой подключён измерительный блок прибора, при переключении пределов измерений изменяется незначительно (при условии малого по сравнению с Rв сопротивления исследуемой цепи).

Рис. 12. Схема измерителя выхода

Входное сопротивление вольтметра Rв выбирают обычно 20 кОм, что примерно равно сопротивлению одной пары высокоомных телефонов на частоте 1 кГц. При этом наименьшие пределы измерений, которые удаётся получить с измерителями на 100 и 50 мкА, соответственно равны 3 и 1,5 В.

В некоторых приборах промышленного изготовления (например, типа В3-10А) с целью получения предела измерений 0,3 В (желательного для контроля внутренних шумов приёмников) применяют входной транзисторный усилитель. Он работает по схеме эмиттерного повторителя, которая обеспечивает номинальное входное сопротивление.

Задача 3. Проверить расчёт схемы измерителя выхода (рис. 12), проведённый по следующим исходным данным: пределы измерений 1,5; 15 и 150 В; измеритель типа М494 (Iи = 50 мкА, Rи = 2300 Ом); сопротивление резистора температурной компенсации R = 1500 Ом; диоды типа Д2Е имеют прямое сопротивление r ≈ 1100 Ом. Результаты расчёта приведены на схеме.

Указание. При выбранных элементах измерительного блока ток Iи.б ≈ 1,25Iи, а Rи.б ≈ 2r + Rи + R.

Измерение уровня передачи

Для оценки эффективности передачи сигналов по линиям связи, через усилительные и переходные устройства часто пользуются понятием уровня передачи (усиления, ослабления).

Уровень передачи определяет значение сигнала в относительных логарифмических единицах - децибелах , посредством которых напряжение U2 или мощность Р2 измеряемого сигнала сравнивается с некоторым исходным значением. Если в качестве исходных величин выбраны напряжение U0 = 0,775 В или мощность Р0 = 1 мВт (которая действует на элементе с сопротивлением R0 = 600 Ом при напряжении на нем U0 = 0,775 В), то соответствующие уровни передачи называются абсолютными. Различают абсолютный уровень передачи по напряжению

Aн = 20*Lg(U2/U0) = 20lg(U2/0,775)

и абсолютный уровень передачи по мощности

Aм = 10*Lg(Р2/Р0) = 10*Lg(Р2/0,001).

Например, напряжению U2 = 3 В и мощности Р2 = 1 Вт соответствуют абсолютные уровни передачи Aн ≈ 12 дБ и Aм = 30 дБ. При напряжении (мощности) сигнала, меньшем исходного значения, абсолютный уровень передачи будет отрицательным. Например, при U2 = 0,5 В получаем Aн ≈ -3,8 дБ.

Если в качестве исходных величин выбраны напряжение U1 или мощность Р1, действующие в каком-либо сечении цепи, то соответствующие уровни передачи называются относительными и определяются формулами:

αн = 20*Lg(U2t/U1); αм = 10*Lg(Р2/Р1).

Если индексы «2» и «1» относятся соответственно к выходу и входу цепи (установки), то величины αн и αм при их положительных значениях определяют уровень усиления сигнала по напряжению или мощности, а при их отрицательных значениях - уровень ослабления (затухания) сигнала. Например, если на входе усилителя действует напряжение U1 - 20 мВ, а напряжение на выходе U2 = 40 В, то уровень усиления сигнала по напряжению αн ≈ 20*3,3 = 66 дБ.

В некоторых вольтметрах переменного тока предусматривают возможность непосредственного измерения абсолютных уровней передачи по напряжению. Для этого используется один из низковольтных пределов измерения переменного напряжения, например, 5 В, шкала которого дополняется числами отсчёта в децибелах. Нуль шкалы децибел (Aн = 0) совпадает с точкой шкалы вольтметра U0 = 0,775 В; предельному напряжению Uп = 5 В соответствует уровень Ан = 16,2 дБ. Другой крайней точкой шкалы децибел можно выбрать уровень Ан = -10 дБ при U = 0,245 В. Шкала децибел получается весьма неравномерной, и погрешность отсчёта по ней увеличивается с возрастанием отклонения исследуемой величины от исходного значения шкалы.

Если измеряемый уровень передачи Ан > 16 дБ, то для его определения (с пониженной точностью) может быть использован более высоковольтный предел вольтметра с предельным значением Uп > 5 В. В этом случае к отсчёту по шкале децибел нужно добавлять постоянную величину

ΔAн = 20*Lg(Uп/5).

Например, при измерении на пределе с Uп = 20 В получаем ΔAп = 20*Lg4 = 12 дБ.

Если измерение уровня Aн производится на нагрузке с известным сопротивлением R, то можно рассчитать абсолютный уровень передачи по мощности:

Aм = Aн - 10Lg(R/600).

Результаты измерения и расчёта будут правильны лишь в том случае, если на выбранном пределе измерений входное сопротивление вольтметра Rв >> R. В частном случае, если R = 600 Ом, то Aм = Aн.

Относительный уровень передачи (усиления, ослабления) между любыми двумя сечениями цепи 1 и 2 можно определить как разность абсолютных уровней в каждом из этих сечений:

αн = Aн2 - Aн1; αм = Aм2 - Aм1;

Логарифмические вольтметры и индикаторы

Логарифмические вольтметры и индикаторы представляют собой однопредельные приборы, позволяющие оперативно измерять или контролировать уровни напряжений или токов, изменяющиеся в процессе наблюдения в очень широких пределах (в десятки и сотни раз). Они находят применение при электроакустических измерениях, измерении напряжённости поля, снятии характеристик фильтров и в ряде других случаев. Эти приборы должны обладать переменной чувствительностью, высокой при слабых входных сигналах и постепенно понижающейся с возрастанием уровня сигнала. Их шкалы при производстве отсчёта в единицах измеряемого напряжения имели бы логарифмический характер, однако при выполнении отсчёта в относительных единицах - децибелах они получаются почти равномерными.

Требуемый вид градуировочной характеристики прибора обычно достигается посредством логарифмического преобразования тока в цепи измерителя, например в результате шунтирования последнего специально подобранным полупроводниковым диодом Д, включённым в пропускном направлении (рис. 13). При малых токах в общей цепи (до десятков микроампер) прямое сопротивление диода велико и его влияние не существенно; с увеличением измеряемого тока сопротивление диода уменьшается и его шунтирующее действие возрастает. При весьма больших токах диод надёжно предохраняет измеритель И от опасных для него перегрузок. Сопротивление подстроечного резистора R опытным путём (при данном конкретном диоде Д) подбирается таким, чтобы при расчётном значении измеряемого тока Iп получить отклонение стрелки измерителя И на всю шкалу.

Рис. 13. Схема логарифмизации шкалы измерителя с помощью точечного диода

Логарифмические вольтметры аналогично квадратичным вольтметрам (рис. 11) часто выполняются на диодных цепочках. Исследуемый сигнал после его выпрямления подводится к измерительному блоку через делитель напряжения, одно из плеч которого является нелинейным. Это плечо обычно состоит из ряда параллельно включённых ветвей, содержащих по резистору и точечному диоду; к последнему подводится опорное напряжение определённого значения, которое изменяется с некоторым шагом от одной ветви к другой. По мере роста измеряемого напряжения увеличивается число открытых диодов, что ведёт к уменьшению коэффициента деления напряжения. Такие вольтметры имеют динамический диапазон измерений до 50 дБ и используются при снятии частотных и других характеристик радиоцепей.

К логарифмическим индикаторам относятся S-метры, применяемые в приёмниках любительской радиосвязи для индикации настройки и измерения силы (уровня) принимаемых сигналов по условной 9-балльной шкале логарифмического типа. Простейший S-метр представляет собой встроенный в приёмник милли- или микроамперметр в цепи постоянной составляющей анодного (коллекторного) тока последнего каскада усиления ПЧ. S-метры выполняются также по схеме электронного вольтметра типа «детектор - усилитель», измеряющего напряжение на выходе усилителя ПЧ, усилителя АРУ или на нагрузке детектора. В большинстве случаев измеритель S-метра включается в диагональ мостовой или балансной схемы, которую уравновешивают при отсутствии сигнала на входе приёмника.

Логарифмический характер шкалы S-метра обусловлен действием системы АРУ приёмника, уменьшающей усиление с возрастанием уровня принимаемых сигналов.