Электромеханические измерительные приборы с преобразователем

Общие сведения. Высокая чувствительность, точность и малое потребление энергии выгодно отличают магнитоэлектрические приборы от других электромеханических приборов. Ввиду этого стремятся использовать магнитоэлектрические приборы для измерений на переменном токе. Эта задача решается путем преобразования переменного тока в постоянный с последующим его измерением с помощью магнитоэлектрического измерительного механизма. В качестве преобразователей переменного тока в постоянный используют выпрямительные и термоэлектрические преобразователи, а также преобразователи на электронных элементах (электронных лампах, транзисторах, интегральных микросхемах и т. п.). В соответствии с этим различают выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы. В данном параграфе рассматриваются выпрямительные и термоэлектрические приборы.

Выпрямительные приборы. Приборы представляют собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством. В выпрямительных преобразователях используют полупроводниковые диоды (германиевые и кремниевые). Недостатком полупроводниковых диодов как выпрямительных преобразователей является нелинейность вольт-амперной характеристики, нестабильность этой характеристики во времени и зависимость ее от температуры и частоты.

В выпрямительных приборах используют одно- и двухполупериодные схемы выпрямления. При использовании схемы однополупериодного выпрямления (рис. 6.9а) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная — пропускается через диод Д ₂ и резистор R. Цепь из диода Д ₂ и резистора R(R=R_Н) используют для выравнивания обеих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты от пробоя диода Д ₁ при обратной полуволне напряжения.

При использовании схемы двухполупериодного выпрямления выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода и, следовательно, чувствительность этих схем выше, чем однополупериодных. На рис. 6.9б показана наиболее распространенная двухполупериодная схема выпрямления – мостовая.

 

 

Рисунок 6.9

 

Выпрямительные свойства диодов характеризуют коэффициентом выпрямления , где  и  – токи, протекающие через диод в прямом и обратном направлении; и – соответственно прямое и обратное сопротивление диода. Значение  зависит от приложенного к диоду напряжения, частоты протекающего тока и температуры окружающей среды.

При использовании выпрямительного прибора в цепи переменного тока промышленной или более высокой частоты отклонение подвижной части измерительного механизма при однополупериодном выпрямлении определяется средним моментом

,

 

а при двухполупериодном выпрямлении

где – период и – средний измеряемый ток.

Угол поворота подвижной части измерительного механизма при одно- и двухполупериодном выпрямлении соответственно равен

; .

Из полученных выражений видно, что у выпрямительных приборов отклонение подвижной части пропорционально среднему измеряемому току.

При измерениях в цепях переменного тока обычно нужно знать действующий ток (напряжение). Учитывая, что действующий ток связан со средним током равенством ,где – коэффициент формы кривой тока

; . 

Таким образом, выпрямительный прибор может быть отградуирован в действующих значениях тока (напряжения) только для заданной формы кривой (для синусоиды =1,11). Если же форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от заданной, в показаниях прибора появляется погрешность, называемая погрешностью от формы кривой.

Если коэффициент формы  известен, то действующий ток несинусоидальной формы, измеренный прибором, градуирован­ным по синусоидальному току, может быть определен по формуле , где  – показание прибора.

Зависимость коэффициента выпрямления диодов от температуры, приложенного напряжения и частоты протекающего тока, а также влияние формы кривой измеряемого тока приводит к значительным погрешностям выпрямительных амперметров и вольтметров. Снижение погрешностей обычно производится путем включения дополнительных элементов в цепи приборов.

Сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма, схемы выпрямления, шунта или добавочного резистора обра­зует выпрямительный амперметр или вольтметр.

В качестве примера на рис. 6.10а приведена схема вольтметра с относительно низким пределом измерения, а на рис. 6.10б схема вольтметра с относительно большим пределом измерения. Отличием этих вольтметров являются разные величины сопротивлений добавочных резисторов, что приводит к тому, что изменение температуры окружающей среды и частоты измеряемого напряжения более сильно влияет на различные параметры выпрямителя.

Для вольтметра с небольшим пределом измерения (сопротивление добавочного резистора невелико) основным параметром, который влияет на показания вольтметра наиболее заметно, является изменение сопротивления выпрямителей под действием указанных факторов. При этом уменьшение сопротивления выпрямителя при увеличении температуры окружающей среды компенсируется увеличением добавочного резистора, который в этом случае состоит из двух резисторов R ₁ и R ₂ один из которых, например, R ₂ изготавливается из меди. Уменьшение частотной погрешности достигается включением конденсатора .

Рисунок 6.10

 

Следует отметить, что компенсация получается неполной, так как при изменении температуры изменяется также и коэффициент выпрямления. Изменение коэффициента выпрямления является основным фактором, влияющим на показания выпрямительного вольтметра с относительно большим пределом измерения (сопротивление добавочного резистора из манганина велико). Для уменьшения температурной погрешности в этом случае выпрямляющее устройство шунтируется последовательно соединенными резисторами из манганина (R ₁) и меди (R ₂). Для компенсации погрешности от изменения частоты измеряемого напряжения предусмотрена индуктивность L (рис. 6.10,б).

Выпускаемые в настоящее время выпрямительные приборы могут практически применяться только для измерения синусоидальных токов и напряжений из-за большого влияния формы кривой.

Выпрямительные приборы в большинстве случаев выполняют многопредельными и комбинированными. Этими приборами путем переключений элементов прибора с помощью переключателей можно измерять как постоянные, так и переменные токи и напряжения, а также измерять сопротивления по схеме омметра. Верхний предел измерений для выпрямительных при­боров, выпускаемых отечественной промышленностью, составляет: тока – от 3 мА до 10 А, напряжения – от 75 мВ до 600 В, сопротивления – от 0,5 кОм до 5 МОм. Из-за нелинейности вольт-амперных характеристик диодов при малых значениях переменных токов (напряжений) шкала в начальной части (0 – 15 %) неравномерная.

Основные достоинства выпрямительных приборов – высокая чувствительность, малое потребление мощности от измеряемой цепи, возможность работы на повышенных частотах. Выпрямительными приборами без частотной компенсации можно пользоваться для измерения токов и напряжений до частот 5000 – 10000 Гц, в приборах с частотной компенсацией рабочий диапазон частот расширяется до 50 кГц. Точность выпрямитель­ных приборов относительно невысока — класс точности обычно 1,5; 2,5.

Термоэлектрические приборы. Термоэлектрический прибор представляет собой соединение одного или нескольких термопреобразователей и магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством.

На рис. 6.11 показано устройство термопреобразователя, состоящего из термопары 1 и нагревателя 2. В качестве нагревате­ля используют проволоку, допускающую длительный нагрев. При пропускании тока  через нагреватель он нагревается и на свободных концах термопары возникает термо-ЭДС, которая вызывает ток через измерительный механизм. Термо-ЭДС, раз-виваемая термопреобразователем, пропорциональна количеству теплоты, вы-деленной измеряемым током в нагревателе. Количество теплоты пропорционально квадрату действующего значения измеряемого тока . Ток в цепи измерительного механизма , где –термо-ЭДС;  – сопротивление цепи катушки измерительного механизма. Таким образом, показания термоэлектрического прибора пропорциональны квадрату действующего значения измеряемого тока. Однако квадратичный характер шкала имеет только в начальной части, при увеличении тепловых потерь нагревателя вследствие возрастания тока он исчезает.

 

Рисунок 6.11

 

Теплота, выделяемая током в нагревателе, в очень широких пределах не зависит от частоты, поэтому термоэлектрическими приборами можно пользоваться и на постоянном токе и на пе­ременном, включая радиочастоты.

При малых значениях измеряемых токов (150 – 300 мА) применяют вакуумные термопреобразователи. В них нагреватель и термопара помещаются в стеклянный баллон, в котором создано разрежение. При этом достигается уменьшение потерь на теплоотдачу в окружающую среду и, следовательно, для нагревания рабочего конца термопары требуется меньшая мощность.

Расширение пределов измерений термоэлектрических амперметров на токи до 1 А производится включением измерительного механизма с отдельными термопреобразователями на каждый предел измерений. При измерении токов свыше 1 А для расширения пределов измерений пользуются высокочастотными измерительными трансформаторами тока. В термоэлектрических вольтметрах расширение пределов измерений производится с помощью добавочных резисторов, включаемых последовательно с нагревателем. В термоэлектрических микроамперметрах используют вакуумные термопреобразователи с усилителями постоянного тока. Основным достоинством термоэлектрических приборов является достаточно высокая точность измерений в расширенном диапазоне частот и при искаженной форме измеряемого тока или напряжения. Современные термопреобразователи используют как на постоянном токе, так и на частотах вплоть до 100 МГц. Однако на частотах примерно 5 – 10 МГц частотная погрешность термоэлектрического прибора может достигать 5 – 10 %. Объясняется это тем, что с увеличением частоты вследствие поверхно­стного эффекта повышается сопротивление нагревателя. Кроме того, при очень высоких частотах часть измеряемого тока ответвляется через собственные емкости, минуя нагреватель. Частотная погрешность у термоэлектрических вольтметров обычно выше, чем у амперметров из-за влияния изменения сопротивления добавочного резистора, который не может быть выполнен совершенно безреактивным.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести малую перегрузочную способность и ограниченный срок службы термопреобразователей, зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды и значительное собственное потребление мощности (в амперметрах на 5 А примерно 1 В-А, ток полного отклонения вольтметров колеблется от 10 до 50 мА).

Промышленность выпускает многопредельные переносные термоэлектрические приборы, предназначенные для измерения переменных и постоянных токов от 100 мкА до 100 А, напряжений – от 150 мВ до 600 В. Приборы работают в диапазоне от постоянного тока до частот 50 МГц, класс точности 1,0 и 1,5.