Магнитоэлектрические приборы с преобразователем переменного тока в постоянный

Сочетание магнитоэлектрического механизма с преобразова­телем переменного тока в постоянный позволяет использовать достоин­ства этого механизма при измерениях в цепях переменного тока. В за­висимости от вида преобразователя различают выпрямительные, тер­моэлектрические и электронные приборы.

Выпрямительные приборы. Выпрямительные приборы состоят из полу-проводникового диода и магнитоэлектрического измерительного механизма. Диод выпрямляет измеряемый переменный ток, а магнито­электрический механизм служит индикатором, стрелка которого от­клоняется под действием выпрямленного тока. Наиболее употребитель­ны точечные кремниевые диоды, которые имеют малую собственную емкость (несколько пикофарад) и могут работать в диапазоне от низ­ких (0—50 Гц) до высоких (10⁴ — 10⁵ Гц) частот. Способность диода выпрямлять ток характеризуется коэффициентом выпрямления k_B, представляющим собой отношение сопротивлений диода в обратном и прямом направлениях:

k_В=R_обр /R_пр (5.6)

Коэффициент выпрямления зависит от приложенного напряжения,

 

а)

б)

Рис. 5.5. Однополупериодное выпрямление:

а) электрическая схема с использованием полупроводниковых диодов;

б) временная диаграмма.

 

частоты и температуры. Он невелик при малых значениях напряжения (меньше десятых долей вольта), но резко возрастает при повышении напряжения. В рабочей области напряжений, частот и температур коэф­фициент выпрямления диодов равен 10² — 10⁶.

В выпрямительных приборах используются однополупериодные и двухполупериодные выпрямительные цепи. Некоторые из них приведены на рис. 5.5. и 5.6. соответственно. На этих схемах показано включение измерительного механизма амперметра PA.

 

 

а)б)

 

 

в)

Рис 5.6. Двухполупериодное выпрямление:

а) электрическая схема с использованием четырех полупроводниковых диодов;

б) электрическая схема с использованием двух полупроводниковых диодов;

в) временная диаграмма.

 

При однополупериодном выпрямлении (рис. 5.5) через рамку из­мерительного механизма, включенную последовательно с диодом VD1, ток проходит только в течение своего положительного полупериода. Во время отрицательного полупериода он проходит по параллельной цепочке через резистор R и диод VD2. Параллельная цепочка обеспечивает защиту диода VD1 от перенапряжения во время отрицательного полупериода.

При двухполупериодном выпрямлении (рис. 5.6., а) ток проходит через рамку измерительного механизма в течение обоих полупериодов: в положительный полупериод по пути VD1-PA-VD4, в отрицательный ̶ по пути VD2-PA-VD3. Двухполулериодная схема обеспечивает в 2 раза большее значение тока в рамке I_A, что повышает чувствительность выпрямительного прибора. Однако напряжение в этом случае делится между двумя диодами, что препятствует измерению малых напряжений из-за падения коэффициента выпрямления диодов. Кроме того, боль­шое количество диодов приводит к необходимости их тщательного под­бора и росту температурных погрешностей. Схема на рис. 5.6 ., б, в ко­торой вместо двух диодов включены резисторы R1 и R2, несколько уменьшает влияние температуры и ослабляет требования к идентич­ности диодов. Однако она обладает меньшей чувствительностью и по­вышенным по сравнению с предыдущей схемой потреблением энергии.

Уравнение преобразования выпрямительного прибора можно полу­чить исходя из следующих соображений. Вследствие инерционности под­вижной части магнитоэлектрического измерительного механизма при частотах много больших собственной частоты механизма положение указателя зависит не от мгновенного значения вращающего момента М _вр(t), а от его среднего значения за период М _{вр, ср}, который, в свою очередь, пропорционален среднему значению тока, протекающего через рамку I:

М _{вр, ср} (5.7)

где В, N и S - магнитная индукция, число витков и площадь рамки соответственно.

Следовательно, уравнение преобразования имеет вид

 

α (5.8)

 

где S_I - чувствительность магнитоэлектрического механизма к току.

На практике обычно важно знать не среднее, а действующее значение тока, поэтому выпрямительные приборы градуируют, как правило, в действующих значениях. При этом используют соотношение

I_ср (5.9)

связывающее среднее значение тока с его действующим значением . При такой градуировке уравнение преобразования приобретает вид

α

Чаще всего измеряются токи синусоидальной формы, поэтому шкала обычно градуируется в действующих значениях для синусоидальной фор­мы кривой. Если выпрямление однополупериодное, то 2,22, если двухполупериодное, то 1,11.

Когда форма кривой тока отличается от синусоидальной, то исполь­зование для измерений выпрямительного прибора, проградуированного в действующих значениях синусоидального тока, приведет к системати­ческой погрешности.

Выпрямительные приборы используются в качестве амперметров и вольтметров.

 

 

Рис. 5.7. Схема выпрямительного амперметра с шунтом.

 

Для расширения пределов измерения в выпрямительных амперметрах используются шунты PS (рис. 5.7.), а в вольтметрах добавочные рези­сторы (рис. 5.8., а) и делители напряжения (рис. 5.8., б). Делители напряжения для

выпрямительных вольтмет­ров обычно выполняются на резисторах. Коэффициент деления, равный отношению выходного и входного напряжений, опреде­ляется выражением U = R1/(R1 + R2), которое справедливо, если сопротивление резисторов R2 много больше

входного со­противления выпрямительного прибора, под­ключенного к делителю.

К достоинствам выпрямительных при­боров относятся высокая чувствительность, компактность, большой частотный диапазон;

к недостаткам — малая точность (класс точности 1,5; 2,5; 4,0), зависи­мость показаний от формы кривой тока, существенное влияние темпе­ратуры.

Выпрямительные приборы применяются для измерений тока, напря­жения, сопротивления и других параметров в цепях промышленной и повышенной (до десятков и сотен килогерц) частот. Они часто выпол­няются в виде многопредельных комбинированных приборов, удобных в лабораторной практике.

а) б)

 

Рис. 5.8. Схемы выпрямительных вольтметров:

а) с добавочным сопротивлением; б) с делителем напряжения.

 

Термоэлектрические приборы. Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя, преобразующего измеряемый переменный ток высокой частоты в постоянное напряжение, и магни­тоэлектрического измерительного механизма, проградуированного в значениях измеряемого тока (рис. 5.9.).

 

а) б)

Рис. 5.9. Термоэлектрические приборы:

а) контактный; б) бесконтактный (1- нагреватель; 2- термопара; 3- элекроизоляционный теплопроводный элемент);

Термопреобразователь включает в себя нагреватель 1, по которому проходит, выделяя тепло, измеряемый ток I, и термопару 2, находящую­ся в тепловом контакте с нагревателем, Постоянное напряжение, вы­рабатываемое термопарой, воздействует на магнитоэлектрический мик­роамперметр.

Различают контактные (рис. 5.9., а) и бесконтактные (рис. 5.9., б) термопреобразователи. В первом случае термопара имеет электрический контакт с нагревателем (ее спай приварен непосредственно к нагрева­телю), а во втором имеется только тепловой контакт нагревателя и тер­мопары через изолирующий материал, обладающий хорошей тепло­проводностью (стекло, керамика). Контактные термопреобразователи менее инерционны, чем бесконтактные, но они допускают большую утечку токов высокой частоты и применяются на частотах не выше 5 — 10 МГц.

Рис. 5.10. Бесконтактный термоэлектрический прибор, выполненный в виде батареи термопар.

Бесконтактные термопреобразователи не имеют этого не­достатка и могут использоваться вплоть до частот, равных сотням мега­герц. Кроме того, отсутствие гальванической связи дает возможность повысить чувствительность термопреобразователя благодаря примене­нию батарей из нескольких последовательно включенных термопар (рис. 5.10.).

Преобразователи, предназначенные для измерения малых токов (от 1 до 100 мА), заключают в вакуумированный корпус: вакуум уменьшает отвод тепла от нагревателя.

Для вывода уравнения преобразования следует найти зависимость отклонения подвижной части измерительного механизма от измеряемого тока высокой частоты, т.е. зависимость α f(I). Однако непосредственно на микроамперметр воздействует постоянный ток I_т от ЭДС термо­пары Е:

α ; (5.9)

(5.10)

где - чувствительность к току микроамперметра;

— сопротивле­ние его рамки.

В свою очередь ЭДС термопары пропорциональна разности темпера­тур горячего спая термопары и ее холодных концов ΔT (равной также разности температур нагревателя и окружающей среды):

Е = кΔТ. (5.11)

Задача, таким образом, сводится к определению зависимости ΔT (I).

Ее можно определить из условия теплового баланса нагревателя при рав­новесии: количество тепла, выделяемого током высокой частоты при прохождении через нагреватель, должно быть равно количеству тепла, рассеянного им вследствие теплоотдачи в окружающую среду, т.е.

I t ΔTt, (5.12)

где R - сопротивление нагревателя;

t - время;

- коэффициент теплоотдачи.

Из (2.44) следует, что

ΔT = ( ) I², (5.13)

Из уравнений (5.9) - (5.11) и (5.13) можно составить уравнение преобразования

α = ( ² =mI², (5.14)

где m— постоянный коэффициент.

Таким образом, уравнение преобразования термоэлектрического при­бора является квадратичным.

Погрешности термоэлектрических приборов связаны с влиянием тем­пературы внешней среды на сопротивление нагревателя и на характери­стики микроамперметра. Погрешности также зависят от частоты изме­ряемого тока из-за наличия поверхностных эффектов и паразитных параметров цепей преобразователя.

Достоинством термоэлектрических приборов является малая зави­симость их показаний от формы кривой и частоты. К недостаткам отно­сятся невысокие чувствительность и точность (класс точности 1,0-4,0), очень малая перегрузочная способность, квадратичный характер шкалы, значительное потребление энергии.

Термоэлектрические приборы используются в качестве амперметров и вольтметров для измерения тока и напряжения на высоких частотах (до сотен мегагерц). Применять их на низких частотах нецелесообразно, так как в этой области они могут быть заменены надежными прибора­ми других систем.

Расширение пределов измерения термоэлектрических приборов мо­жет осуществляться при помощи высокочастотных трансформаторов тока (для амперметров) и безреактивных добавочных резисторов (для вольтметров).

5.4. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым про­текает ток. Устройство электродинамического измерительного механизма показа­но на рис. 5.11. Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться по­движная катушка 2. Ток к подвижной катушке подается через пружин­ки (на рис. 5.11, не указаны), которые при повороте этой катушки созда­ют противодействующий момент.

Рис. 5.11 Электродинамический измерительный механизм:

1- неподвижные катушки; 2- подвижная катушка.

Поворот осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2. Чтобы вывести уравнение преобразования, запишем выражение для электрокинетической энергии двух катушек с токами:

W= (1/2) + (1/2)L₂ +M (5.15)

где L₁ и L₂ — индуктивности неподвижной и подвижной катушек;

I ₁, I ₂ — токи в этих катушках.

Поскольку от угла поворота подвижной катушки а зависит толь­ко

M - взаимная индуктивность катушки, то вращающий момент

M_ВР = = ( )I₁I₂. (5.16)

При равновесии вращающий и противодействующий моменты уравновешены: М _вр =М _пр,т.е.

 

) I₁I₂ =Wα, (5.17)

где W — удельный противодействующий момент пружины.

Следовательно, уравнение преобразования прибора

α= (1/W)( )I₁I₂ (5.18)

Если по катушкам протекают переменные токи

i₁ (t) = I_lМsin(ωt + φ₁) и i₂(t) = I_2Msin(ωt + φ₂),

то для нахождения угла отклонения подвижной части прибора следует подставить выражения для этих токов в (2.50) и произвести усреднение по времени:

α i₁(t)i₂(t)dt I₁I₂cos(φ₁ - φ₂),

где I₁ и I₂ - действующие значения токов в катушках.

Из уравнения преобразования

α = (1/W)( )I₁I₂cos(φ₁ - φ₂), (5.19)

следует, что перемещения подвижной части механизма при работе на пе­ременном токе зависят как от токов в его катушках, так и от разно­сти фаз между этими токами. Это дает возможность использовать при­боры электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и в качестве ваттметров.

В амперметрах катушки соединены последовательно (рис. 5.12) или параллельно (рис. 5.13), Последовательное соединение используется в приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А), не способных повредить тонкие пружинки, по которым ток подводит­ся к подвижной катушке. При больших токах (до 10 А) катушки вклю­чаются параллельно, причем соотношение сопротивлений цепей катушек выбирается таким образом, чтобы ток через подвижную катушку не превышал допустимого значения.

Рис. 5.12. Амперметр с последовательно соединенными катушками.

Рис. 5.13. Амперметр с параллельно соединенными катушками.

Резистор R и катушки индуктивно­сти L1 и L2, показанные на рис. 5.13., служат для компенсации темпера­турных и частотных погрешностей.

В последовательной схеме амперметра I₁ =I₂ =I, φ₁ — φ₂ 0, поэто­му уравнение преобразования (5.19) сводится к виду

α = (l/ W)() I², (5.20)

т.е. при условии = const угол поворота стрелки квадратично за­висит от тока, протекающего в катушках.

В этом случае шкала неравномерна: она сжата на начальном участке и растянута на конечном. Работать с прибором, имеющим неравномер­ную шкалу, очень неудобно, поэтому расположение и форму катушек выбирают таким образом, чтобы производная не оставалась по­стоянной, а существенно зависела от угла между подвижной и неподвиж­ной катушками. Изменяя , удается делать шкалу практически равномерной (исключая начальный участок, составляющий примерно пятую часть от всей шкалы).

В параллельной схеме I₁ = k₁I; I₂ =k₂I, а разность фаз также устанав­ливается равной нулю подбором индуктивностей в цепях катушек. Таким образом, квадратичность преобразования и необходимость полу­чения более равномерной шкалы сохраняется и в этом случае.

При измерении электродинамическими амперметрами токов, превы­шающих 10 А, используются измерительные трансформаторы тока.

Вольтметры выполняются по схеме, представленной на рис. 5.14. Катушки включаются последовательно, ток через них ограничивается добавочным резистором R_доб. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

α= (1/W)( )( ), (5.21)

где R — общее сопротивление цепи прибора.

Как и в случае амперметров, изменением добиваются почти равномерного характера рабочего участка электродинамических вольт-метров.

Рис. 5.14. Вольтметр с последовательно соединенными катушками.

Рис. 5.15. Вольтметр с параллельно соединенными катушками.

Обычно электродинамические вольтметры выполняются многопре­дельными. Это достигается при помощи нескольких добавочных рези­сторов. При измерении повышенных напряжений (свыше 600 В) при­меняются измерительные трансформаторы напряжения.

При построении ваттметров используется тот факт, что уравнение преобразования (5.19) электродинамического механизма содержит произведение токов в катушках. Схема соединения катушек ваттметра и его включения в цепь для измерения мощности, потребляемой на­грузкой Z_H, приведена на рис. 5.15. Ток I₁ в неподвижной катушке равен току нагрузки, а ток I₂ в подвижной катушке пропорционален приложенному напряжению: I₂ = U/(R_доб + r), где R_доб - сопротив­ление добавочного резистора; r - сопротивление подвижной катушки. С учетом этого уравнение шкалы (5.19) для ваттметра

α= (1/W)( )I₁I₂cos(φ₁ — φ₂) =

(1/W (R_доб +r₂))( )I_нU cosφ =

(1/W (R_доб +r₂))( )Р, (5.22)

где φ - угол сдвига фаз между приложенным напряжением U и то­ком I_н в нагрузке;

Р - активная мощность нагрузки.

Таким образом, уравнение преобразования электродинамического ваттметра

α = (1/W (R_доб +r₂))( )Р (5.23)

имеет линейный характер.

Электродинамические ваттметры выполняют в виде многопредельных лабораторных переносных приборов самых различных, в том числе и достаточно высоких, классов точности (0,2; 0,1). Диапазон измеряемых мощностей таких приборов - от долей ватта до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленных частот (50 Гц, 400 Гц).

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за темпе­ратурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повыше­нии частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности. Они обусловлены ростом индуктивного со­противления катушек, приводящим к уменьшению вращающего мо­мента.

Ферродинамические приборы по существу являются разновидностью электродинамических приборов, от которых они отличаются не по прин­ципу действия, а конструктивно. Для увеличения чувствительности ка­тушка ферродинамических приборов имеет магнитно-мягкий сердеч­ник — магнитопровод, между полюсами которого размещается подвиж­ная катушка. Наличие сердечника значительно увеличивает магнитное поле неподвижной катушки, а следовательно, вращающий момент и чув­ствительность. Однако одновременно из-за нелинейности магнитных характеристик сердечника снижается точность прибора и увеличиваются его частотные погрешности. Ферродинамические приборы широко ис­пользуются в качестве щитовых ваттметров, а также амперметров и вольтметров для измерения в цепях промышленной частоты.