5-4. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

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. Электронные приборы рассмотрены в гл. 6.

Выпрямительные приборы.

Приборы представляют собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством.

В выпрямительных преобразователях в настоящее время 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 двухполупе-риодные схемы выпрямления. При использовании схемы однополупериодного выпрямления (рис. 5-25, а) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная — пропускается через диод и резистор Цепь из диода и резистора используют для выравнивания обеих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты от пробоя диода 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. 5-25, б показана наиболее распространенная двухполупериодная схема выпрямления — мостовая.

Выпрямительные свойства диодов характеризуют коэффициентом выпрямления где — токи, протекающие через диод в прямом и обратном направлении;

Рис. 5-25. Схемы включения измерительного механизма и диодов при однополупериодном (а) и двухполупериодном (б) выпрямлении

— соответственно прямое и обратное сопротивление диода. Значение зависит от приложенного к диоду напряжения, частоты протекающего тока и температуры окружающей среды.

Если измеряется переменный ток то мгновенный вращающий момент измерительного механизма при протекании по его катушке пульсирующего выпрямленного тока

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 Т — период; — средний измеряемый ток.

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

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 с равенством где — коэффициент формы кривой тока,

Таким образом, выпрямительный прибор может быть градуирован в действующих значениях тока (напряжения) только для

заданной формы кривой (для синусоиды Если же форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от заданной, в показаниях прибора появляется погрешность.

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. 5-26 приведена схема вольтметра с небольшими верхними пределами измерений. Уменьшение эквивалентного сопротивления выпрямительного моста при увеличении температуры окружающей среды компенсируется увеличением сопротивления добавочного резистора, выполненного частично из меди. Уменьшение частотной погрешности достигается включением конденсатора С (рис. 5-26). С повышением частоты шунтирующее действие емкости диодов увеличивается и показание прибора за счет снижения общего коэффициента выпрямления уменьшается. Благодаря емкости С, шунтирующей часть при повышении частоты общий ток вольтметра возрастает, что компенсирует уменьшение выпрямленного тока.

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 (см. § 5-3). Верхний предел измерений для выпрямительных приборов, выпускаемых отечественной промышленностью, составляет: тока — от 3 мА до 10 А, напряжения — от до 600 В (предел -только для постоянного напряжения), 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 неравномерная.

Рис. 5-26. Схема выпрямительного вольтметра

Рис. 5-27. Устройство термоэлектрического прибора

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—10 000 Гц, в приборах с частотной компенсацией рабочий диапазон частот расширяется до Точность выпрямительных приборов относительно невысока — класс точности обычно 1,5; 2,5.

Промышленность выпускает щитовые и переносные выпрямительные приборы. Примером переносного комбинированного выпрямительного прибора может служить прибор типа имеющий на постоянном токе класс точности 0,5, на переменном токе — 1,0. Верхние пределы измерений постоянного тока — от до 7,5 А; переменного тока — от до 7,5 А; напряжения постоянного тока — от до 750 В и напряжения переменного тока — от 0,75 до 750 В. Частотный диапазон от 45 до 8000 Гц — при измерении напряжений и от 45 до 16 000 Гц — при измерении тока.

Термоэлектрические приборы.

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

На рис. 5-27 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, развиваемая термопреобразователем, пропорциональна количеству теплоты, выделенной измеряемым током в

нагревателе. Количество теплоты, в свою очередь, пропорционально квадрату действующего значения измеряемого тока Ток в цепи измерительного механизма где Е — термо-ЭДС; сопротивление цепи катушки измерительного механизма. Таким образом, показания термоэлектрического прибора должны быть 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.

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 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 до 600 В. Приборы работают в диапазоне от постоянного тока до частот 50 МГц, класс точности 1,0 и 1,5. Высокочастотные термоэлектрические микроамперметры, например, типа с пределом измерений до 1000 мкА (четыре поддиапазона) имеют встроенный в прибор фотогальванометрический усилитель.