книги из ГПНТБ / Соркин И.М. Основы радиоизмерительной техники

при установившемся отклонении подвижной системы, когда противодействующий момент уравновешивает вращающий, т. е.

нита и подвижной системы определяется ампер-витками подвижной катушки прибора. Так, например, если имеем прибор, в котором отклонение стрелки на полную шкалу происходит при токе 1\ и числе витков катушки даь то для получения отклонения стрелки на полную шкалу при

— постоянная величина для данного прибора. Таким образом, угол отклонения подвижной системы прибора связан с измеряемым током / линейной зависимостью, т. е. шкала магнитоэлектрического прибора равно­ мерная.

3. Из (2-5) следует, что чувствительность прибора определяемая отклонением подвижной системы, соот­ ветствующим единице измеряемой величины, равна:

Следовательно, магнитоэлектрический прибор тем чув­ ствительнее, чем больше индукция постоянного магни­ та, площадь катушки и число ее витков и чем меньше

29

удельный противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинками прибора.

4. Из (2-5) следует, что вращающий момент, являю­ щийся векторной величиной, определяется по величине

щающего момента, т. е. изменение направления откло­ нения подвижной системы прибора, может быть достиг­ нуто изменением знака одного из сомножителей, а имен­ но переменой полярности магнита или переключением направления измеряемого тока.

5. Из равенства (2-5) вытекает также непримени­ мость магнитоэлектрического прибора для измерения переменного тока. При переменном токе изменение его направления меняет направление вращающего момента, действующего на подвижную систему. Подвижная сш стема, вследствие своей инерции не будет успевать сле­ довать за изменениями направления вращающего мо­ мента и будет отклоняться пропорционально среднему значению момента. Так как среднее значение вращающе­ го момента, определяемое средним значением перемен­ ного тока, будет равно нулю, то подвижная система при­ бора останется вблизи нулевого положения равновесия.

Шунты и добавочные сопротивления

Шунты и добавочные сопротивления дают возмож­ ность применять стандартные магнитоэлектрические приборы для различных пределов измерений токов и напряжений.

Шунт представляет собой сопротивление, включаемое параллельно амперметру для расширения пределов из­ мерения тока (рис. 2-1). Сопротивление шунта может быть рассчитано, исходя из того, что падения напряже­ ния на шунте и приборе одинаковы. Если / пр — номи­ нальный ток прибора, соответствующий отклонению стрелки на полную шкалу, (/пр — падение напряжения на приборе при номинальном токе, / — измеряемый ток, / ш — ток шунта, то сопротивление шунта

.. _ ^пр

' Ш ---- г

30

В приборах на несколько пределов измерений часто при­ меняется универсальный шунт (рис. 2-2). В этом случае

где гпр— сопротивление прибора; гш— общее сопротивле-

I I

Рис. 2-3. Схема включе­ ния добавочного сопротивления.

Для расширения пределов измерений напряжений по­ следовательно с катушкой вольтметра включается до­ бавочное сопротивление (рис. 2-3), рассчитываемое по формуле

( 2. 1 3 )

*пр

где R — добавочное сопротивление; U — номинальное измеряемое напряжение.

31

2-3. Т Е Р М О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е П Р И Б О Р Ы

В термоэлектрических приборах измеряемый ток вы­ сокой частоты пропускается через нагреватель, изготов­

г' пример медь— Константин. При нагре­

вании измеряемым током нагревателя и связанного с ним спая термопары на ее свободных концах возникает термо- э. д. с. постоянного тока. Эта э. д. с.

измеряется включенным в цепь термопары микроампер­ метром постоянного тока, шкала которого градуирована непосредственно в значениях измеряемого тока высокой частоты.

Найдем зависимость угла отклонения подвижной си­ стемы прибора а от величины измеряемого тока г. Угол отклонения подвижной системы будет пропорционален величине возникающей э. д. с. Е

В первом приближении можно принять, что э. д. с., воз­ никающая -на концах термопары, пропорциональна разности температур Д^ нагретого спая и холодных кон­ цов термопары

температур в 1° С. При прохождении измеряемого тока i

где г — сопротивление нагревателя.

С другой стороны, количество тепла, отдаваемого на­ гревателем внешней среде путем излучения и конвекции,

32

где At — разность температур спая и окружающей сре­ ды; 5 — поверхность нити нагревателя; £3— коэффици­ ент теплоотдачи. При установлении теплового равнове­ сия Qi = Q2 и , следовательно,

0,24i2r = k3SM,

откуда

(2-18)

С учетом (2-15) и (2-18) формула (2-14) перепишется в виде:

0,24

а (2-19) kts

Обозначая 0,2' ^ аГ. — /( (2-20), получаем а = /(г2, (2-21)

Таким образом, угол отклонения подвижной системы термоэлектрического прибора пропорционален квадрату тока и шкала его квадратичная.

Схемы термоэлектрических приборов

П р о с т е й ш а я с х е м а т е р м о э л е к т р и ч е с к о ­

хождении через нагреватель измеряемого тока высокой частоты i на концах термопары возникает э. д. с. посто­ янного тока Е. Для того чтобы термоэлектрический при­ бор обладал наибольшей чувствительностью, сопротивле­ ние микроамперметра постоянного тока, на который на­

Е

повышения чувствительности термоэлектрическогопри­ бора, что достигается за счет увеличения постоянного то­ ка через измерительный прибор.

Если соединить последовательно п термопар, то по­ стоянный ток в цепи термопар и микроамперметра

где Е — э. д. с. каждой термопары; г — сопротивление термопары; R — сопротивление микроамперметра. Если

выбрать число термопар достаточно большим, так что­ бы R, то сопротивлением микроамперметра можно пренебречь по сравнению с сопротивлением термопар и, следовательно, ток через микроамперметр

Таким образом, последовательное включение термопар при достаточно большом их числе повышает чувстви­ тельность термоэлектрического прибора за счет увели­ чения тока через индикаторный прибор вдвое.

М о с т о в ы е схемы. Для того чтобы достичь еще большего повышения чувствительности за счет увели­ чения тока через микроамперметр, применяется мосто­ вая схема соединения термопар (рис. 2-6). В этой схеме измеряемый ток высокой частоты проходит по двум па­ раллельным ветвям АВС и ADC. Термопары соедине­ ны так, что их э. д. с. взаимно компенсируются по отно-

34

шению к цепи переменного тока, а по отношению к диа­ гонали, в которую включен микроамперметр, две па­ раллельные ветви термопар BCD и BAD дают суммар­ ный ток

где п — общее число термопар; Е — э. д. с. одной термо­

Таким образом, мостовая схема по сравнению со схе­ мой последовательного соединения термопар увеличивает ток через прибор еще вдвое. Недостаток рассмотренной схемы состоит в том, что при

дуировку мостовой схемы на постоянном токе. От этого

материалов, например нихрома и константана. К сере­ дине верхнего нихромового нагревателя присоединена проволочка из константана, а к середине нижнего константанового нагревателя — проволочка из нихрома. Таким образом, получаются четыре термопары. Если средние точки находятся точно в геометрической сере­ дине нагревателей, то переменный ток не ответвляется

вцепь микроамперметра, а постоянный ток не попадает

вцепь переменного тока. Так как в этой схеме измеряе-

мый ток не переходит от одного металла к другому, то здесь отсутствует эффект дополнительного подогрева спая. Данная схема при малом числе термопар обеспе­ чивает достаточную чувствительность термоэлектриче­ ского прибора и получила широкое практическое при­ менение.

Погрешности термоэлектрических приборов

Т е м п е р а т у р н а я п о г р е ш н о с т ь термоэлектрических при' боров обусловливается главным образом возрастанием сопротивле­ ния нагревателя с повышением температуры. Вследствие этого при одном и том же измеряемом токе в нагревателе будет выделяться большая мощность и прибор будет давать завышенные показания. Эта погрешность сводится к минимуму использованием для нагре­ вателя материалов с малым температурным коэффициентом (ни­ хром, константан). -

Ч а с т о т н а я п о г р е ш н о с т ь термоэлектрических приборов обусловливается емкостно по отношению к земле, влиянием индук­ тивности подводящих проводов и возрастанием сопротивления на­ гревателя е увеличением частоты из-за поверхностного эффекта.

При измерении токов высокой частоты термоэлектрическим при­ бором, включенным в точку высокого потенциала, возникает емко­ стный ток через емкости металлических частей прибора на землю. Этот ток, возвращаясь к точке высокого потенциала, вызывает до­ полнительный нагрев нагревателя, вследствие чего прибор дает за­ вышенные показания. Погрешность показаний прибора будет тем больше, чем больше емкость прибора по отношению к земле, чем выше частота измеряемого тока и чем выше потенциал прибора относительно земли. Для устранения этой погрешности термоэлектри' ческий прибор при измерении тока высокой частоты должен вклю­ чаться возможно ближе к точке нулевого потенциала. В тех слу­ чаях, когда прибор для измерения тока в нагрузке может быть подключен лишь в точке высокого потенциала, он должен быть за­ ключен в экран, соединенный с зажимом прибора, идущим к гене­ ратору. При этом через прибор будет проходить ток, равный току нагрузки, а емкостный ток на землю будет замыкаться через экран, минуя нагреватель.

Влияние индуктивности подводящих проводов и входной емко­ сти термоэлектрического прибора сказывается в том, что на ча­ стотах, близких к резонансной частоте входной цепи прибора, воз­ никают погрешности, обусловливаемые усилением подводимого напряжения во входном контуре прибора.

Поверхностный эффект в нагревателе, выражающийся в вытес­

к увеличению сопротивления. Увеличение активного сопротивления нагревателя с возрастанием частоты приводит к тому, что при одном и том же измеряемом токе в нагревателе будет выделяться большая мощность и, следовательно, показания прибора будут за­ вышенными. Погрешность, обусловливаемая поверхностным эффек­ том, будет тем больше, чем больше сечение нагревателя, и, таким

36

образом, возрастает с увеличением номинального значения измеряе­ мого тока. Для малых значений измеряемого тока сечение нити нагревателя невелико и погрешностью, обусловливаемой поверхно­ стным эффектом, можно пренебречь. В этом случае частотная по­ грешность термоэлектрического прибора будет определяться дей­ ствием емкости прибора по отношению к земле и влиянием пара­ метров его входной цепи. Практически величина этой погрешности для пределов измерения тока, меньших 0,5 а, не превышает 1% при частотах до 100 Мгц.

Для термоэлектрических приборов с пределами измерений, пре­ вышающими 0,5 а, наибольшее значение приобретает погрешность, обусловливаемая поверхностным эффектом. Величина этой погреш­ ности возрастает с увеличением частоты и номинального значения измеряемого тока. Таким образом, диапазон частот термоэлектриче­ ского прибора определяется предельной частотой, при которой погрешность прибора для заданного номинального тока не превы­ сит допустимой величины. Предельная частота будет тем меньше, ■чем больше пределы измерений прибора. Если принять, что допу­ стимая погрешность прибора не должна превышать 5%, то предель­ ная частота в зависимости от номинального значения измеряемого тока может быть выражена следующей эмпирической формулой:

Так, например, для прибора на 5 а предельная частота будет равна

15 Мгц.

Градуировка термоэлектрических приборов

Термоэлектрические приборы могут быть отградуи­ рованы на постоянном токе, переменном токе низкой ча­ стоты или на токе радиочастоты.

При градуировке термоэлектрического прибора на постоянном токе возникает погрешность из-за ответвле­ ния в микроамперметр части тока, проходящего через нагреватель. Поэтому в зависимости от направления то­ ка через нагреватель показания прибора будут завы­ шенными или заниженными. Для исключения этой по­ грешности градуировка производится на постоянном то­ ке, проходящем через прибор один раз в одном направ­ лении, а другой раз — в обратном, что осуществляется р шомощью схемы, показанной на рис. 2-8.

За действительное значение тока принимается сред­

37

где / д — действительное значение тока; 1 {— показание

При градуировке на постоянном токе в качестве образ­ цового прибора используется прибор 'магнитоэлектри­ ческой системы.

Градуировка на переменном токе низкой частоты про­ изводится по схеме рис. 2-9. При этом источником на-

1Ш

Рис. 2-8. [Градуировка тер­ моэлектрического прибора постоянным током.

пряжения служит сеть переменного тока частотой 50 гц, а в качестве образцового прибора используется прибор электродинамической системы.

При градуировке термоэлектрических приборов на радиочастотах (рис. 2-10) источником напряжения слу­ жит высокочастотный генератор, а в качестве образцо­ вого прибора используется прибор термоэлектрической системы. В этой схеме Lj — катушка генератора высо­ кой частоты, L2— катушка измерительной цепи, в кото­ рую включаются последовательно градуируемый и об­ разцовый приборы. Регулировка тока, необходимая при градуировке, осуществляется посредством переменной связи между этими катушками.

38