книги / Электрорадиоизмерения

2,5 на частотах до 1500 Гц, а также переносных приборов классов точности 0,5 и 1,0 на частотах до 2400 Гц.

Для расширения пределов измерения тока электромаг­ нитными амперметрами шунты не применяются. Это дости­ гается применением секционированных катушек или из­ мерительных трансформаторов тока.

Электродинамические амперметры могут иметь две раз­ личные схемы включения обмоток — последовательную (рис. 3-7, а) и параллельную (рис. 3-7, б).

Последовательная схема применяется в приборах для измерения малых токов (меньше 0,5 А). В этом случае по неподвижной и подвижной обмоткам течет один и тот же

Рис. 3-7. Схема включения амперметра электродинамической системы.

ток, поэтому согласно формуле (2-16) шкала прибора должна быть квадратичной. Практически добиваются вы­ равнивания шкалы в ее рабочей части за счет изменения коэффициента К 2 в формуле (2-16) при различных а, осу­ ществляемого конструкцией прибора.

Схема параллельного соединения катушек используется для измерения больших токов (больше 0,5 А). Подбором добавочных сопротивлений /?д1 и /?д2 обеспечивается фазо­ вый сдвиг между токами ф = 0. Таким образом, согласно формуле (2-17) и параллельное соединение катушек должно давать квадратичную шкалу, которая практически вырав­ нивается.

Электродинамические амперметры выпускаются раз­ личных классов точности вплоть до 0,1. Применяются они главным образом на промышленной частоте, но существуют приборы, работающие и на более высоких частотах (до 5кГц).

Для расширения пределов измерения электродинами­ ческих амперметров применяют переключение катушек измерительного механизма с последовательного соедине­ ния на параллельное и трансформаторы тока.

Расширение пределов измерения тока при помощи измерительного трансформатора основано на том, что ампер­ метр включается в исследуемую цепь через понижающий (по току) трансформатор с определенным коэффициентом трансформации (рис. 3-8). Например, для измерения токов до 50 А амперметром с шкалой на 5 А необходимо исполь­ зовать измерительный трансформатор тока с коэффициен­ том трансформации 10.

Для измерения тока диапазона звуковых частот наиболее широко используются выпрямительные приборы.

Принцип работы таких приборов основан на использо­ вании выпрямительных свойств полупроводникового диода.

Постоянная составляющая выпрямленного диодом тока измеряется прибором

-о — магнитоэлектрической системы.

Этот коэффициент всегда больше единицы. Он зависит от приложенного к диоду напряжения вследствие его не­ линейной вольт-амперной характеристики и от температуры, с повышением которой коэффициент К возрастает (увеличи­ вается крутизна положительного участка характеристики). Недостатком полупроводниковых диодов является значи­ тельный разброс их параметров, что затрудняет подбор диодов в схемах выпрямительных приборов.

Достоинством выпрямительных приборов является про­ стота их устройства, достаточно высокая чувствительность и небольшие размеры; их показания не зависят от внешних магнитных и электрических полей; эти приборы для изме­ рения тока не нуждаются в источниках питания.

Сопротивление выпрямительных приборов для измере­ ния тока должно быть как можно меньше не только в поло­ жительный полупериод измеряемого тока, но и в отрица­ тельный. Поэтому выпрямительные приборы выполняются по схеме однопол упер модного выпрямления с шунтирую­ щим, встречно включенным диодом или по мостовой схеме.

На рис. 3-9 изображены простейшая схема выпрямитель­ ного миллиамперметра с однопол упер йодным выпрямлением, а также графики, поясняющие его работу.

Рис. 3-9. Одиополупериодная схема выпрямительного миллиамперметра (а), идеализированная вольт-амперная характеристика и график тока прибора (б).

Через основной диод Д х проходит положительная полу­ волна измеряемого синусоидального тока, среднее значение которого измеряется прибором И. Для уменьшения воз­ можности пробоя запирающего слоя основного диода полу­ волной тока обратного направления, а также для уменьше­ ния сопротивления выпрямительного прибора в отрица­ тельный полупериод прибор И и диод Д х шунтируются вторым диодом До, имеющим малое сопротивление для полу­ волны обратного тока.

На рис. 3-10 приведена мостовая, т. е. двухполупериодная, схема выпрямительного прибора. Прохождение тока в схеме в положительный и отрицательный полупериод измеряемого тока показано соответственно сплошными и пунктирными стрелками. На этом же рисунке дано построе­ ние тока через прибор Я, величина которого пропорциональ­ на среднему значению измеряемого синусоидального тока.

Преимуществом мостовой схемы по сравнению с однополупериодной является ее большая чувствительность,

так как ток проходит через приборы в течение обоих полупериодов, а также увеличение вдвое частоты пульсации выпрямленного тока, что несколько расширяет частотный диапазон прибора в область более низких частот. Объяс­ няется это тем, что колебания стрелки прибора И будут происходить с частотой, также в 2 раза большей частоты измеряемого тока, а следовательно, будут иметь меньшую амплитуду и будут менее заметны.

Иногда в мостовых схемах выпрямительных ампермет­ ров количество диодов сокращают, заменяя два из них (соседних) балластными сопротивлениями. Такая замена уменьшает зависимость показаний прибора от изменений окружающей температуры, но снижает его чувствитель­ ность.

-ii+ i

Рис. 3-10. Двухполупериодная схема выпрямительного миллиамперметра (а) и график тока прибора (б).

Выпрямительные приборы обычно градуируются в дейст­ вующих значениях синусоидального тока, хотя прибор И магнитоэлектрической системы реагирует только на постоян­ ную составляющую выпрямленного тока, т. е. на среднее значение.

Между амплитудным / м, действующим / и средним зна­ чением / 0 выпрямленного тока при однопол упер йодной схеме выпрямления существует следующая зависимость при синусоидальной форме тока:

При двухполупериодном выпрямлении

В этих формулах указанные соотношения между раз­ личными значениями измеряемого тока будут справедливы, если пренебречь нелинейным начальным участком вольтамперной характеристики диода, т. е. при линейном детек­ тировании.

Характер градуировки шкалы и пределы измерения тока выпрямительным прибором зависят от выбранной схемы выпрямления, а также параметров используемых диодов и прибора И магнитоэлектрической системы. Шкала выпрями­ тельных приборов практически равномерна, за исключением начальной ее части, что объясняется нелинейностью вольтамперной характеристики диода при малых значениях тока.

При использовании германиевых диодов и чувствитель­ ных приборов И магнитоэлектрической системы может быть использован квадратичный участок вольт-амперной харак­ теристики диода. При этом можно считать, что отклонение стрелки прибора будет пропорционально квадрату дейст­ вующего значения измеряемого тока любой формы.

Выпрямительные приборы для измерения тока широко применяются в виде составных элементов, так называемых тестеров или авометров, используемых для измерения по­ стоянных и переменных токов и напряжений, а также сопротивлений и других величин. Такие приборы поз­ воляют измерять переменные токи от единиц миллиампер до ампер во всем звуковом диапазоне частот.

При использовании соответствующего типа диода вы­ прямительные приборы для измерения тока могут приме­ няться также в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Плоскостные германиевые и кремниевые диоды обеспечи­ вают частотный диапазон измерения тока до 100 МГц. В ин­ дикаторах тока до 1—3 ГГц используются диоды с точечными контактами (индикаторы напряженности поля, измери­ тельные линии, резонансные частотомеры и т. д.).

3-4. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Для измерения тока высокой частоты используются приборы термоэлектрической системы.

Термоэлектрический прибор (рис. 3-11) состоит из термопреобразователя (термоэлемента) и прибора И магни­ тоэлектрической системы 2. Простейший термопреобразова­

тель содержит подогреватель 3 и термопару 1 из двух раз" нородных проводников, спаянных между собой.

Если место спая нагреть, то в пограничном слое эти* соприкасающихся проводников возникает термо-э. д. с. по* стоянного направления, величина которой зависит of свойств проводников термопары и разности температур горячего спая и холодных концов термопары.

Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток /, например, высокой частоты, то вслед" ствие нагрева спая в цепи термопары и прибора И будет про* текать термоток / 0 постоянного напряжения и прибор даст соответствующее показание.

Так как величина термо-э. д. с. пропорциональна коли* честву тепла, выделенному в подогревателе, то приборы

где / 0 — постоянная составляющая, a 119 /о и т. д. — действующее значение пер­ вой, второй и т. д. гармоник измеряе­ мого тока.

Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратичной, что объясня­ ется почти линейной зависимостью меж­ ду температурой нагрева подогревателя и величиной термо-э. д. с. и квадра­

тичной зависимостью между количеством тепла в подо­ гревателе и измеряемым током.

Шкалы термоэлектрических приборов можно получать более равномерными за счет некоторых конструктивных приспособлений.

Чувствительность термоэлементов, определяемая изме­ нением величины термо-э. д. с. в микровольтах, получаю­ щимся при изменении температуры места спая на Г С , зависит в основном от материала термопары и температуры места спая.

Для повышения чувствительности термоэлектрических приборов термопара изготовляется из возможно более тон­ ких проводников. Для уменьшения влияния поверхностного эффекта подогреватель также должен быть как можно тоньше.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы следует отнести высокую чувствительность к измеряемому току, большой диапазон измерения величин токов. Малые размеры приборов позволяют получить малые емкости и,

следовательно, использовать их в широком диапазоне час­ тот.

Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, которая в начальной своей части получается сжатой и на участке примерно до 20% номиналь­ ного тока практически не используется. Кроме того, к не­ достаткам таких приборов следует отнести зависимость их

цепи подогревателя на землю через цепь термопары и емкости Сн-з прибора И относительно земли.

В термоэлементах с косвенным нагревом (рис. 3-12, б) подогреватель и термопара механически соединены через изолятор-бусинку.

Вследствие очень малой емкости между подогревателем и контактом термопары (около 0,1—0,5 пФ) такого термо­ элемента цепь прибора И слабо связана с исследуемой цепью.

Термоэлемент с косвенным нагревом имеет малую чувст­ вительность, так как тепло от подогревателя к термопаре поступает не непосредственно, а через бусинку.

Применяют такие термоприборы тогда, когда желательно уменьшить шунтирующее действие емкостью прибора цепи измеряемого объекта. Это иллюстрируется схемами, при­ веденными на рис. 3-13.

При измерении тока прибором с контактной термопарой (рис. 3-13, а) измеряемый объект шунтируется емкостью Си.„ а при измерении прибором с бесконтактной термопарой

(рис. 3-13, б) он шунтируется значительно меньшей емко­ стью С0, так как

позволяет расширить частотный диапазон измерения токов. Для еще большего уменьшения влияния емкости Си.3 (прибор— земля) на погрешность измерения рекомендуется прибор И подключать к термопаре через дроссели высокой

частоты.

Рис. 3-13. Схема, показывающая преимущество бесконтактного термо­ элемента.

Источниками дополнительных погрешностей термо­ электрических приборов являются влияние частоты на изменение активного сопротивления подогревателя вслед­ ствие поверхностного эффекта и дополнительный нагрев проводников термопары токами высокой частоты, наводи­ мыми магнитным полем подогревателя.

Для уменьшения этих погрешностей необходимо подо­ греватель брать меньшего сечения (что снижает номиналь­ ные токи приборов, но повышает частотный предел), про­ водники термопары располагать в плоскости, перпендику­ лярной подогревателю, т. е. параллельно магнитным сило­ вым линиям (что уменьшает э. д. с., наводимую в термо­ паре).

Обычно на частотах примерно 10 МГц и выше применяют бесконтактные термоэлементы, помещенные в вакуумный или наполненный инертным газом стеклянный баллончик, что уменьшает теплоотдачу термоэлемента в окружающее