Применение магнитоэлектрических приборов для измерений в цепях переменного тока

Высокая чувствительность, точность и малое значение потребляемой мощности выгодно отличают магнитоэлектрические приборы от других электромеханиче­ских приборов. Вследствие этого естественно стремление использовать магнито­электрические приборы для измерений на переменном токе. Эта задача решается двумя путями: во-первых, уменьшением момента инерции подвижной части, что наблюдается в вибрационных гальванометрах; во-вторых, преобразованием пе­ременного тока в постоянный с последующим его измерением магнитоэлектри­ческим прибором.

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный применяются полупроводниковые диоды, термопреобразователи, электронные лампы, транзи­сторы, интегральные микросхемы и т. п. В соответствии с типом используемого преобразователя различают выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы (последние будут рассмотрены ниже).

Выпрямительные приборы. Эти приборы представляют собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. В настоящее время в выпрямительных преобразователях используют полупроводниковые диоды (кремниевые и германиевые). По существовавшей до недавнего времени классификации в названии типа выпрямительных приборов использовалась буква Ц (например, Ц4352). В современных условиях возможны и другие обозначения.

В зависимости от схемы включения диодов и измерительного механизма осуществляется одно- или двухполупериодное выпрямление переменного тока. В схемах первого типа (рис. 8.6, а) через измерительный механизм (и диод VD1) проходит только прямая полуволна переменного тока, а обратная – пропускается через диод VD2 и резистор R (R = R_и). Ветвь, состоящая из диода VD2 и резистора R, предназначена для выравнивания обеих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты диода VD1 от пробоя при обратной полуволне напряжения.

В схеме двухполупериодного выпрямления ток через измерительный механизм проходит в обе половины периода, поэтому чувствительность этих схем выше, чем чувствительность однополупёриодных. На рис. 8.6, б показана наиболее распространенная схема двухполупериодного выпрямления – мостовая.

Рисунок 8.6 – Включение диодов и измерительного механизма: а – при однополупериодном, б – при двухполупериодном выпрямлении

Выпрямительные свойства диода характеризуются коэффициентом выпрям­ления

где I_пр и I_обр – токи, протекающие через диод в прямом и обратном направлениях; R_пр и R_обр – прямое и обратное сопротивления диода соответственно. Значение коэффициента выпрямления зависит от приложенного к диоду напряжения, частоты, протекающего тока и температуры окружающей среды.

В мостовых схемах на каждый диод приходится меньшее напряжение, чем в однополупёриодных. Это приводит к уменьшению коэффициента k_в. Поэтому для измерения малых напряжений применяют схемы однополупериодного выпрямления.

Значение вращающего момента измерительного магнитоэлектрического механизма при протекании по рамке пульсирующего выпрямленного тока, согласно (8.6),

Вследствие инерционности подвижной части измерительного механизма ее отклонение будет определяться средним значением вращающего момента, который для схем одно- и двухполупериодного выпрямления соответственно будет равен:

где Т – период и I_ср – среднее значение измеряемого тока.

Угол поворота подвижной части измерительного механизма определяется по выражению (8.7) и для схем одно- и двухполупериодного выпрямления соответ­ственно будет равен:

Из выражений (8.18) видно, что отклонение подвижной части выпрямительного прибора пропорционально среднему значению измеряемого тока I_ср. При измерениях в цепях переменного тока шкалы приборов, как правило (за исключением специальных приборов), градуируются в действующих (средних квадратических) значениях синусоидального тока (частотой 50 Гц). Среднее и действующее значения переменного тока связаны между собой через коэффициент формы кривой тока

где I – действующее значение измеряемого тока. Учитывая это, для схемы двухполупериодного выпрямления получим:

Таким образом, при одном и том же действующем значении, но при разной форме измеряемого тока (а значит, разных k_ф) угол поворота подвижной части будет разным, то есть показания выпрямительных приборов зависят от формы кривой измеряемого тока (а для вольтметров – напряжения).

К недостаткам выпрямительных приборов относятся также:

• неравномерность шкалы в начальной части (0-15 %), что связано с нелинейностью реальных прямых вольт-амперных характеристик диодов;

• невысокий класс точности (чаще всего 1,5; 2,5), что объясняется нестабильно­стью характеристик полупроводниковых диодов;

• подверженность влиянию температуры окружающей среды вследствие темпе­ратурной зависимости вольт-амперных характеристик диодов (снижение влия­ния температуры обеспечивается специальными схемами термокомпенсации).

В качестве примера на рис. 8.7 приведена схема выпрямительного вольтметра. При увеличении температуры окружающей среды эквивалентное сопротивление выпрямляющего моста уменьшается, что компенсируется увеличением сопротивления добавочного резистора, выполненного частично из меди, частично из манганина. Уменьшение частотной погрешности достигается включением конденсатора С. С повышением частоты усиливается шунтирующее действие емкости диода при его обратном включении, что увеличивает обратный ток через диод при том же значении прямого (уменьшается коэффициент выпрямления). Это уменьшает среднее значение выпрямленного тока, от которого зависит угол поворота подвижной части. Благодаря емкости С, шунтирующей часть резистора R_д, при повышении частоты общий ток вольтметра возрастает, что компенсирует уменьшение выпрямленного тока.

Рисунок 8.7 – Схема выпрямительного вольтметра

Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление мощности и сравнительно широкий диапазон рабочих частот (до 100 кГц с применением точечных кремниевых диодов и схем частотной компенсации).

Сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма, выпрямительного преобразователя, шунта или добавочного ре­зистора образует выпрямительный амперметр или вольтметр.

Выпрямительные приборы в большинстве случаев выпускают комбинированными и многопредельными. За счет переключений в схеме с помощью переключателей эти приборы позволяют измерять постоянные и переменные токи и напряжения, а также сопротивления по схеме омметра. Наличие многопредельных шунтов и добавочных резисторов позволяет приборам иметь несколько пределов измерения тока и напряжения.

Термоэлектрические приборы. Они представляют собой сочетание одного или нескольких термопреобразователей с магнитоэлектрическим прибором (рис. 8.8). В результате прохождения измеряемого тока I_x по нагревателю 2 выделяется тепловая энергия, которая повышает температуру горячего спая термопары 1. Термоэлектродвижущая сила, вызванная разностью температур горячего спая и холодных концов термопары (а точнее, ток I_и, протекающий в цепи термопары и измерительного механизма), измеряется чувствительным магнитоэлектрическим механизмом. Таким образом, термоЭДС, а следовательно и отклонение 1 подвижной части прибора, функционально связаны с величиной измеряемого тока. Эта зависимость близка к квадратической. По существовавшей ранее классификации в названии термоэлектрических приборов используется буква Т (например, Т131).

Рисунок 8.8 – Простейшая схема термоэлектрического прибора

Термопреобразователи различают контактные и бесконтактные. В контактном термопреобразователе термопара имеет тепловой и гальванический контакты с нагревателем. Бесконтактные термопреобразователи, в которых нагреватель и рабочий конец термопары разделены электроизолятором (например, каплей стекла), используются для создания термобатарей, состоящих из нескольких термопар, соединенных последовательно. Это увеличивает термоЭДС преобразователя, однако при последовательном включении термопар сопротивление цепи измерительного механизма увеличивается и существенного выигрыша в чувствительности не получается.

При измерении малых токов используют вакуумные термопреобразователи. В них нагреватель и термопара помещаются в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. В результате достигается уменьшение потерь на теплоотдачу в окружающую среду и, следовательно, для нагрева рабочего конца термопары требуется меньшая мощность.

ТермоЭДС Е_т пропорциональна мощности Р, выделяемой в нагревателе. В свою очередь эта мощность пропорциональна квадрату измеряемого тока I_x. ТермоЭДС создает в цепи термопары и измерительного прибора постоянный ток I_и, который вызывает отклонение подвижной части измерительного механиз­ма α. Таким образом,

где С, С₁, С₂ и С₃ – постоянные коэффициенты, зависящие от свойств термопары и параметров измерительного прибора, откуда

Из формулы (8.19) видно, что показания термоэлектрических приборов пропорциональны квадрату действующего (среднего квадратического) значения измеряемого тока. Однако квадратичный характер шкалы прибора сохраняется лишь на начальном ее участке, а затем искажается по причине увеличения потерь теплоты нагревателем в окружающую среду.

То, что отклонение α связано с действующим (средним квадратическим) значением измеряемого тока, обеспечивает независимость показаний от формы кривой измеряемой величины. Достоинствами приборов являются также высокая чувствительность и. широкий частотный диапазон измерений – вплоть до сотен мегагерц. Однако на частотах, начиная с 10 МГц, частотная погрешность увеличивается до 5-10 %. Это объясняется проявлением на высоких частотах поверхностного эффекта, что повышает сопротивление нагревателя, и влиянием собственных емкостей, через которые часть измеряемого тока ответвляется, минуя нагреватель.

Недостатками термоэлектрических приборов являются малая перегрузочная способность, ограниченный срок службы термопар, зависимость показаний приборов от температуры окружающей среды и значительное собственное потребление мощности (в амперметрах на 5 А примерно 1 В∙А), вследствие чего шунты для расширения пределов измерения не применяются (как правило, каждый поддиапазон измерений имеет собственный термопреобразователь с соответствующей чувствительностью).

В настоящее время применяются многопредельные термоэлектрические приборы для измерения переменных и постоянных токов от 100 мкА до 100 А классов точности 1,0 и 1,5. В качестве вольтметров термоэлектрические приборы практи­чески не используются из-за небольшой величины входного сопротивления.