2.3. 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 по­лупроводникового 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 к_в, представляющим собой отношение сопротивлений диода в обратном и прямом направлениях:

К = W*np • <²-³⁶⁾

Коэффициент выпрямления зависит от приложенного напряжения, 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. 2.10 и 2.11 соответственно. На этих схемах показано также включение измерительного механизма амперметра А.

При однополупериодном выпрямлении (рис. 2.10) 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. На рис. 2.10 направление прохождения прямой волны обозна­чено сплошной, а обратной волны — пунктирной стрелкой. Показано также, какую форму имеют токи, протекающие в различных участках цепи.

ОЛЛ/

АЛЛ;

Рис. 2.10

Рис. 2.11

При двухполупериодном выпрямлении (рис. 2.11, а) ток проходит через рамку измерительного механизма в течение обоих полупериодов: в положительный полупериод по пути VD1—A— VD4, в отрицательный — по пути VD2—A—VD3. Двухполупериодная схема обеспечивает в 2 раза большее значение тока в рамке /_и, 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. 2.11, 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 (t), а от его среднего значения за период _ср, который, в

свою очередь, пропорционален среднему значению тока, протекающего через рамку / :

1 Т Т

М = _ jAf (t)dt = i- f BwSi(t)dt = BwS x Ър, ^CP _т о ^BP T o

1 т

x J I (t) dt = BvjSI (2.37)

т 0

где В, w и S — магнитная индукция, число витков и площадь рамки соответственно.

Следовательно, уравнение преобразования имеет вид

« = ^вр, ср№ = = Vcp . (2-³⁸)

где Sj — чувствительность магнитоэлектрического механизма к току [см. уравнение (2.10)].

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

'с_Р = '/*ф. (2-39)

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

а = (У*_ф)/- (2.40)

Чаще всего измеряются токи синусоидальной формы, поэтому шкала обычно градуируется в действующих значениях для синусоидальной фор­мы кривой. Если выпрямление однополупериодное, то кф = к^ = = 7Г\\fll - 2,22, если двухполупериодное, то к^ = ⁼ тг/2у/Т= 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.

Для расширения пределов измерения в выпрямительных амперметрах используются шунты PS (рис. 2.12), а в вольтметрах добавочные рези­сторы (рис. 2.13, а) и делители напряжения (рис. 2.13, б). Делители

напряжения для выпрямительных вольтмет­ров обычно выполняются на резисторах. Коэффициент деления, равный отношению выходного и входного напряжений, опреде­ляется выражением U₂jU_l = 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 лабораторнойшрактике.

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. 2.14).

ф

PS

Рис. 2.12

Термопреобразователь включает в себя нагреватель 7, 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.

Рис. 2.13

Г©- к

r€h

Л

,. у*: — • \ /

Рис. 2.14

Различают контактные (рис. 2.14, а) и бесконтактные (рис. 2.14, 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. 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. 2.15).

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

Рис. 2.15

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

а = S_Tl_r ;

А = т_к.

где Sj — чувствительность к току микроамперметра; R^ — сопротивле­ние его рамки.

(2.43)

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

Е = кАТ.

Задача, таким образом, сводится к определению зависимости AT (Г). 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.

PR_Ht = k_TATt, (2.44)

где i?_H — сопротивление нагревателя; t — время; к_т — коэффициент теплоотдачи.

Из (2.44) следует, что

AT = (llk_T)R_HP. (2.45)

Из уравнений (2.41) - (2.43) и (2.45) можно составить уравнение преобразования

а = (SjkRjR^yP = тР, (2.46)

_ч где т— 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),