Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока (стр. 3 из 6)

Принцип действия основан на взаимодействии электрически заряженных подвижных и неподвижных проводников (пластин).

Конструктивно они выполняются в виде неподвижной и подвижной пластин, к которым прикладывается измеряемое напряжение (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Устройство электростатических приборов: а — с изменяющейся рабочей площадью пластин; б — с изменяющимся расстоянием между пластинами; в — высоковольтного

1 и 2 — (неподвижная и подвижная пластины; 3 — высоковольтный электрод; 4 — заземленный электрод; 5 - металлическая труба; 6 - изолятор

Электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтмет-рами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала, градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.

Достоинства: большие пределы измерений (до 1 MB); при измерении постоянного напряжения мощность от измеряемой цепи не потребляется и входное сопротивление стремится к бесконечности; широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30 МГц).

Недостатки: малая чувствительность; изменение емкости в процессе измерения; малая надежность; нелинейность шкалы; влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля.

Для уменьшения влияния внешнего электрического поля применяется экранирование. Электростатический экран представляет собой в простейшем виде слой электропроводящей краски на внутренних стенках корпуса прибора. Экран лучшего качества делают из латунной фольги.

Электростатические приборы выполняют в виде щитовых и переносных вольтметров и киловольтметров для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 20 Гц до 30 МГц. Ограничение рабочей частоты обусловлено собственной резонансной частотой входной цепи, определяемой входной емкостью прибора и индуктивностью вводов и подводящих проводов.

Входная емкость для разных приборов составляет от 4 до 30 пФ и резонансная частота — от 50 до 180 МГц. Щитовые приборы выполняют со шкалами от 30 В до 3 кВ класса 1,0 и 1,5 на частоты до 1 МГц. Переносные — со шкалами от 30 В до 3 кВ класса 0,5; 1,0 и 1,5 на частоты до 30 МГц. Выпускаются высоковольтные вольтметры на 2) —75, 100 и 300 кВ класса 1,0 и 1,5 на частоты от 50 кГц до 5 МГц.

На рис. 1.8, показана конструкция одного из киловольтметров.

1.6 Термоэлектрические приборы

При настройке и контроле режима антенных и других колебательных систем радиотехнических устройств возникает необходимость в измерении токов высоких частот. Электромагнитные и электродинамические приборы непригодны для этой цели из-за больших значений индуктивностей катушек и входных емкостей. Ограниченно используются и выпрямительные приборы, обладающие значительной входной емкостью. Наибольшее применение для измерения токов в широком диапазоне высоких и низких частот получили термоэлектрические приборы.

Термоэлектрический прибор – магнитоэлектрический механизм с термопреобразователем. Приборы с термопреобразованием предназначены для работы в цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического милли- или микроамперметра (рис. 1.9).

а) б) в)

Рис.1.9. Термоэлектрический прибор

а) контактный термопреобразователь; б) бесконтактный термопреобразователь; в) – вакуумный термопреобразователь

В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары стеклянной или керамической бусинкой, так что между ними существует только незначительная емкостная связь. Чувствительность бесконтактного преобразователя ниже, чем контактного. В вакуумном термопреобразователе нагреватель и термопара помещены в стеклянный баллончик с давлением воздуха 10-³—10^-4 Па.

Нагреватель представляет собой тонкую проволочку из манганина или нихрома. Термопара состоит из разнородных металлов или сплавов, устойчивых при высоких температурах. Распространены пары хромель—копель, рабочая температура 600—800 °С, термоЭДС при 100 °С — 6,95 мВ. В образцовых термопреобразователях применяется пара платина — платинородий, работающая при температуре 17-50 °С; термоЭДС при 100 °С — 0,64 мВ.

Максимальное значение измеряемого тока определяется сечением нагревателя и составляет от единиц миллиампер до десятков ампер. При необходимости измерения токов больших значений применяют трансформаторы тока. Максимальная частота измеряемого тока также зависит от сечения нагревателя и его длины и при минимальных размерах достигает сотен мегагерц.

Достоинства: независимость показаний от формы кривой измеряемого тока, широкий частотный диапазон.

Недостатки: — малая чувствительность, неравномерность шкалы, тепловая инерция, недопустимость перегрузки. Влияющими величинами являются температура окружающей среды и частота измеряемого тока.

Для уменьшения дополнительной температурной погрешности последовательно с магнитоэлектрическим миллиамперметром включают резистор из манганиновой проволоки. Дополнительная частотная погрешность зависит от размеров нагревателя, его поверхностного эффекта и паразитной емкости прибора. В приборах с контактным преобразователем эта емкость достигает 10— 15 пФ, с бесконтактным — 1 пФ.

Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно в качестве амперметров и миллиамперметров. Термоэлектрические вольтметры применяются редко вследствие малого входного сопротивления и низкой чувствительности.

1.7 Выпрямительные приборы

Для измерения тока и напряжения в цепях повышенной частоты широко применяются выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра (рис. 1-10а). В качестве выпрямительных элементов используются полупроводниковые (германиевые или кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентом выпрямления. Действие приборов основано на преобразовании с помощью диодов измеряемого переменного тока или напряжения в пропорциональный последнему постоянный ток, регистрируемый чувствительным магнитоэлектрическим измерителем, отсчет, по шкале которого производится в значениях измеряемой величины.

Выпрямительные приборы работают по схемам одно- или двухполупериодного выпрямления.измеряемый ток любой формы вызывает отклонение подвижной части выпрямительного прибора, пропорциональное средневыпрямленному значению. Шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы.

Рис.1.10 Выпрямительный прибор

Главными источниками погрешностей выпрямительных приборов являются: погрешность градуировки миллиамперметра; емкость диодов; изменение температуры окружающей среды; выход частоты за пределы рабочего диапазона; отклонение формы кривой измеряемого тока от синусоидальной.

Для измерения больших токов применяют приборы со схемой, представленной на рис. 1.11а. Здесь резисторы R являются шунтами для каждого полупериода тока.В многопредельных амперметрах набор таких шунтов помешают внутри корпус прибора и переключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит из выпрямительного миллиамперметра и добавочного резистора R_д (рис. 1.11б). Добавочные резисторы располагают внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключают их при изменении предела измерения.

Рис.1.11. Схемы выпрямительных приборов

Внутреннее сопротивление выпрямительного вольтметра на каждом пределе разное, поэтому его выражают в виде числа Ом, приходящегося на 1 В, например 6000 Ом/В, 10 000 Ом/В и т.д.

Выпрямительные приборы обычно имеют класс точности не выше 2,5. Это объясняется тем, что различные экземпляры полупроводниковых диодов недостаточно однородны по своим характеристикам и параметрам, которые к тому же со временем несколько изменяются. Поэтому расчет выпрямительного прибора может быть произведен лишь приближенно, в процессе его наладки возникает необходимость в подборе диодов и подгонке электрических номиналов других элементов схемы.

Градуировочная характеристика прибора должна систематически проверяться и корректироваться, особенно при замене выпрямительных элементов. Вследствие зависимости прямого и обратного сопротивлений диодов от температуры приборы имеют заметную температурную погрешность, достигающую 3—4% на каждые 10 К отклонения температуры от 20° С. Способами температурной компенсации и теплоизоляции удается получить диапазон рабочих температур от .—30 до +(40—50)° С.

Достоинства: высокая чувствительность; малое потребление энергии.

Недостатки: низкая точность; малая перегрузочная способность; влияние формы тока.

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения. Снабженные источником постоянного напряжения (малогабаритный аккумулятор или химический элемент), они могут также использоваться для измерения электрического сопротивления.

Логарифмические вольтметры представляют собой однопредельные приборы, позволяющие оперативно измерять или контролировать уровни напряжений или токов, изменяющиеся в процессе наблюдения в очень широких пределах (в десятки и сотни раз). Они находят применение при электроакустических измерениях, измерении напряженности поля, снятии характеристик фильтров и в ряде других случаев. Эти приборы должны обладать переменной чувствительностью, высокой при слабых входных сигналах и постепенно понижающейся с возрастанием уровня сигнала. Их шкалы при производстве отсчета в единицах измеряемого напряжения имели бы логарифмический характер, однако при выполнении отсчета в относительных единицах — децибелах они получаются почти равномерными.