Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

сильно сказывается влияние паразитных параметров ампер-

метра.

Измеряемые переменные напряжения и ток оцениваются

следующими параметрами: амплитудой, средним, средневы-

прямленным и эффективным значениями.

Амплитуда измеряемого напряжения U

определяется

как его наибольшее значение за период Т (рис. 3.1, а).

Рис. 3.1. Временные диаграммы, поясняющие определе-

ние параметров переменного напряжения:

а - амплитуда;

б - пиковые;

в - средневыпрямленное значение.

Для несимметричного относительно нуля напряжения

вводят понятия пиковых отклонений вверх U

и вниз U

(рис 3.1,б). Среднее значение

∫

xср

dt)t(u

, (3.1.)

Средневыпрямленное значение U

св

(рис. 3.1, в) дооп-

ределяется как постоянная составляющая напряжения u

по-

сле его двухполупериодного выпрямления:

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

∫

xсв

dtu

· , (3.2.)

Действующее или эффективное значение U

эф

оценивается

по среднеквадратичному значению измеряемого напряжения:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

∫

xэф

dt)t(u

U , (3.3.)

Квадрат эффективного значения численно равен сред-

ней мощности, рассеиваемой на сопротивлении 1 Ом.

Каждому закону изменения напряжения соответствуют

определенные количественные соотношения между U

, U

св

эф

Эти соотношения оценивают коэффициентами амплитуды

= U

эф

и формы k

= U

эф

св

. Так, для гармонического

напряжения k

= 1,41, k

= 1,11, меандр без постоянной

составляющей характеризуется k

= k

= 1. Если известны

коэффициенты k

и k

измеряемого напряжения, то по одно-

му из параметров U

, U

св

или U

эф

можно определить два

других. Например, если намерена амплитуда U

, то

эф

U =

фa

св

В соответствии с измеряемым параметром различают

вольтметры и амперметры амплитудного значения (пико-

вые), среднего, средневыпрямленного и эффективного зна-

чений.

Постоянный ток и среднее значение переменного тока

измеряют магнитоэлектрическими приборами, которые можно

также использовать для измерения амплитуды токов диапа-

зоне инфранизких частот. Если постоянная времени под-

вижной системы много меньше периода измеряемого тока,

то положение подвижной системы определяется мгновенным

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

значением тока и его амплитуда измеряется по максималь-

ному отклонению стрелки.

Средневыпрямленное значение тока измеряют ампермет-

рами выпрямительной системы.

Они представляют собой сочетание преобразователя

средневыпрямленного значения на основе диодного выпря-

мителя и магнитоэлектрического прибора. Амперметры

средневыпрямленного значения применяют в звуковом диа-

пазоне частот.

Для измерения эффективного значения тока предназна-

чены амперметры термоэлектрической системы, состоящие

из термопары, подогреваемой измеряемым током. Значение

термо-э.д.с обычно измеряют магнитоэлектрическим прибо-

ром. Амперметры термоэлектрической системы сохраняют

свою работоспособность в широком диапазоне частот – до

сотен мегагерц.

Простейшие вольтметры постоянного напряжения и

вольтметры средневыпрямленного значения строят анало-

гично соответствующим измерителям тока, но последова-

тельно с прибором включают добавочный резистор. Входное

сопротивление таких вольтметров оказывается недостаточ-

но большим для измерений в высокоомных цепях.

Существенно большим входным сопротивлением, дости-

гающим 10 МОм, обладают электронные вольтметры, которые

применяют в диапазоне частот до 1...3 ГГц. Важным дос-

тоинством этих приборов является их способность выдер-

живать большие перегрузки.

Подавляющее большинство измерений в радиотехниче-

ских цепях производится с помощью электронных вольтмет-

ров.

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

3. 2. Амперметры средневыпрямленного и

действующего значения

Амперметры средневыпрямленного значения реализуют

по нескольким схемам, отличающимся способом построения

выпрямителя. В схеме, показанной на рис. 3.2, а, через

цепь, состоящую из магнитоэлектрического прибора с со-

противлением рамки R

и диода Д

, протекают положитель-

ные полуволны тока i

. Отрицательные полуволны замыкают-

ся через диод Д

и резистор R. Показание прибора

пропорционально среднему значению положительных полу-

волн тока i

, т.е. половине средневыпрямленного значе-

ния.

Рис. 3.2. Амперметры средневыпрямленного значения

Сопротивление резистора R выбирают равным сопротив-

лению рамки магнитоэлектрического прибора, поэтому от-

носительно внешней цепи прибор линеен и его сопротивле-

ние равно R+R

, где R

– сопротивление диодов в прямом

направлении.

В приборе, построенном по схеме на рис. 3.2, б,

преобразователь средневыпрямленного значения выполнен

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

по мостовой схеме. Как положительный, так и отрицатель-

ный полупериоды тока протекают через магнитоэлектриче-

ский прибор в одном направлении, поэтому его показание

равно средневыпрямленному значению измеряемого тока.

Нижняя граница частотного диапазона амперметров

средневыпрямленного значения обусловлена инерционностью

подвижной части магнитоэлектрического прибора. Если пе-

риод тока окажется соизмеримым с постоянной времени

подвижной части, то стрелка начнет колебаться с часто-

той изменения тока и отсчет средневыпрямленного значе-

ния станет затруднительным. Для магнитоэлектрических

приборов разной конструкции это явление наступает на

частотах, меньших 10...30 Гц. На частотах, превышающих

10...30 кГц, на цепь, в которой производится измерение,

сильно влияют паразитные параметры: индуктивность рамки

и соединительных проводов, а также емкость прибора на

землю. В рабочем диапазоне частот погрешность промыш-

ленных образцов амперметров средневыпрямленного значе-

ния составляет 1,5...3%.

Амперметры эффективного значения строятся на основе

термоэлектрических преобразователей. Преобразователь

представляет собой сочетание термопары и подогревателя

1, по которому протекает ток i

(рис. 3.3). Термопара

образована двумя термоэлектродами 2 и 3 из разнородных

металлов. Подогреватель соединен с рабочим (горячим)

спаем 4 термопар. К нерабочим (холодным) спаям 5 и 6

подключен магнитоэлектрический прибор.

Из-за тепловой инерции подогревателя можно считать,

что его температура в установившемся режиме практически

не меняется при изменении мгновенной мощности. Тогда

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

тепловое состояние подогревателя, а следовательно и ра-

бочего спая термопары, можно описать уравнением

∫

−==

21н

эфн

)TH(TRIdtt)R(

, (3.4.)

где Т и Т

- температура горячего и холодного спаев

термопары;

Н - коэффициент теплоотдачи, который не зависит

от температуры, если перенос тепла от горячего спая во

внешнюю среду происходит за счет теплопроводности тер-

моэлектродов и нагревателя. Если же в тепловом равнове-

сии существенную роль играет излучение, то появляется

зависимость Н от температуры.

Рис. 3.3. Амперметры эффективного значения с термо-

парой.

Температура нерабочего (холодного) спая T

поддер-

живается постоянной за время измерений, и разность T

-T

является функцией средней мощности, рассеваемой на по-

догревателе, или квадрата эффективного значения тока.

Между холодными спаями термопары возникает термо-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

э.д.с., значение которой является функцией разности

температур: Е

= f(T

-Т

). Для малых разностей темпера-

тур эту функцию южно считать линейной и приближенно

можно принять

)Tk(TE

21Т

−≈

, (3.5.)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий

от конструкции термопары и материала термоэлектродов.

Поделив (3.5.) на (3.4.) и тем самым исключив раз-

ность температур, получим

эфT

эф

IkI

E == , (3.6.)

где

= .

Шкалу прибора Е

, измеряющего градуируют в эффек-

тивных значениях тока.

Показанный на рис. 3.4. термопреобразователь с

гальваническим контактом между подогревателем и термо-

парой применяется только на низких частотах, поскольку

цепь измерителя связана с цепью измеряемого тока. Бо-

лее распространены бесконтактные термопреобразователь,

в которых отсутствует гальваническая связь, а тепловой

контакт между подогревателем и термопарой осуществляет-

ся с помощью керамического или стеклянного шарика.

При этом электрическая связь между подогревателем

и термопарой будет определяться емкостью и взаимной ин-

дуктивностью между ними.

Для уменьшения индуктивной связи подогреватель и

термоэлектроды выполняют прямолинейными и располагают

крестообразно.

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Рис. 3.4. Схемы термопреобразователей: а - непо-

средственного контакта; б – косвенного контакта

Термопреобразователи часто помещают в вакуумный

баллон, тем самым уменьшая теплоотдачу от нагревателя,

а следовательно, повышая чувствительность. В вакуумных

термопреобразователях термоэлектроды и подогреватель

защищены от воздействия внешней среды, поэтому такие

термопреобразователи наиболее стабильны и долговечны.

В зависимости от конструкции подогревателя сущест-

вуют термопреобразователи на различные токи. Так, про-

мышленностью выпускаются термопреобразователи ТВБ девя-

ти типов на максимальные токи от 1 до 500 мА.

Максимальное значение тока подогрева соответствует тер-

мо-э.д.с, от 2,5 до 12 мВ для термопреобразователей

этих типов. Вакуумные термопреобразователи ТВБ предна-

значены для работы в широком диапазоне частот до 200

МГц. Время установления показаний при включении тока

подогрева, характеризующее тепловую инерционность пре-

образователей, составляет около 4 с.

Для повышения чувствительности термопреобразовате-

лей термопары соединяют последовательно, а нагреватель

является общим для всех термопар. Такие преобразовате-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

ли, называемые термобатареями, могут содержать десятки

термопар и более.

Погрешность измерения эффективного значения тока

обусловлена несколькими основными причинами. При дли-

тельной работе термопреобразователя происходит посте-

пенное нагревание нерабочих спаев, что приводит к

уменьшению термо-э.д.с. Этот эффект можно уменьшить,

соединив нерабочие спаи с массивными медными пластина-

ми, обладающими хорошей теплоемкостью и хорошо охлаж-

даемыми.

С ростом рабочей частоты начинает проявляться по-

грешность, обусловленная емкостью прибора относительно

земли и собственной индуктивностью подогревателя и со-

единительных проводов. Кроме того, из-за поверхностного

эффекта в подогревателе на высоких частотах его сопро-

тивление оказывается больше, чем на постоянном токе, и

возрастает мощность, рассеиваемая в подогревателе.

Термопреобразователи подвержены старению из-за из-

менений электрических свойств термопары, особенно силь-

но изменяются ее свойства в результате перегрузок. Пре-

вышение максимального тока в 2...3 раза может вывести

термопреобразователь из строя. Приведенная погрешность

амперметров с термопреобразователями составляет от 1% и

более.

3. 3. Структурные схемы электронных вольтметров

Электронные вольтметры делятся на аналоговые (стре-

лочные) и цифровые. Как правило, цифровые вольтметры

имеют повышенную точность по сравнению с аналоговыми.

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Большая часть вольтметров состоит из входного уст-

ройства, усилителя, преобразователя переменного напря-

жения в постоянное и измерителя постоянного напряжения

(рис. 3.5). Ко входу вольтметра может подводиться об-

разцовое напряжение с калибратора. В вольтметрах посто-

янного напряжения преобразователь отсутствует.

Рис. 3.5. Структурная схема электронного вольтметра.

Измеряемое напряжение подводят к входному устройст-

ву с большим входным сопротивлением, включающему в себя

ступенчатый аттенюатор для переключения пределов изме-

рений. Иногда входное устройство цифровых вольтметров

постоянного напряжения позволяет автоматически выбирать

полярность при включении прибора, а цепь с произвольной

полярностью.

Значительная часть цифровых вольтметров имеет авто-

матический выбор пределов измерений. Простейший способ

заключается в том, что перед измерением устанавливается

наиболее чувствительная шкала. Если входное напряжение

превышает установленный предел, то вольтметр перегружа-

ется и автоматически переходит на менее чувствительную

шкалу. Процесс переключения шкал повторяется до тех

пор, пока перегрузка не прекратится.

В более совершенных устройствах после включения

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.