стр.92-132 (Раздаточные материалы), страница 2

Пример 3.1. Класс точности большинства электромеханических приборов обозначен одной цифрой ± р. Покажем, как пользоваться ука­занным значением класса точности.

При измерении напряжения промышленной сети вольтметром электромагнитной системы класса точности 1,5 со шкалой, максималь­ное значение которой U_N = 300 В (номинальное значение), показания прибора составили 220 В. Чему в действительности может быть равно измеренное значение напряжения?

Решение. Полагая, что согласно (2.28) наибольшая приведенная основная погрешность составляет р = ± 1,5%, определим допускаемую абсолютную погрешность:

А = ± pU_N /100 = ± 1,5 300/100 = ±4,5 В.

Следовательно, истинное значение измеряемого напряжения лежит в границах:

220 - 4,5 В < U_ист < 220 + 4,5 В. Данное неравенство указы­вает на то, что истинное значение не может отклоняться от измеренного на величину более, чем ± 4,5 В. В действительности это отклонение, как правило, оказывается меньшим, так как при установлении класса точно­сти учитывается наихудшая комбинация факторов, влияющих на инст­рументальную погрешность прибора.

Электродинамическая система — измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвиж­ную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой:

, (3.8)

где М_вр — вращающий момент; I₁, — ток через неподвижную катушку; I₂ — ток через подвижную катушку; Э — фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М — коэффициент взаимной индуктивности катушек.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток выполняют вольтметры, амперметры, ваттметры. Достоинством электродинамических вольтметров и ам­перметров является высокая точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может составлять 0,1...0,2 % что является наилучшим достижимым показателем для измеритель­ных приборов переменного тока. Электродинамические приборы используют как образцовые лабораторные измерительные приборы. Электростатические приборы — принцип действия электро­статического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, за­крепленная вместе с указателем, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Движение ограничивает пружинка. Элек­тростатические приборы по принципу действия механизма явля­ются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратиче-ское значение напряжения.

Магнитоэлектрические приборы с преобразователями переменного тока в постоянный

Описанные выше приборы не решают многих проблем, возни­кающих при измерении разных величин на переменном токе: элек­тромагнитный и электродинамический — низкочастотны, электростатический обладает низкой чувствительностью. Примене­ние магнитоэлектрического механизма в сочетании с преобразовате­лем переменного тока в постоянный позволяет существенно расширить возможности измерений на переменном токе. По типу преобразователя данные приборы делят на выпрямительные и тер­моэлектрические (см. табл. 3.3).

Выпрямительные приборы состоят из полупроводникового диодного преобразователя переменного тока в постоянный. Вследствие нелинейности вольтамперной характеристики диода спектр протекающего через него тока содержит составляющие частот, кратные частоте измеряемого напряжения, а также посто­янную составляющую, отражающую информацию о значении измеряемой величины.

Технически удобнее выделить постоянную составляющую выходного тока (или напряжения), если ее значение связано оп­ределенной функциональной зависимостью с измеряемым на­пряжением, и которая может служить сигналом измерительной информации. В этом случае основные операции, выполняемые

электрической схемой вольтметра: преобразование измеряемого напряжения с помощью нелинейного устройства, выделение по­стоянной составляющей и ее измерение показывающим измери­тельным прибором.

Таблица 3.3. Магнитоэлектрическая система с преобразователями

Схему преобразователя можно строить разными способами, но в результате через измерительный механизм должен протекать однополярный пульсирующий ток (двухполупериодный или од-нополупериодный).

В табл. 3.3 показан простейший двухполупериодный (двух­тактный) диодный выпрямитель. В силу того, что магнитоэлек­трическая измерительная система реагирует на постоянный ток, показания прибора будут пропорциональны средневыпрямленно-му значению переменного тока или напряжения. Данное обстоя­тельство является очень существенным, так как часто приборы проградуированы в средних квадратических значениях синусои­дального тока. Это значит, что на шкале прибора представлено не то значение, на которое реагирует прибор (т.е. средневыпрямлен-ное), а величина, умноженная на К_ф= 1,11.

При измерении параметров переменного негармонического сигнала, практически всегда возникает методическая погреш­ность. Например, при градуировке измерительного прибора на синусоидальном токе точке шкалы в 100 В соответство­вало средневыпрямленное значение напряжения 90 В. Если на этот измерительный прибор подать напряжение, имеющее форму меандра с параметрами, изображениими на рис. 3.3 (напомним,что у такого сигнала К_а = К_ф= 1, т.е. U_m=U = U_cp.в≈ 90 В), то его показания также будут около 100 В (1,11U_cp.в) и абсолютная по­грешность составит: = 100 - 90 = 10 В.

Рис. 3.3. Напряжение меандровой формы

Выпрямительные приборы применяют как комбинированные измерители постоянного и переменного тока и напряжения с пределами измерения тока от 1 мА до 600 А, напряжения — от 0,1 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов являются высо­кая чувствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется применяемы­ми диодами. Так, использование точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений на час­тотах 50... 10⁵ Гц. Выпрямительные приборы выполняют в виде многопредельных и многоцелевых лабораторных измерительных приборов. К этому типу измерительных приборов относится так называемый тестер.

Приборы термоэлектрической системы состоят из термо­электрического преобразователя (проще, термопреобразователя) и магнитоэлектрического микроамперметра. Термопреобразова­тель содержит нагреватель с протекающим по нему измеряемым током, и термопару, на концах которой возникает термоЭДС. Для измерения термотока в цепь термопары включен микроампер­метр. Рабочий спай термопары находится в тепловом контакте с нагревателем, который представляет собой тонкую проволоку из металлического сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин). Еще более тонкие проволочки из термоэлек­тродных материалов применяют для изготовления термопары. При прохождении измеряемого тока через нагреватель, место его контакта с термопарой нагревается до требуемой температуры, а холодный спай остается при температуре окружающей среды, функционирование прибора основано на тепловом действии тока, и поэтому магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем измеряет среднее квадратическое значение пе­ременного тока любой формы.

Термоэлектрические приборы применяют в основном для измерения токов. В качестве вольтметров практически не исполь­зуют, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало. Дос­тоинством термоэлектрических приборов является широкий частотный диапазон (до 10 МГц). Недостатки: невысокая чувст­вительность, низкий класс точности (1,5...4,0).

3.3. Компенсаторы постоянного тока

Наиболее точные измерения можно выполнить методом сравнения с мерой. Приборы, в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной, называют компенсаторами. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения из­вестным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксирует нуль-индикатор (НИ), реаги­рующий на очень маленькие постоянные токи. Разработаны ком­пенсаторы переменного и постоянного тока.

Упрощенная схема компенсатора постоянного тока для изме­рения напряжения U_x показана на рис. 3.4. Источник постоянного напряжения Е₀ создает рабочий ток I_р в цепи, состоящей из по­следовательно включенных измерительного R_И, установочного (образцового) R_y и регулировочного R_per резисторов. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормаль­ный элемент Е_нэ — изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20 °С равно 1,0186 В. Установочный резистор R_y представляет собой катушку сопротивления специальной конст­рукции с точно известным и стабильным сопротивлением.

Рис. З.4. Упрощенная схема компенсатора постоянного тока

С помощью переключателя нуль-индикатор вначале включа­ется в цепь установочного сопротивления R (положение пере­ключателя 1). При этом регулировочным сопротивлением R _рег добиваются отсутствия тока в цепи нуль-индикатора. Это означа­ет, что I_pR_y=E_HЭ, откуда значение рабочего тока определяется как I_p = Е_НЭ/R_y= 10^-n А (для каждого типа компенсатора величина п — число индивидуальное и неизменное, что обеспечивается постоянством параметров источника напряжения Е_нэ и устано­вочного сопротивления R ). Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение переключателя 2) и изменением измерительного сопротивления R _и добиваются нулевого тока, а зна­чит, равенства U_х=I_pR = E_HЭR/Ry. Итак, измеряемое напряжение оп­ределяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы измерительной цепи, так как в момент измерения ток через индика­тор не протекает.

С помощью компенсатора можно также определять ток в ис­следуемом устройстве, преобразовав его предварительно в на­пряжение согласно формуле l_x = U_x/R₀, где R₀ — некоторое образцовое расчетное сопротивление.

При измерениях напряжений на производстве применяют ав­томатические компенсаторы, в которых поддерживается разност­ное значение с помощью следящей системы (R_нач и R_KOH — части измерительного сопротивления R_и в начале и конце цикла слежения).

Погрешность компенсатора определяется погрешностями ре­зисторов R_и, R_y, ЭДС нормального элемента Е_нз, а также чувстви­тельностью нуль-индикатора. Современные потенциометры постоянного тока имеют класс точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения составляет 1 ...2,5 В. Нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.

3.4. Аналоговые электронные вольтметры

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление — велико. Поэтому в последние годы в основном используют электронные вольтметры.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В от­личие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.