книги / Электрорадиоизмерения

Кроме того, эти приборы плохо переносят механические воздействия, требовательны к уходу и обслуживанию.

Приборы электродинамической системы используются в качестве амперметров, вольтметров и ваттметров. Электро­ динамические логометры применяются для измерения час­ тоты, угла сдвига фаз и емкости.

Ферродинамические измерительные механизмы. Ферро-

	динамические				измерительные				механизмы отличаются от
	электродинамических						нали­
	чием	магнитопровода					внутри
	неподвижной				катушки			1 и
	подвижной			катушки			2.	Это
	позволяет			получить			сильное
	магнитное			поле в воздушном
	зазоре		и	большой			вращаю­
	щий момент. Увеличение вра­
	щающего			момента		повышает
	чувствительность приборов и
	дает	возможность				повысить
	их прочность. Внешние							маг­
	нитные		поля		на	показания
	ферродинамических					приборов			Рис. 2-13. Устройство ферроди-
	влияют очень мало. В то же
									намического измерительного ме­
	время наличие стальных сер­								ханизма.

дечников существенно увели­ чивает погрешности ферродинамических приборов по сравне­

нию с электродинамическими за счет вихревых токов и по­ терь на гистерезис.

Ферродинамические приборы имеют чаще всего классы точности: 1,5 и 2,5, реже— 1,0. Существуют также от­ дельные ферродинамические приборы класса 0,5 и даже 0,2.

Так же как и электродинамические, ферродинамические механизмы используются в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, частотомерах и фазометрах.

2-7. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Принцип действия электростатических измерительных механизмов основан на взаимодействии электрически заря­ женных пластин. На рис. 2-14 схематично показано уст­ ройство одного из механизмов электростатической системы. Между неподвижными пластинами / может перемещаться подвижная пластина 2, укрепленная на оси 3.

При подключении к прибору напряжения подвижная и неподвижные пластины получают противоположные за­ ряды и между ними возникает электрическое поле. В резуль­ тате подвижная пластина втягивается в зазор между не­

	подвижными,		создавая			вра­
	щающий	момент,		под		дейст­
	вием которого перемещается
	укрепленная		на	оси		указа­
	тельная стрелка. Противодей­
	ствующий	момент			создается
	спиральной пружиной 4. Для
	повышения чувствительности
	приборов	увеличивают коли­
	чество подвижных				и	непод­
	вижных пластин. Успокоите­
	ли в электростатических при­
	борах применяются				магнито­
Рис. 2-14. Устройство электро­	индукционные		или		воздуш­
статического измерительного ме­	ные.	подвижная и				непо­
ханизма.	Если
	движные	пластины			получили

заряды ql и q2соответственно, то сила взаимодействия между ними пропорциональна произведению этих зарядов

F = Ki4iq+	(2-19)
Считая, что заряды qi и q2 равны по величине,	можем
написать:
<7I = ?2= CU,
где С — емкость между пластинами механизма;
U — напряжение, подведенное к пластинам.

Предполагая, что емкость С постоянна, преобразуем выражение (2-19) к виду

F = KI (CU)2 = K2UK

Вращающий момент в свою очередь пропорционален силе, действующей на подвижную пластину, т. е.

М й?= K 3F =		K 2K 3U 2 =	К , U 2.
При равновесии	подвижной части
М	Вр = М пр;	K AU 2 =	D a ,
откуда
	a = ^ U 2= K U \		(2-20)

Из выражения (2-20) следует, что шкала электростати­ ческих приборов квадратичная. Они могут быть исполь­ зованы в цепях постоянного и переменного тока. На самом деле емкость не постоянна, а зависит от угла поворота под­ вижной части. Выбором формы пластин и их взаимного расположения добиваются такого закона изменения емко­ сти (а следовательно, и коэффициента К) от угла поворота, чтобы шкалу прибора сделать почти равномерной (примерно на 80% ее длины).

Приборы электростатической системы применяются для измерения постоянных и переменных напряжений. В цепях переменного тока они измеряют действующее значение напряжения.

Показания электростатических вольтметров не зависят от внешних магнитных полей, частоты, формы кривой на­ пряжения и почти не зависят от температуры. Влияние частоты начинает существенно сказываться только на высо­ ких частотах, поэтому приборы электростатической системы применяются для измерения напряжений с частотой при­ мерно до 30 МГц. Внешние электростатические поля ока­ зывают значительное влияние на их точность. Для умень­ шения этой дополнительной погрешности применяют элект­ ростатическое экранирование.

Электростатические вольтметры обычно имеют классы точности: 0,5; 1,0; 1,5 и 2,5. Существуют также приборы электростатической системы и более высоких классов точности, вплоть до 0,05.

Достоинством электростатических вольтметров является большое входное сопротивление, которое на постоянном токе бесконечно велико, а на переменном — определяется входной емкостью, не превышающей обычно 10 пФ, и час­ тотой измеряемого напряжения. Активной мощности при­ боры электростатической системы практически не потреб­ ляют.

Основными недостатками электростатических вольт­ метров являются низкая чувствительность и неравномер­ ность шкалы, которая сжата вначале. Из-за низкой чувст­ вительности они не могут быть использованы для измерения малых напряжений. Верхние пределы измерения электро­ статических киловольтметров могут достигать 300 кВ. Выпускаются также вольтметры для измерения сравнительно невысоких напряжений с пределами порядка 10—30 В.

Индукционные измерительные приборы могут работать только на переменном токе. Схема устройства измерительного механизма этой си­ стемы представлена на рис. 2-15. Основными его элементами являются два неподвижных электромагнита 1 и 2, а также алюминиевый диск 4, который закреплен на оси 3 и может свободно вращаться. По обмоткам электромагнитов текут переменные токи / А и / 2, сдвинутые по фазе на угол ф. Эти токи создают два магнитных потока Ф1 и Ф2, сдвинутые по фазе на тот же угол.

Магнитные потоки, пронизывая диск, наводят в нем э. д. с., под действием которых текут вихревые токи. Поток Ф1 вызывает появление

тока / 1д,

поток Ф2 — тока / 2д (направления всех токов

и магнитных

потоков даны для определенного момента времени).

В результате взаимодействия

потока

Ф± с током

/ 2Д

и потока

Ф2

с током

/ 1д появляются вращающие моменты. Следует

отметить,

что

обязательным условием

работы ин­

дукционного

измерительного меха­

низма

является сдвиг по фазе меж­

ду потоками Ф! и Ф2.

Результирующий

вращающий

момент, действующий на диск, оп­

ределяется по формуле

MBp= KfliIi sin i|>,

где К — коэффициент

пропорцио­

нальности;

/ — частота изменения

токов.

Индукционные

измерительные

механизмы

применяются

главным

Рис. 2-15. Устройство индук­

образом в счетчиках

электрической

ционного

измерительного меха­

энергии

переменного

тока.

Счет­

низма.

чики

являются

интегрирующими

приборами.

В отличие

от

показы­

вающих

приборов

они

не

имеют

пружин или других элементов, создающих противодействующий мо­ мент. При потреблении энергии диск непрерывно вращается. Успо­ каивающий момент, который в индукционных приборах называется тормозящим, создается постоянным магнитом (на рисунке не показан).

Приборы индукционной системы могут применяться в сетях пере­ менного тока с одной определенной частотой. Даже незначительное из­ менение частоты вызывает появление большой погрешности. Поэтому индукционные амперметры и вольтметры не применяются. Кроме того, на показания индукционных приборов существенно влияет изменение температуры окружающей среды. Ваггметры индукционной системы одно время применялись довольно широко, но впоследствии были вытес­ нены более точными ферродинамическими и электродинамическими ваттметрами.

Достоинствами индукционных измерительных механизмов явля­ ются: большой вращающий момент, малое влияние внешних магнитных полей, стойкость к перегрузкам, надежность в работе и невысокая стои­ мость. Благодаря этому индукционные механизмы широко приме­ няются в счетчиках электрической энергии.

Вибрационные измерительные механизмы (язычковые) являются разновидностью электромагнитной системы. Они применяются в часто­ томерах, предназначенных для измерения низкой частоты, главным

образом промышленной.		частотомера показана на
Схема устройства	вибрационного
рис. 2-16, а. Обмотка	электромагнита /	питается переменным током,

частоту которого нужно измерить. Тонкие стальные пластины 2, назы­

ваемые язычками (на					рисун­
ке виден только один язы­
чок),	укреплены			на		общей
планке 4. Эта планка жестко
скреплена с якорем 5, распо­
ложенным			вблизи	сердечни­
ка электромагнита.					Язычки
имеют		различные			частоты
собственных колебаний. Для
удобства		наблюдения				их за­
гнутые		наконечники			покра­
шены светлой краской.
Под		действием перемен­
ного магнитного поля						якорь
дважды		за	период	притяги­
вается	к сердечнику				и отхо­
дит от него. Вместе с якорем
вибрируют язычки. Наиболь­
шей будет			амплитуда			коле­	а)
баний	того		язычка,		у	кото­

рого частота собственных ко­ лебаний совпадает с частотой вынужденных. На шкале

Рис. 2-16. Устройство вибрационного

прибора рядом с каждым язычком указана частота,

частотомера.

с которой он резонирует. Для наблюдателя колеблющийся язычок имеет вид белой полоски, по которой и отсчитываются показания. На рис. 2-16, б показан вид шкалы, когда измеряемая частота равна 49 Гц. Вибрационные частотомеры, как правило, имеют небольшие пределы измерения, например от 45 до 55 Гц. Точность их определяется в основ­ ном точностью настройки язычков. Вибрационные частотомеры обычно имеют погрешность порядка -±1% . Эти приборы могут использоваться только в стационарных условиях, так как частота внешних вибраций может совпадать с собственной частотой отдельных язычков, что вызо­ вет резонанс и, следовательно, ложные показания.

2-10. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Напишите общее условие равновесия подвижной части изме­ рительного механизма.

2.Что такое чувствительность прибора?

3.Что такое постоянная прибора?

4.Какими способами может создаваться в измерительных меха­ низмах противодействующий момент?

5.Каково назначение успокоителя в измерительном механизме?

6.Поясните принцип действия измерительного механизма магни­ тоэлектрической системы.

7.Напишите уравнение шкалы магнитоэлектрического прибора.

8.Что такое логометры?

9.Каковы основные особенности приборов магнитоэлектрической системы?

10.Поясните принцип действия измерительного механизма элект­ ромагнитной системы.

11.Напишите уравнение шкалы электромагнитного прибора.

12.Перечислите основные достоинства и недостатки электромагнит­ ных приборов.

13.Какими способами можно уменьшить влияние внешних маг­ нитных полей на показания приборов?

14.Поясните принцип действия измерительного механизма эле­ ктродинамической системы.

15.Напишите уравнения шкалы электродинамического измери­ тельного механизма на постоянном и переменном токе.

16.Каковы особенности приборов электродинамической системы?

17.В чем состоит основное конструктивное отличие ферродинамических измерительных механизмов от электродинамических?

18.Сравните свойства электродинамических и ферродинамических измерительных механизмов.

19.Где применяются электродинамические и ферродинамические логометры?

20.Поясните принцип действия измерительного механизма индук­ ционной системы.

21.В каких приборах применяются индукционные измерительные механизмы?

22.Поясните принцип действия частотомера вибрационной си­

стемы.

23.Каковы основные особенности вибрационных частотомеров?

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА

3-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение тока — одно из наиболее распространенных измерений в различных областях техники (энергетике, электронике, связи и т. д.).

Частотный диапазон измерения тока лежит в пределах от нуля (постоянный ток) до сотен мегагерц. Индикаторы же тока могут применяться на частотах примерно до 3000 МГц.

Пределы измерения величины тока также широки. Например, постоянный ток можно измерять от 2*10"16А (ВК2-16) до величины порядка сотни тысяч ампер (И505 — до 70 000 А).

Для измерения постоянного тока могут быть использо­ ваны все электроизмерительные механизмы, за исключением

индукционного и электростатического. Однако в силу своих преимуществ, главным образом из-за высокой точности измерений, наибольшее распространение имеют приборы магнитоэлектрической системы.

Для измерения переменного тока промышленной частоты можно применять измерительные механизмы всех систем, за исключением магнитоэлектрической. Наиболее широко используются электромагнитные и электродинамические приборы.

В диапазоне звуковых частот используются в основном выпрямительные приборы, а на высоких частотах — термо­ электрические. Те и другие имеют измерительные механизмы

	магнитоэлектрической			системы. В первом случае преобра­
	зователем		является	выпрями­
	тель, а	во	втором — термоэле­
	мент.	измерении тока				в	це­
	При
	пи последняя размыкается (рис.
	3-1) и	между точками			А	и	Б
	ее разрыва		включается		ампер­
	метр.							Рис. 3-1. Схема включения
	Амперметры могут			быть			по­
								амперметра.
	стоянно	включенными			в	элек­

трическую цепь для контроля ее режима или же вклю­ чаться в нее периодически.

В первом случае ток всегда постоянен по величине, так как при рабочем режиме цепи в ее сопротивление входит и сопротивление прибора.

Во втором случае включение амперметра несколько изменяет ток нагрузки. Значение тока в цепи при отсутст­ вии прибора равно:

где R n — сопротивление нагрузки.

При включении амперметра, обладающего собственным сопротивлением R a>ток нагрузки равен:

г = - и _ Яц+Л. •

Для получения минимальной погрешности сопротивление амперметра должно быть как можно меньше, т. е. R a R„.

Измерение тока в широком диапазоне частот имеет ряд особенностей по сравнению с измерением постоянного и переменного тока промышленной частоты.

Для объяснения этих особенностей рассмотрим экви­

валентную схему амперметра		на высокой	частоте (рис.
3-2, а),	где А и Б — его входные зажимы,		Ci и С2 — их
емкость	относительно земли	(корпуса прибора), С — ем­

кость между зажимами прибора, L и R — индуктивность и активное сопротивление амперметра.

Эту схему можно привести к более простому виду (рис. 3-2, б), обозначив через R' и jX' эквивалентные, активное и реактивное сопротивления амперметра, зависящие от частоты измеряемого тока.

Следовательно, включение амперметра в измеряемую цепь влияет на ее сопротивление, что особенно сильно про­ является на высоких частотах. Это явление в зависимости от частоты измеряемого тока и величины параметров экви­ валентной схемы используемого прибора может привести, например, к короткому замыканию входа прибора или от­ дельных участков исследуемой схемы.

Рис. 3-2. Эквивалентные схемы амперметра на ВЧ„

а — полная; б — приведенная; в — упрощенная.

Если пренебречь влиянием индуктивности прибора, а также емкостей CLи С2 на сопротивление отдельных участ­ ков исследуемой схемы, эквивалентная схема амперметра будет иметь вид представленной на рис. 3-2, в. Из этой схемы следует, что с увеличением частоты измеряемого тока шунтирующее действие входной емкости прибора С„ возрастает и показания прибора уменьшаются.

При очень высоких частотах, когда линейные размеры амперметра соизмеримы с длиной волны, погрешность измерения тока становится очень большой и настолько меняется электрический режим цепи при включенном ампер­ метре, что измерение тока теряет практический смысл.

Для уменьшения погрешности измерения тока высокой частоты амперметром его индуктивность L и емкости CJ( С2 и С должны быть как можно меньше и, кроме того, амперметр нужно включать в такие точки схемы, чтобы реакция, вносимая прибором в исследуемую цепь, была минимальной.

Включение амперметра в исследуемую цепь рекомендует­ ся производить в точки с наименьшим потенциалом отно­ сительно земли (корпуса), так как при этом получается

наименьший ток утечки,

С

не учитываемый

прибо­

ром.

различ­

Рассмотрим

ные

примеры

включе­

ния

прибора

для

изме­

рения тока

в

исследуе­

мую цепь.

Пример 1. При вклю­

чении амперметра

меж­

в)

ду точками а

и б

(рис.

Рис. 3*3. Неправильное (а) и

пра­

3-3, а), имеющими высо­

вильное

(б) включение

амперметра в

кий

потенциал

относи­

цепь ВЧ.

тельно

земли,

значи­

тельная

часть

измеряемого тока будет ответвляться через

емкости

Ci,

С2

и

увеличивать

погрешность

измерения.

Если же амперметр включить между точками в и г

(рис.

3-3, б),

то

емкость

Сг заземляется,

емкости С2

и С

образуют эквивалентную

ем­

кость С0 = Со + С, через кото­

рую

будет

проходить лишь

незначительный ток, обуслов­

ленный падением напряжения

на сопротивлении прибора.

Пример 2. На рис. 3-4 изо­

бражены возможные варианты

включения

амперметра

для

измерения тока

в резонанс­

ном контуре

генератора

вы­

сокой частоты.

При измерении тока высо­

Рис. 3-4. Возможные

варианты

кой частоты в контуре пока­

зания амперметра, включенно­

включения амперметра для из­

го в точки / и 2, неправильны,

мерения контурного тока резо­

нансной

частоты.

так

как через правую цепь,

содержащую

индуктивность,

вместе с исследуемой переменной составляющей, проходит также и постоянная составляющая, искажающая результат измерения. Кроме того, амперметр в точке 2 вносит в контур добавочную емкость относительно земли и, следовательно, несколько расстраивает его. Если включить амперметр

в точку 3, то он хотя и будет измерять только переменную составляющую, но будет вносить также в контур некоторую добавочную емкость относительно земли, а следовательно, и расстройку. Включение амперметра в точку 4 наиболее правильно, так как эта точка находится под минимальным потенциалом. Включенный в эту точку прибор не вносит в контур расстройки и измеряет только лишь переменную составляющую.

Из рассмотренных примеров следует, что особенность измерения токов высокой частоты состоит во влиянии на результат измерения емкости прибора, места включения прибора в исследуемую схему и частоты измеряемого тока. При этом с возрастанием частоты погрешность измерения тока увеличивается.

Все эти причины ограничивают частотный диапазон при­ менения амперметров и индикаторов тока примерно до 3000 МГц. На более высоких частотах о токе судят по более доступным для измерения электрическим величинам, на­ пример по мощности, напряжению, полному сопротивлению или напряженности поля.

3-2. ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Измерительный механизм магнитоэлектрической систе­ мы Я, например микроамперметр, непосредственно, т. е. без дополнительных устройств, позволяет измерять сравнитель­ но малые токи. Это объясняется тем, что тонкий провод подвижной рамки и спиральные пружинки, необходимые для создания противодействующего момента, не выдер­ живают перегрузки, которая выводит прибор из строя. Для расширения пределов измерения применяются специальные резисторы — шунты, позволяющие в сотни и даже тысячи раз расширить пределы измерения тока.

Шунты обычно изготовляются из манганина и имеют две пары зажимов — токовые и потенциальные. При помощи токовых зажимов шунт включается последовательно в ис­ следуемую цепь, а к потенциальным зажимам подключается измерительный механизм И (рис. 3-5). Такое включение уменьшает погрешность измерения тока, которая возникает за счет дополнительного сопротивления и соединительных проводов (см. § 1-7).

Принцип расширения пределов измерения тока при помощи шунта заключается в том, что большую часть изме­ ряемого тока I неразветвленной цепи пропускают через