Метрология и радиоизмерения

      Электромагнитные  приборы благодаря простоте, дешевизне  и надежности широко применяют для  измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянного  и переменного тока промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амерметров и вольтметров выпускают в виде щитовых приборов различных класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000, 1500 Гц.

      Амерметры. Катушку амерметра изготавливают из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5А. Число витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе.

      Для расширения пределов измерения переменного  тока применяют измерительные трансформаторы тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы и на 400 и 1000 Гц.

  
 
 
 
 
 

      а)                                     б) 

     а – схема включения; б – конструкция  проходного трансформатора тока

     1 – магнитопровод; 2 – изолятор

Рисунок 9. Измерительный трансформатор тока 

      Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков и включается последовательно в разрыв цепи (Рисунок 9, а). Вторичная обмотка с большим кольчеством витков соединяется с амперметром на 5 А (иногда на 1 А). Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до 15кА. При больших значениях тока первичная обмотка представляет собой прямоугольный отрезок шины или стержень, проходящий через окно магнитопровода (Рисунок 9, б). Сопротивления амперметров малы, поэтому нормальным режимом работы трансформатора тока является режим, близкий к режиму короткого замыкания.

 Вольтметры. Катушку вольтметра изготавливают из большого количества витков тонкого медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значении тока. Уравнение для электромагнитного вольтметра приобретает вид:

(12)

      где R_v – сопротивление обмотки катушки.

 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 10. Измерительный трансформатор напряжения

      Щитовые вольтметры непосредственного включения  выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В и добавочными сопротивлениями на – 450, 600 и 750 В; класс точности 1,5. Для измерений более высоких напряжений, вплоть до 15 кВ, применяют измерительные трансформаторы напряжения. Они различаются классом точности (0,1 и 0,2) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц.

      Первичная обмотка трансформатора (Рисунок 10) напряжения включается параллельно измеряемой цепи. К вторичной обмотке подключается вольтметр. 

Ферродинамические приборы 

      Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических  с тем отличием, что неподвижные  катушки заключены в сердечники из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако это приводит к увеличению погрешности прибора. 

Электростатические  приборы 

      Принцип действия приборов электростатической системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных тел. Конструктивно  они выполняются в виде неподвижной  и подвижной пластин к которым прикладывается измеряемое напряжение (Рисунок 12).

Энергия электрического поля . При движении подвижной пластины емкость С между ними изменяется. Формула вращающего момента будет иметь вид 

 (13)

и отклонение указателя 

      Противодействующий  момент создается спиральной пружиной       (Рисунок 11, а) или весом подвижной пластины (Рисунок 11, б). Из уравнения (13) следует, что электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.

 
 
 

                    

                             

                           а)

                   

      б) 
 
 

      в)

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;

Рисунок 11. Устройство электростатических приборов:

      К достоинствам электростатических приборов относятся: большие пределы напряжений (до 1МВ); широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30Мгц). Недостатки: малая  чувствительность; малая надежность; нелинейность шкалы; влияние температуры  окружающей среды и внешнего электрического поля.

      Электростатические  приборы выполняются в виде щитовых  и переносных вольтметров и киловольтметров  для применения в цепях постоянного  и переменного тока с частотой от 20 Гц до 30 МГц. 

Выпрямительные  приборы 

      Для измерения тока и в цепях повышенной частоты широко применяют выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительного  преобразователя и магнитоэлектрического  микро- или миллиамперметра (рис.14, а). В качестве выпрямительных элементов  используются полупроводниковые (германиевые  или кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентом выпрямления

      где I_пр и I_об – прямой и обратный токи;

            R_пр и R_об – прямое и обратное сопротивление диода.

      Коэффициент выпрямления зависит от частоты  и значения преобразуемой электрической  величины и от температуры окружающей среды. С повышением частоты часть  тока ответвляется через внутреннюю емкость диода и коэффициент  выпрямления уменьшается.

 
 
 
 
 

                      а)                                       б)                                            в)

 
 
 
 
 

                     г)                                                                            д) 

                 а, б, в – при однополупериодном выпрямлении; г, д – при          двухполупериодном выпрямлении

Рисунок 12. Схемы выпрямительных амперметров и графики токов и напряжений 

      Выпрямительные  приборы работают по схемам одно- или  двухполупериодного выпрямления (Рисунок 12, б) ток в течении положительного полупериода проходит по измерительной ветви (открыт диод Д₁ и витки катушки миллиамперметра), в течении отрицательного полупериода – по защитной ветки (диод Д₂ и резистор R). Обе ветви идентичны, сопротивление резистора R равно сопротивлению катушки миллиамперметра R_a . Через диод Д₁ проходит пульсирующий ток i (Рисунок 12, в), а показания миллиампертметра пропорционально постоянной составляющей тока или среднему значению I_ср. Если измеряемый ток синусоидальной формы, то

 

      В схеме с двухполупериодного выпрямления (Рисунок 12, г) измеряемый ток в течении положительного полупериода проходит по цепи Д₁ – миллиамперметр – Д₃ , а в течении отрицательного – Д₂ – миллиамперметр – Д₄. Показания миллиамперметра пропорционально средневыпрямленному значению переменного тока. Для синусоидального тока (Рисунок 12, д)

 

      Шкалу выпрямительного прибора всегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы. Значит, все оцифрованные деления  шкалы умножают на коэффициент формы  : . 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.

 
 
 
 
 

      а)                                   б) 

Рисунок 13. Схемы выпрямительных приборов

      Для измерения больших токов применяют  приборы со схемой, представленной на рисунке 13, а. Здесь резисторы R являются шунтами для каждого полупериода тока. В многопредельных амперметрах набор таких шунтов помещают внутри корпуса и переключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит из миллиамперметра и добавочного резистора R_д (Рисунок 13, а). Добавочные резисторы располагаются внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключают их при изменении предела измерения.

      Выпрямительные  приборы получили широкое распространение  в качестве комбинированных измерителей  постоянного и переменного тока и напряжения. Снабженные источником постоянного напряжения, они могут  использоваться для измерения электрического сопротивления. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

      Электрорадиоизмерения, как и другие измерения, основаны на метрологии.

      Метрология  – наука об измерениях, методах  и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой  точности.

      Перед измерением тока (напряжения) нужно  иметь представление о его  частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и  сопротивлении цепи, в которой  производится измерение. Эти предварительные  сведения позволяют выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор.

      В результате изучения курса «Метрологии  и радиоизмерения» удалось усвоить  основные принципы и методы измерений  токов и напряжений с учетом их частоты и уметь выбрать наиболее подходящий для данных условий метод  и средство измерения, выполнить  измерение и оценить погрешность  результата измерения.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература

1. Электротехника под  редакцией В.Г.  Герасимова. М.: Высшая  школа, 1985, стр. 59-65; 69-77.

2. Касаткин А.С., Немцов  М.В. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1983, стр. 63-70, 73-77, 84-87.

3. Справочное пособие  по электротехнике  и основам электроники  под редакцией  А.В. Нетушила. М.: Высшая школа, 1986, стр. 25-33.