книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощ­ ностей Ра и Р потребления соответственно амперметра и самой цепи:

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра Р а по сравнению с мощностью потребле­ ния цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому ампер­ метр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т. е. РА-*■ 0.

Диапазон значений постоянных токов, с измерением которых приходится встречаться в различных областях техники, чрезвы­ чайно велик (от токов 10"17 А до десятков и сотен тысяч ампер). Поэтому, естественно, методы и средства измерения их различны.

Измерение постоянного тока может быть выполнено любым измерителем постоянного тока: магнитоэлектрическими, электро­ динамическими, аналоговыми и цифровыми электронными ампер­ метрами. При необходимости измерения весьма малых токов, зна­ чительно меньших тока полного отклонения /„, магнитоэлектриче­ ского измерителя, последний применяют совместно с усилителем постоянного тока. Усиления тока можно добиться при включении биполярных транзисторов по схеме с общим эмиттером, которая обеспечивает малое входное сопротивление усилителя.

Токи 10-9 — 10-9 А можно измерить непосредственно с помощью высокочувствительных магнитоэлектрических зеркальных галь­ ванометров и гальваиометрических компенсаторов.

Косвенное измерение тока. Кроме прямого измерения токов амперметрами возможно косвенное измерение токов с помощью образцовых резисторов, включаемых в разрыв цепи, и высоко­ чувствительных измерителей напряжения. Измеряемый ток опре­ деляется 1Х = 110/Р0, где IIа— падение напряжения на образцовом резисторе /?0, измеренное вольтметром, компенсатором постоянного тока.

Для получения минимальных погрешностей измерения сопро­ тивление резистора Р0 должно быть много меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток.

Измерение малых токов. Предельная чувствительность любого измерителя тока зависит от тока тепловых шумов, который тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление измерителя. Для снижения этого тока до уровня 10-17 — 10"16 А в полосе частот от 0 до 0,01—0,1 Гц необходимо применять приборы с внутренним сопротивлением не менее 1011 — 101а Ом, поэтому магнитоэлектри­ ческие гальванометры, гальванометрические компенсаторы, уси­ лители на биполярных транзисторах относят к сравнительно низ­ коомным измерительным устройствам и, следовательно, они не мо­ гут использоваться при измерении токов менее 10“10 — 10-9 А. Для измерения малых постоянных и медленно изменяющихся токов применяют пассивные преобразователи тока в напряжение в соче­ тании с чувствительным измерителем напряжения, имеющим очень

высокое входное сопротивление (до 1014 — 101с Ом) и малый уро­ вень шумов. Максимально должны быть уменьшены также паразит­ ные токи. К пассивным преобразователям относят преобразователи резистивные, емкостные, логарифмирующие.

В резистивных преобразователях тока в напряжение применяют высокоомные резисторы, значение сопротивления которых зависит от протекающего через резистор тока и изменяется во времени под влиянием температуры, влажности и т. п. Номинальные значе­ ния сопротивлений выпускаемых высокоомных резисторов до 101а Ом значительно зависят от приложенного напряжения, темпе­ ратурный коэффициент до 0,25 %/К и временной дрейф до несколь­ ких процентов в год.

В узкой полосе частот высокоомный резистор может быть пред­ ставлен в виде параллельного соединения сопротивления и емкости (порядка десятых долей пикофарады).

В емкостных преобразователях тока в напряжение (скорость изменения напряжения) применяют конденсаторы с высококаче­ ственной изоляцией или специальные воздушные конденсаторы. Погрешность преобразования определяется погрешностью измере­ ния емкости конденсатора и изменением емкости в процессе накоп­ ления заряда под влиянием медленной поляризации диэлектрика, поэтому емкость конденсатора зависит от частоты измеряемого тока. Для конденсатора характерны те же источники помех по току и напряжению, что и для резистора. Шунтирующее сопротивление конденсатора достигает 1015 — 1010 Ом.

В логарифмирующих преобразователях тока в напряжение при­ меняются электровакуумные и полупроводниковые приборы с вольтамперной характеристикой, описываемой логарифмической зависи­ мостью. Сопротивление логарифмирующего элемента изменяется под действием измеряемого тока таким образом, что абсолютные приращения напряжения при одинаковых относительных прира­ щениях тока остаются неизменными. В зависимости от типа лога­ рифмирующего элемента и режима его работы приращение напря­ жения на декаду тока лежит в пределах от 50 мВ до нескольких вольт. Поведение логарифмирующего элемента как преобразователя малого тока в напряжение наиболее полно может быть описано его вольтамперной характеристикой. Логарифмирующий элемент шун­ тирован сопротивлением изоляции и емкостью между электродами. Влияние шунтирующего сопротивления проявляется в искажении вольтамперной характеристики. Полоса рабочих частот преобразо­ вателя определяется емкостью логарифмирующего элемента.

Измерители малых токов с резистивными и емкостными преобра­ зователями тока в напряжение для усиления выходного напряже­ ния преобразователя, необходимого для работы показывающих или регистрирующих устройств, используют электрометрические усилители (ЭМУ). Входная цепь ЭМУ может быть охарактеризо­ вана входным сопротивлением # вх, входной емкостью Спх, эквива­ лентным источником напряжения помех еах и эквивалентным источником тока помех 1ВХ.

т.е. обратно пропорционально измеряемому току.

Вобласти токов 10"13 — 10_и А динамическое сопротивление достигает 1012 — 1013 Ом. Собственная емкость логарифмирующего элемента определяет полосу пропускания логарифмического уси­ лителя.

Существует несколько разновидностей схем логарифмических измерительных усилителей (ЛИУ), которые различаются способом соединения логарифмирующего элемента с линейным усилите­ лем мощности. Схемы двухпо­ лярных логарифмических уси­ лителей с диодными и транзи­ сторными логарифмирующими элементами, представленные на рис. 7.11, а, б, позволяют изме­ рять токи обеих полярностей.

Логарифмирующий преобра­ зователь представляет собой встречно-параллельное соедине­ ние диодов, обладающий сим­ метричной характеристикой. Ис­ точник дополнительного напря­ жения необходим для компен­ сации неизменяющейся состав­ ляющей выходного напряжения логарифмирующего элемента с целью сужения диапазона вход­ ных напряжений ЭМУ. Напря­

Делитель Яр служит для регу­ лирования предела измерения. Транзисторы разной проводимости,

включаемые параллельно в цепь обратной связи ЭМУ, приме­ няются для обеспечения двухполярности ЛИУ с трехзажимным включением транзисторов.

Калибровку передаточной характеристики двухполярного ЛИУ необходимо производить отдельно на каждой полярности, поскольку по смещению и крутизне характеристики применяемых логарифми­ рующих элементов могут отличаться друг от друга. Калибровка чаще всего выполняется следующим образом: на вход ЛИУ подают ток известного значения (чаще всего от встроенного источника тока) и регулировкой {/доп (1/х или 112) устанавливают на выходе напря­ жения, соответствующие номинальной передаточной характеристике

ширенный диапазон частот (примерно до 8—10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях (см. § 2.4; 2.5).

В маломощных цепях повышенной и высоких частот ток изме­ ряется выпрямительными, термоэлектрическими, электронными циф­ ровыми амперметрами, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением (см. § 2.3; 5.1; 6.7). Амперметр должен обладать минимальными значениями входных сопротивлений, индуктивностей и емкостей. С увеличением частоты в цепи измерения тока влияние паразитных емкостей возрастает, поэтому для уменьшения по­

ном включении амперметра паразитные емкости Си1 и С2п нахо­

выполняется термоэлектрическими амперметрами.

Термоамперметры — сочетание термопреобразователя и магнито­ электрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихрома, константана и др.), выделяется тепло, под действием которого нагревается горя­ чий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термоЭДС.

Термо-ЭДС зависит от материала проводников термопары и про­ порциональна разности температур горячего и холодного ее кон­ цов, т. е. пропорциональна температуре перегрева 6 Е? = к 0.

В среднем ЕТ равно 30—40 мкВ на 1 °С перегрева. Вследствие инерции нагревателя температура перегрева не успевает следовать за изменениями подводимого тепла и определяется его средним значением:

Если холодные концы термопары замкнуть на измерительный магнитоэлектрический механизм, то по замкнутой цепи измерителя

потечет ток /„ ^ / ? и — (Л1/*>//га= Л,/*, (7.14)

где / — среднеквадратичное значение тока; — сопротивление цепи измерителя, включая сопротивление термопары; ки Л2 — коэф­ фициенты пропорциональности, зависящие соответственно от свойств термопары и данных измерительного механизма.

Так как в (7.14) значение измеряемого тока входит в квадрате, то прибор пригоден для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в среднеквадра­

пары термопарообразователи делят на контактные и бесконтактные.

В контактных термопреобразователях (рис. 7.13, а) горячий спай

несколько термопар, уменьшать влияние паразитных емкостей (между измеряемой и измерительной цепями). В некоторых бес­ контактных преобразователях термопару протягивают внутри тон­ кой стеклянной трубочки, на которую намотан нагреватель. Для увеличения чувствительности и более эффективного использова­ ния преобразователи соединяют в мостовую схему.

В зависимости от типа преобразователя эти приборы исполь­ зуют для измерения как постоянного, так и переменного тока в диа­ пазоне частот 50 Гц — 200 МГц. Но основное назначение термо­ амперметров — измерение тока в цепях высокой частоты. На высо­ ких частотах проявляются паразитные параметры термопреобразо­ вателя и поверхностный эффект в нагревателе. Поэтому каждый прибор рассчитывают на работу до определенной частоты измеряе­ мого тока.

При измерениях несинусоидального тока показания термоампер­ метра будут приближенно соответствовать среднеквадратичному

значению тока, т. е. / = у 7 о + /Н - /з + Термоэлектрические амперметры выпускают для измерения

токов от 100 мкА до десятков ампер.

Для измерения малых токов до 1 А применяют вакуумные тер­ мопреобразователи. Их помещают в специальные стеклянные бал­ лоны, из которых выкачай воздух, при этом благодаря уменьшению потерь на излучение тепла в окружающую среду чувствительность вакуумных преобразователей повышается. Вакуумные термопре­ образователи бывают контактные и бесконтактные.

Для измерения токов от 1 А до 50 А используют воздушные термопреобразователи.

К достоинствам термоамперметров относят то, что их показания не зависят от частоты и формы переменного тока, к недостаткам — малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не бо­ лее чем на 50 %), значительную мощность потребления (на 5 А при­ мерно 1 Вт), ограниченный срок службы, невысокую точность (с изменением температуры изменяется сопротивление нагревателя, с увеличением частоты — паразитные параметры). Классы точ­ ности термоэлектрических амперметров — 1,5; 2,5; 4. В термоэлек­ трических амперметрах, предназначенных для больших токов, в результате выделения значительного количества тепла подводя­ щие колодки сильно разогреваются. Чтобы устранить влияние перегрева, применяют кроме основной еще и компенсационную термопару, горячий спай которой укреплен на одной из колодок, а термо-ЭДС направлена навстречу термо-ЭДС основной термопары. Расширение пределов измерения осуществляют с помощью транс­ форматора тока с ферритовым тороидальным сердечником. Термо­ амперметры бывают щитовые и переносные.

Для усиления постоянного тока термопары в термоамперметрах применяют фотоусилители. Термопары с фотоусилителем много­ предельны, имеют повышенную способность к перегрузкам, высо­ кую чувствительность и частотный диапазон до 1 МГц.

§ 7.5. Измерение импульсных напряжений

Процесс определения амплитудных и временных параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа длителен и выпол­ няется с большой погрешностью (см. §4.3). Воспроизведение импуль­ сов малой длительности и с фронтами порядка единиц наносекунд без искажений сопряжено с тщательным выбором осциллографа по диапазону частот, экранировкой соединительных проводов, согласованием с соединительным кабелем и др. Волее высокую точность измерения амплитуды импульса при удобной и быстрой индикации обеспечивают аналоговые и цифровые импульсные вольт­ метры. В связи с повышением быстродействия импульсных уст­ ройств диапазон длительности импульсов уменьшился с микросекундного до нано- и пикосекундного, одновременно уменьшилась и амплитуда импульса до значений 0,01—1 В, характерных для полупроводниковых приборов, микромодульных и интегральных схем.

Диапазон частот повторения импульсов простирается от оди­ ночных и редко повторяющихся импульсов (частота повторения доли герца) до частот, измеряемых сотнями мегагерц. Как и в стро­ боскопических осциллографах, все специализированные измери­ тели импульсных напряжений наносекундного диапазона имеют на входе широкополосные преобразователи импульсов, которые их расширяют, сужая тем самым спектр частот. Преобразователи импульсов содержат быстродействующий нелинейный элемент (по-