книги из ГПНТБ / Александров В.С. Электронные гальванометры постоянного тока

При этом за действительное значение измеряемого тока прини­ мается его среднее значение (математическое ожидание), получен­ ное из большого числа независимых измерений ік

Отношение абсолютной погрешности Аі к действительному зна­ чению тока /д определяет относительную погрешность гальвано­ метра у = АЦіл. Относительная погрешность обычно уменьшается при увеличении измеряемого тока (т. е. при подходе к предельному значению) и увеличивается при уменьшении измеряемого тока (т. е. при подходе к порогу чувствительности).

Чаще пользуются приведенной погрешностью б, определяемой как отношение абсолютной погрешности измерения к наибольшему значению тока г'1макс, которое может быть измерено на данном пре­ деле измерения: б = Аі/і1ыакс. Приведенная погрешность обычно считается постоянной на данном пределе измерения.

К систематическим относятся погрешности, остающиеся по­ стоянными или изменяющиеся по определенному закону. Система­ тические погрешности заранее могут быть не известны, однако их можно установить в процессе измерительного эксперимента или его подготовки. При правильно выбранном методе эксперимента систематические погрешности могут быть учтены или скомпенси­ рованы до ничтожно малых величин по сравнению со случайными погрешностями.

Для цифровых гальванометров погрешность нормируется по двучленной (иногда трехчленной) формуле

Аі'= + (уі + пзп),

где пт — абсолютная погрешность, определяемая количеством п знаков младшего разряда цифрового отсчетного устройства галь­ ванометра (обычно п = 1 — 3).

Важной характеристикой электронных гальванометров является их быстродействие или минимальное время, необходимое для выполнения одного измерения с заданной погрешностью. Если галь­ ванометр подключается к объекту измерения на очень короткое время, то в результате наличия переходного процесса погрешности измерения могут быть очень велики. Для цифровых приборов под быстродействием обычно понимают число измерений, выполняемых прибором в единицу времени.

Быстродействие играет существенную роль при измерении бы­ стро меняющихся токов или при, измерении множества медленно меняющихся токов при помощи одного гальванометра с коммута­ тором. Быстродействие приборов тесно связано с погрешностью измерения. В теории информации пользуются понятием мертвого времени прибора тм = уНиз, т. е. такого времени измерения /из, при котором относительная погрешность у оказывается равной

10

100%. При этом, так как для большинства электронных гальвано­

Иногда вместо быстродействия пользуются понятием полосы частот сигнала, пропускаемых гальванометром (т. е. полосы частот сигнала, в которой возможно измерение с заданной погрешностью). Так, например, для простейших электронных гальванометров, со­ стоящих из прибора магнитоэлектрической системы и электронного усилителя, угол отклонения указателя при воздействии синусои­

измеряемого тока к частоте собственных колебаний подвижной ча­ сти гальванометра; ß — степень успокоения; ф — угол запазды­ вания.

Если относительная частота г) достаточно высока (цф> 10) и из­ меряемый ток не содержит постоянной составляющей, то указатель практически остается на нулевой отметке шкалы прибора. При по­ нижении частоты указатель начинает реагировать на изменения тока. При этом частота колебаний указателя равна частоте изме­ ряемого тока, а размах колебаний а макс и начальная фаза ф зави­ сят от относительной частоты т|.

На практике часто пользуются временем нарастания tn опреде­ ляемым как интервал времени, необходимый для изменения пока­ заний прибора от 10% до 90% установившегося значения, при скачкообразном изменении входного сигнала от нуля до некоторого постоянного значения (обычно максимального значения для дан­ ного предела измерения).

Когда время нарастания неизвестно, оно может быть определено по приближенному соотношению

tr~ 0,35//здб ,

где /3дБ — верхняя частота сигнала, на которой показания при­

бора снижаются на 3 дБ по сравнению с показаниями на постоянном токе.

Так, например, если процесс установления показаний прибора

происходит по закону Х% = 11 ( і — é~ilX), где т — постоянная времени прибора, то время нарастания определяется соотношением

tr= 2,2т.

При этом ошибка измерения б = (Уф—А12)//1 = е из . Если время измерения Уиз = tr, то ошибка не будет превышать 11%. При времени измерения tn3 = 2 tr ошибка окажется меньше 1,2%,

11

а при /1|3 = 3 tr она не превысит 0,13%. При этом для гальвано­ метра с временем нарастания tr = 0,5 с и погрешностью 1% мини­ мальное время измерения /пз> 3 tr = 1,5 с.

Иногда пользуются понятием времени установления показаний, понимая под этим время, необходимое для выполнения измерения

с заданной точностью после подачи на вход прибора скачкообраз­ ного сигнала.

Величина входной проводимости прибора определяет ту мощ­ ность, которую прибор потребляет от объекта измерения. При из­ мерении постоянного тока / входная проводимость gBX гальвано­

дение напряжения Ur приводит к появлению систематической по­

При использовании гальванометров для измерений напряжений или статических зарядов обычно пользуются понятием входного сопротивления гвх, которое является величиной, обратной вход­ ной проводимости.

Так как любой источник напряжения имеет внутреннее сопро­ тивление г„, то ток I, потребляемый измерительным прибором с входным сопротивлением гвх, создает на этом сопротивлении па­ дение напряжения. При этом появляется систематическая погреш­ ность измерения

Входная проводимость гальванометра также определяет его быстродействие, так как постоянная времени входной цепи прибора

12

твх = CBJ g BX, где Свх — входная емкость гальванометра, откуда приближенное значение времени нарастания trz a 2,2 твх.

Погрешность измерения, быстродействие и многие другие ха­ рактеристики электронных гальванометров постоянного тока за­ висят от дрейфа нулевого уровня и собственных шумов прибора. Дрейф нулевого уровня (смещение нуля) представляет собой само­ произвольное изменение выходной величины Х 2 при отсутствии

полезного сигнала на входе прибора. Обычно он оценивается экви­ валентным входным сигналом, необходимым для возвращения вы­ ходной величины Х 2 к первоначальному уровню. Дрейф нулевого

уровня зависит от времени и температуры. В последнем случае он характеризуется температурным коэффициентом нулевого уровня.

Дрейф нулевого уровня нелинейно зависит от времени и темпе­ ратуры, однако в определенных температурных и временных пре­ делах эту зависимость можно считать линейной. При скачкообраз­ ном изменении температуры окружающей среды дрейф нулевого уровня может быть иным, чем при плавном ее изменении. Так как в обычных условиях окружающая температура меняется со ско­ ростью менее 1°С за 15 мин, то дрейф можно считать постоянным. Когда температурный дрейф незначителен, то основное влияние оказывает временной дрейф при постоянной температуре окружаю­ щей среды.

Дрейф нулевого уровня бывает кумулятивный, который изме­ няет выходную величину в одном направлении, и некумулятивный, при котором среднее значение выходной величины Х 2 за большой

промежуток времени равно нулю. Кумулятивный дрейф характе­ рен для приборов с усилителями прямого усиления, а некумуля­ тивный — для приборов с преобразованием.

Собственные шумы гальванометра ограничивают разрешающую способность и точность прибора, так как вариации выходной ве­ личины Х 2, вызванные изменением сигнала, невозможно отличить

от вариаций, вызванных шумом. Полный размах шума в полосе частот, пропускаемых гальванометром, обычно принимается в ка­ честве порога чувствительности. При этом абсолютная погрешность измерения не может быть меньше порога чувствительности.

При измерении тока порог чувствительности прежде всего огра­ ничен тепловыми шумами внутренней проводимости gn источника тока и входной проводимости gBX гальванометра

13

ределяемой временем нарастания 0,35/^; 3) верхней частоты ре­ гистрирующего или показывающего устройства на выходе гальва­ нометра.

Так как на практике входная проводимость гальванометра обычно значительно больше внутренней проводимости источника тока (gBX> §•„), то гальванометр с меньшей входной проводимостью имеет меньший тепловой шум и большую чувствительность,'чем гальванометр с большей входной проводимостью. График тока

шума 7Ш в зависимости от входной проводимости гальванометра показан на рис. 1-2.

Из формулы (1-5) следует, что тепловые шумы могут быть сни­

ется увеличением времени установления показаний, при котором начинает оказывать влияние дрейф нулевого уровня.

Кроме шумов, на порог чувствительности и погрешность влияют помехи в измерительной цепи. Под помехозащищенностью гальва­ нометра понимается его способность давать правильный, в преде­ лах установленной погрешности, выходной сигнал при воздействии во время измерения помехи, эквивалентной увеличению или умень­ шению измеряемого тока. Наибольший практический интерес пред­ ставляет помехозащищенность гальванометра от периодических помех, и в частности, от помех, имеющих частоту промышленной сети.

Коэффициент ослабления помехи равен отношению амплитуды

14

Значение коэффициента ослабления зависит от величины помехи. Обычно коэффициент ослабления определяют при значении помехи, приводящей к погрешности, соответствующей максимальному зна­ чению выходной величины на данном пределе измерения. Напри­

пределу измерения), если к его входу приложен сигнал переменного тока в 1000 нА. Однако этот же гальванометр при сигнале перемен­ ного тока 100 нА на том же пределе измерения будет иметь погреш­ ность меньше 1% (а не 10%, как было бы при R0 — const). Иногда в характеристиках гальванометра указывается величина ампли­ тудного значения переменного тока на входе, который создает вы­ ходной сигнал, равный погрешности измерения.

Ослабление помех общего вида характеризует способность элек­ тронных гальванометров с дифференциальным входом или с незаземленным низкопотенциальным входом ослаблять помехи постоян­ ного или переменного тока, действующие между общей точкой (зем­ лей или корпусом прибора) и закороченными входными зажимами прибора. Коэффициент ослабления помех общего вида опреде­ ляется как отношение сигнала общего вида к эквивалентному вход­ ному сигналу постоянного тока, приводящим к одному и тому же значению выходной величины Х 2:

Обычно указывают коэффициенты ослабления помех общего вида на постоянном и переменном токе промышленной частоты

(50 или 60 Гц).

Одной из наиболее важных эксплуатационных характеристик гальванометров является форма представления результатов изме­ рения. Для аналоговых гальванометров выходная величина Х 2

представляет собой положение стрелки или светового указателя на шкале прибора; для самопишущих приборов и светолучевых осциллографов это кривая на носителе записи.

1-3. Классификация принципов построения электронных гальванометров

Электронные гальванометры могут быть разделены по методу измерения, принципу действия, способу отсчета измеряемой вели­ чины, назначению, конструктивным особенностям и т. п.

По методу измерения электронные гальванометры делят на три большие группы: приборы непосредственной оценки тока, при­ боры сравнения токов, комбинированные приборы. В практике измерительной техники наибольшее распространение получили первые из них. В табл. 1-1 приведена классификация электронных гальванометров по методу измерения.

15

Таблица 1-1

Классификация электронных гальванометров постоянного тока

Электронные гальванометры постоянного тока

сокую чувствительность, хорошее быстродействие, но сравнительно низкую точность. К ним относятся электрометрические усилители с магнитоэлектрическими измерительными приборами, не охва­ ченные обратными связями. Основные характеристики таких при­ боров зависят от свойств электрометрических усилителей. Авто­ компенсационные электронные гальванометры благодаря глубоким обратным связям в значительно меньшей степени зависят от свойств электрометрических усилителей. Они более стабильны в работе и имеют меньшую погрешность.

Интегрирующие электронные гальванометры (интеграторы тока) определяют среднее значение тока за выбранный промежуток вре­ мени. Они имеют наиболее высокую чувствительность и могут быть использованы для измерения зарядов. Благодаря фильтрующим свойствам интегрирующих систем эти приборы обладают повышен­ ной помехозащищенностью.

Для повышения точности измерения малых токов используют приборы, которые в процессе измерения осуществляют прямое срав­ нение измеряемого тока с эталонным. Приборы сравнения имеют более высокую стоимость и применяются при поверке приборов непосредственной оценки и при проведении весьма точных изме­ рений тока.

К электронным гальванометрам сравнения относят компенса­ торы тока с ручным, автоматическим или полуавтоматическим урав­ новешиванием. В таких приборах производится уравновешивание

16

измеряемого тока компенсирующим током, абсолютное значение которого контролируется по одному значению образцовой меры.

Цифровые электронные гальванометры поразрядного уравнове­ шивания и-развертывающего преобразования также осуществляют сравнение измеряемого тока с изменяющимся значением образцо­ вого тока. В последнее время появились комбинированные элек­ тронные гальванометры, в которых удачно сочетаются преимущества приборов непосредственной оценки и приборов сравнения.

К комбинированным гальванометрам относят дифференциальные гальванометры, сочетающие автокомпенсационный гальванометр и компенсатор тока с ручным или автоматическим уравновешива­ нием. К этой же группе относятся интегрирующие гальвано­ метры с компенсацией накопленного заряда, цифровые гальвано­ метры с двойным интегрированием измеряемого и образцового то­ ков и некоторые другие приборы. В таких приборах достигается высокая чувствительность, присущая приборам непосредственной оценки, и высокая точность, свойственная приборам сравнения.

Приборы сравнения и комбинированные пр-иборы в практике измерения малых токов еще не получили широкого распростране­ ния. Объясняется это тем, ч т о б настоящее время еще не разработано стабильных и точных регулируемых источников тока. К тому же резко повышаются требования к индикатору нулевого уровня.

По принципу действия электронные гальванометры делятся на приборы оценки тока по напряжению на образцовом резисторе или конденсаторе и по магнитному потоку в образцовой катушке индук­ тивности. При этом измерение напряжения может производиться приборами непосредственной оценки или приборами сравнения.

Электронные гальванометры непосредственной оценки без об­ ратной связи по существу являются усилителями тока (или напря­ жения). Для повышения точности и быстродействия в них вводят обратные связи. Таким образом, автокомпенсационные гальвано­ метры можно рассматривать как статические компенсаторы тока с неполной компенсацией. В таких приборах применяют три вида обратной связи: 1) параллельную (с компенсацией тока); 2) после­ довательную (с компенсацией напряжения) и 3) комбинированную (с компенсацией тока и напряжения).

Приборы с параллельной и комбинированной обратной связью применяют в основном для измерения тока. Приборы с последова­ тельной обратной связью применяют для измерения напряжения, и они могут рассматриваться, как электрометрические милливольт­ метры.

Интегрирующие гальванометры могут использоваться для из­ мерения заряда компенсационным методом. При дискретной ком­ пенсации заряда возможно преобразование измеряемого тока в ча­ стоту выходных импульсов и представление результата измерения в цифровой форме. Для измерения статических зарядов при помощи электронных гальванометров используют специальные входные устройства — ловушки зарядов, индукционные'ЦатчитШ^'вргащаю--

2 Заказ №2511

щиеся экраны и т. д., которые создают выходной сигнал (ток или напряжение), пропорциональный статическому заряду.

В зависимости от рода измеряемой на выходе величины автоком­ пенсационные гальванометры делятся на приборы с измерением выходного напряжения (рис. 1-3, а) и приборы с измерением выход­ ного тока (рис. 1-3, б).

Компенсаторы тока с ручным уравновешиванием осуществляют прямое сравнение измеряемого тока с компенсирующим током, ко­ торый устанавливается ручной регулировкой. Баланс токов опреде­ ляется при помощи высокочувствительных электронных гальвано-

а ) Ö)

Рис. 1-3. Схемы автокомпенсацнонных гальванометров с измерением выходного напряжения (а) н выходного тока (б)

метров непосредственной оценки. При неполном балансе токов оста­ точный ток может быть измерен прибором непосредственной оценки

1-4. Источники и усилители тока и напряжения

При расчете схем электронных гальванометров будут использованы по­ нятия источников и усилителен тока и напряжения.

Источники тока делятся на идеальные и реальные. Идеальным источни­ ком тока можно считать такой, через выводы которого протекает ток, не за­ висящий от величины и характера нагрузки в цепи, подключенной к этим выводам. Напряжение на зажимах идеального источника тока определяется величиной и характером нагрузки. Для активной, емкостной и индуктивной нагрузки получим соответственно

его внутренняя проводимость равна нулю. Такой источник в состоянии от­ давать во внешнюю цепь неограниченную мощность. На электрических схе­ мах источник тока условно изображают в виде генератора с разрывом цепи при помощи двух стрелок (рис. 1-4, а). При разрыве цепи с идеальным источ­ ником тока напряжение на его зажимах бесконечно возрастает, поэтому та­ кой режим является аварийным. Реальный источник тока всегда должен иметь внутреннюю проводимость, которая ограничивает напряжение на его

зажимах (рис. 1-4, б).

Реальные источники тока по принципу действия делятся на радиоактив­ ные, электростатические, пьезоэлектрические, резистивные.

18

Радиоактивные источники тока представляют собой ионизационную ка­ меру с долгоживущим радиоактивным изотопом. В качестве излучателей ис­ пользуются изотопы плутоний-239 (o'-излучение), стронций-90 (ß-излучеине) и другие радиоактивные вещества. Радиоактивные источники тока работают на участке тока насыщения ионизационной камеры. Величина тока пропор­ циональна интенсивности излучения, напряженности поля и рабочему объему

камеры. Радиоактивные источники тока работают в диапазоне от 10—10 до

ІО-13 А. Изменение тока осуществляется перекрытием пучка излучаемых ча­ стиц при помощи диафрагмы. Флуктуации тока вызываются неравномер­ ностью поступления частиц в камеру. Погрешность аттестации радиоактив­ ных источников тока составляет + 0,5%.

Устройство радиоактивного источника тока упрощенно показано на рис. 1-5. Ом состоит из радиоактивного излучателя 1, металлической диаф­ рагмы ?, ионизационной камеры 3, коллектора 4 и экрана 5.

Электростатические источники тока основаны на изменении емкости кон­ денсатора, подключенного к источнику постоянного напряжения: / =

С = С0(, то источник создает постоянный ток / 0 = UC0. В другой разновид­ ности электростатического источника используется изменение напряжения на конденсаторе постоянной емкости і = С (du/dt). Если напряжение на конденсаторе меняется по линейному закону — и = U„t. то источник соз­ дает постоянный ток / 0 = U0C. Такие источники тока могут работать в диа­

пазоне от 10—10 до ІО-15 А с погрешностью не более 2—5%. Пьезоэлектрические источники тока основаны на использовании явле­

ния поляризации пьезоэлементов под действием механических усилий. Так как заряд q на пластинах пьезозлемента прямо пропорционален механиче­

от 10—11 до 10—І6 А с погрешностью не более 1 —5% . Основные характеристики источников тока, разработанных во ВНИИнаучприбор, приведены в табл. 1-2. Внешний вид одного из них показан на рис. 1-6.

Идеальным усилителем тока называется усилитель тока, обладающий следующими свойствами:

1) входная проводимость усилителя бесконечно велика и, следовательно, падение напряжения на входной цепи равно нулю для любого значения вход­ ного тока;

2)выходная проводимость усилителя бесконечно мала и, следовательно, выходной ток не зависит от проводимости нагрузки;

3)выходной ток прямо пропорционален входному току: г2 — Кі’\- Реальный усилитель тока (рис. 1-4, в) отличается от идеального тем,что

его входная проводимость отлична от нуля, а выходная проводимость не бес­ конечна велика. Коэффициент передачи по току реального усилителя ос-