книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Среди приборов, предназначенных для анализа характеристик сиг­ налов, следует выделить анализаторы спектра и измерители нелиней­ ных искажений.

Для количественной оценки степени искажения гармонических сиг­ налов обычно используют коэффициент гармоник, аналитически вы­ ражаемый формулой

где 1/1, Ца, ..., IIп — действующие значения напряжений соответ­ ствующих гармоник.

Приборы, измеряющие этот коэффициент, называют измерителями нелинейных искажений. Они обычно состоят из фильтра, подавляющего основную гармонику и пропускающего без ослабления все остальные гармоники, и электронного вольтметра действующего значения. Измерив с помощью вольтметра поочередно напряжения на входе и вы­ ходе фильтра, можно определить их отношение

которое с искомым коэффициентом гармоник связано простым соотно* шением

Кг =* -?= = = .,

г VI — К2

из которого видно, что при малых искажениях (Кг < 0,1) имеем Кг » яй К- Описанный принцип работы положен в основу серийного измери­ теля нелинейных искажений типа С6-5, который измеряет с основной погрешностью 0,1 % коэффициенты гармоник от 0,02 до 100 % в диапа­ зоне частот основной гармоники от 20 Гц до 200 кГц при входном на­ пряжении 0,1... 100 В.

Наиболее полный и точный анализ спектров колебаний, образую­ щих электрические сигналы, т. е. зависимости амплитуд гармонических составляющих от частоты, позволяют производить особые приборы — а н а л и з а т о р ы с п е к т р а . Основной элемент таких приборов — фильтр с узкой полосой пропускания, служащий для выделения узких участков или отдельных составляющих исследуемого спектра. Анализ гармоник может осуществляться тремя способами: параллель­ ным (или одновременным), последовательным и смешанным.

При параллельном анализе исследуемый сигнал подается одновре­ менно на ряд узкополосных фильтров, каждый из которых настроек на определенную частоту и, таким образом, выделяет на выходе соот­ ветствующую составляющую спектра. Подавая эти составляющие на вход осциллографа через коммутатор, синхронизированный с разверт­ кой, можно на его экране получить изображение вертикальных импуль­ сов, расстояние между которыми пропорционально частотному интер­ валу между гармониками, а амплитуда — спектральной плотности А (и) сигнала на соответствующей' частоте. Такие анализаторы применяются для исследований как периодических сигналов, так и

Рис. 8.13. Электро- и ферродннамическнй измерительные механизмы

М г2 — взаимоиндуктивность между подвижной и неподвижной катуш­ ками.

и определяется формой, размерами и взаимным размещением по­ движной и неподвижной катушек; ее вид выбирается в зависимости от назначения прибора при его изготовлении.

В соответствии с выражением (8.2) установившееся отклонение элек­ тро- и ферродинамического приборов при измерении на постоянном токе

характеристики ИМ при аргументе 2г).

Достоинствами электродинамических приборов являются высокая точность (наивысший класс 0,05) и возможность использования одного и того же прибора как для измерения в цепях постоянного, так и пере­ менного токов при одной и той же шкале. К недостаткам можно отнести меньшую по сравнению с магнитоэлектрическими приборами чувстви­ тельность, ощутимое влияние внешних магнитных полей на показания прибора из-за слабого собственного магнитного поля, сравнительно большое собственное потребление энергии, частотный диапазон в зави­ симости от точности и назначения прибора ограничен сверху значе­ ниями от 1,5 до 10 кГц. Для защиты от внешнего магнитного поля

применены экранирование и астатирование. Влияние магнитного поля несколько уменьшено, вращающий момент увеличен, но точность (вследствие потерь на вихревые токи и гистерезис) ухудшена у прибо­ ров ферродинамической системы. На базе ИМ этих систем созданы ампер­ метры, вольтметры, ваттметры, фазометры, частотомеры и фарадометрьь

Амперметры и вольтметры. Выпускаются для применения на по­ стоянном и переменном токах с пределами измерений от десятков миллиампер до 5.. .10 А и от 7,5 до 600 В.

У миллиамперметров и амперметров на токи до 0,5 А (рис. 8.14, о) подвижная и неподвижная катушки соединены последовательно (1Х =» «= / 8 = /), а для исключения перегрева катушек при измерении боль­ ших токов — параллельно (/1 = 61/, /2 = й2/); при этом требуется введение схем температурной и частотной компенсации (рис. 8.14, б).

Вольтметры представляют собой последовательное соединение ИМ и резистора. Для компенсации частотной погрешности, которая возни­ кает из-за наличия индуктивности (главным образом, подвижной ка­ тушки), часть резистора шунтируют конденсатором. Ток полного от­ клонения подвижной части электродинамического вольтметра состав­ ляет обычно 30 мА.

Конструкция амперметров и вольтметров этих систем такова, что обеспечивается соотношение между рекомендуемыми частотами приме­ нения приборов на переменном токе и собственной частотой ИМ г)

котором шкала приборов была бы близкой к равномерной. Ваттметры выпускаются для использования на переменном и пос­

тоянном токах с пределами измерения не ниже: по току — 0,01 А (чаще всего 2,5 и 5 А) и по напряжению — 30 В. Измерение мощности возможно благодаря независимому включению подвижной и неподвиж­ ной катушек в цепь измерения. Неподвижная катушка образует токо­ вую (последовательную) обмотку ваттметра и подключается последо­ вательно с исследуемым объектом. Подвижная катушка ИМ образует обмотку напряжения (параллельную обмотку) ваттметра и подключает-

ся параллельно объекту. Так как направление отклонения подвижной части ваттметра зависит от взаимных направлений токов в катушках, то для обеспечения правильности подключения прибора в цепь один из зажимов последовательной и параллельной его обмоток имеет обо­ значение «*» и называется генераторным (рис. 8.14, в).

Установившееся отклонение ваттметра при измерении на перемен­

обеспечивается соответствующей конструкцией ИМ.

Для измерений активной мощности в цепях с малым соз ф выпуска­ ются так называемые малокосинусные ваттметры. Полное отклонение подвижной части таких приборов при значениях напряжения и тока, равных номинальным, имеет место при соз ф исследуемой цепи, рав­ ном 0,1 для ваттметров с соз ф^ном = 0,1, либо 0,05 для ваттметров

С СОЗ финном = 0,05.

Основными причинами погрешностей электродинамических ватт­ метров являются изменения температуры и частоты, а также некоторое отставание тока в параллельной обмотке ваттметра от приложенного напряжения из-за индуктивно-активного характера ее сопротивления. Заметим, что со специальными схемами температурной компенсации выпускаются лишь высокоточные приборы (не хуже класса 0,2).

Частотную и угловую погрешности, проявляющиеся при измере­ ниях на переменном токе, в основном компенсируют введением емко­ стей в параллельную цепь прибора.

Широко применяются электродинамические фазометры с логомет­ рическим ИМ (рис. 8.14, г, д). На подвижные катушки фазометра (рис. 8.14, г), размещенные в пространстве под углом р друг к другу,

Если шкала фазометра равномерна и проградуирована в единицах измеряемого угла сдвига фаз ф, то у прибора принято

Р - т = т ; Ф - - 1 и л - / , .

Недостатком рассмотренной схемы фазометра является существен­ ная зависимость его показаний от частоты, которая менее заметна у трехобмоточных фазометров (рис. 8.14, д). Одна из подвижных кату­ шек такого фазометра выполнена в виде двух идентичных обмоток; последовательно с одной из них включен дроссель, а с другой — кон­ денсатор. Эти обмотки включены в цепь так, чтобы действующие на них моменты были направлены в одну и ту же сторону. Изменение частоты вызывает уменьшение вращающего момента одной из обмоток и такое же увеличение другой. Благодаря такой компенсации вращающий мо­ мент, как и момент рамки с последовательно включенным активным сопротивлением, от частоты не зависит.

8.6. Электромагнитные приборы

Принцип действия приборов этой системы основан на взаимодей­ ствии магнитного поля неподвижной катушки 1 с током и подвижного ферромагнитного (обычно пермаллоевого) сердечника 2, закрепленного на оси 3 (рис. 8.15). Форма катушки и соответствующего ей сердечника может быть круглой (рис. 8.15, а) либо плоской (рис. 8.15, б); в послед­ нем случае представляется возможным уменьшить потребление мощ­ ности прибором с одновременным увеличением вращающего момента за счет размещения неподвижной катушки 1 на магнитопроводе 4 (рис. 8.15, в).

Вращающий момент определяется выражением

где I — ток, протекающий по катушке ИМ; Ь — ее индуктивность. Установившееся отклонение электромагнитного прибора согласно

выражению (8.2) при измерении на постоянном токе

Здесь направление отклонения указателя не зависит от полярности подключения измеряемой величины, поскольку она входит в это выра­ жение во второй степени.

' При работе на переменном токе

ах (*]) = ~ 2 \г /а 11 — А (2т1) с05 2г1 М -Ц * .

где I — действующее значение тока в катушке; А (2ц) — значение ам­ плитудно-частотной характеристики ИМ при аргументе 2г).

Поскольку выпускаемые приборы рассчитаны на использование в цепях с соотношением ц ^ 1,

Подбором соответствующей конфигурации сердечника удается по­ лучить зависимость дЫда таковой, при которой шкала прибора близ­ ка к линейной, начиная с одной пятой длины шкалы идо ее конца.

Достоинство электромагнитных приборов заключается в их кон­ структивной простоте, надежности, хорошей перегрузочной способ­

ности, возможности использования как в цепях постоянного, так и пере­ менного токов, невысокой стоимости. К недостаткам можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую чувствитель­ ность, сравнительно невысокий класс точности (известны приборы не лучше класса 0,5...1,0); на постоянном токе вследствие гистерезисных явлений в ферромагнитном сердечнике наблюдается заметная вариа­ ция показаний при увеличении и уменьшении измеряемого тока; на показания приборов сказывается размагничивающее действие вихревых токов и тем больше, чем выше частота измеряемой величины; слабое собственное магнитное поле, поэтому для защиты от влияния внешнего магнитного поля электромагнитные ИМ экранируют (бо­ лее сильное поле обеспечивается у приборов с магнитопроводом). \

На базе ИМ этой системы выпускают амперметры с пределами от 10 мА до 200...300 А (непосредственное включение) и вольтметры’— от 1,5 до 600 В. Ток полного отклонения подвижной части вольтметров обычно равен 30 мА и лишь на пределах 1,5 и 15 В возрастает до 80...

...100 мА. Преимущественно эти приборы применяются на переменном токе как стационарные приборы классов 0,5; 1,0 и ниже, верхний пре­ дел частотного диапазона не превышает 1500...3000 Гц, почти пол­ ностью они вытеснили аналогичные приборы других систем.

8.7. Электростатические приборы

Приборы этой системы работают на принципе взаимодействия элек­ трически заряженных тел. Конструктивно они представляют собой подвижный 1 и неподвижный 2 электроды, разделенные диэлектриком,

которые образуют конденсатор (рис. 8.16). Под действием прило­ женного напряжения между под­ вижными и неподвижным электро­ дами возникает сила, направленная в сторону увеличения емкости, а значит, и энергии электростатиче­ ского поля. Эта сила вызывает пе­ ремещение подвижного электрода ИМ. В зависимости от способа из­ менения емкости различают элек­ тростатические ИМ с переменной активной площадью электродов и с переменным расстоянием между электродами. Если между электро­ дами существует разность потенци­ алов, то на подвижную часть дей-

Рвс. в.1в. Электростатический измеритель- СТВУеТ ВраЩЗЮЩИЙ МОМвНТ

ный механизм

где С — емкость между электродами; V — приложенное к ним напря­ жение.

Согласно выражению (8.2), установившееся отклонение подвижной части ИМ при использовании прибора на постоянном токе

где и — значение напряжения постоянного тока.

Здесь направление отклонения указателя не зависит от полярности подключения измеряемой величины, поскольку в это выражение она

Выпускаемые приборы рассчитаны на использование в цепях с со­

соответствующим подбором этой зависимости обеспечивается практи­ чески равномерность шкалы прибора.

Обычные электростатические приборы малочувствительны. Значи­ тельное увеличение чувствительности по напряжению достигается

2

Рис. 8.17. Устройство бинантного (а) и квадрантного (б) электрометров и схемы их подключения

в электрометрах благодаря наличию вспомогательных источников напряжения. В составе его ИМ три электрода: один подвижный и два неподвижных. Неподвижные электроды 1 могут быть представлены парой сегментов (бинантные электрометры) — рис. 8.17, с либо двумя парами (квадрантные) — рис. 8.17, б, противоположные квадранты ко­ торых обычно соединены электрически, места соединения являются клеммами неподвижных электродов. Подвижная часть электрометра крепится с помощью растяжек либо подвеса (металлического либо из кварцевой нити), причем подвижный электрод 2 (бисквит) у бинантных электрометров состоит из двух половин, электрически изолирован­ ных друг от друга.

Если к электродам подвести различные потенциалы, подвижная часть начнет поворачиваться в сторону электродов с более высоким потенциалом, что приводит к изменению емкостей между подвижным и неподвижным электродами. Так, по отношению к одному из неподвижных электродов емкость (Сх) будет уменьшаться, а по от­

Поскольку подбором формы бисквита и квадрантов можно полу­

Вращающий момент зависит от места подключения измеряемого и вспомогательного напряжений. Чаще всего используются бисквитное, квадрантное и двойное подключения.

При бисквитном подключении между клеммами неподвижных элек­ тродов и землей (рис. 8.17, а) приложены напряжения 11х и 1/2, равные

электрода и землей, т. е. 1/ 3 = V. В этом случае, согласно выражению (8.3), установившееся отклонение при измерении на постоянном токе

где V и Ц0 — действующие значения измеряемого и вспомогательного напряжений; | — угол сдвига фаз между ними.

По схеме бисквитного включения строят измерители активной мощ­ ности нагрузки; при этом вспомогательное напряжение снимается с потенциальных зажимов безреактивного шунта, по которому проте­ кает ток нагрузки. Токовый зажим шунта соединяется с одной из клемм нагрузки, другая клемма которой подключена к подвижному электро­ ду. Напряжение питания нагрузки подается между подвижным элек­ тродом и оставшимся токовым зажимом шунта. Здесь

а(*1) 1п»1 = 4 " Яш* с05(Р - |г = 8 р Р - Ж '

где Нт — сопротивление шунта; ф — угол сдвига между током и на­ пряжением нагрузки; 5р — чувствительность по мощности. При этом обеспечивается малая методическая погрешность измерения, посколь­ ку значение сопротивления шунта значительно меньше значения со­ противления цепи напряжения, т. е. электростатического ИМ. Элек­ тростатические ваттметры удобны для измерения небольших мощнотей, особенно с малыми коэффициентами мощности.

При квадрантном подключении (рис. 8.17, г) измеряемое напряжение подается на клеммы неподвижных электродов, одна из которых зазем­ ляется, а вспомогательное напряжение — между клеммой подвижно­

Вспомогательное напряжение на постоянном токе неизменно, а на переменном, к тому же, должно быть той частоты, что и измеряемое. Чувствительность электрометров пропорциональна вспомогательному

напряжению и составляет примерно 2 10-4 В/дел. у квадрантных

электрометров и 0,5 • 10-4 В/дел. у бинантных. Шкала равномерная* При двойном подключении (рис. 8.17, д) клемма одного из неподвиж* ных электродов соединяется с подвижным, а другого — с землей; измеря­ емое напряжение подается на клеммы неподвижных электродов. В этом случае электрометр работает как обычный электростатический вольт­

метр как на переменном, так и на постоянном токе.

Достоинствами электростатических приборов являются: малое потребление энергии, которое заметно лишь на высоких частотах; практически независимость показаний в широком частотном диапазо­ не — от измерений на постоянном токе до десятков мегагерц (верхний предел частотного диапазона ограничен входной емкостью и индуктив-