0

Измерение действующих значений переменных токов и напряжений

Ранее было отмечено, что электромагнитные, электродинамические, ферродинамические и электростатические измерительные механизмы могут быть использованы для измерений действующих значений переменного тока и напряжения, и указаны верхние пределы токов и напряжений, непосредственно измеряемых этими механизмами.

Расширение пределов измерений перечисленных измерительных механизмов по току осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока, так как падение напряжения в этих механизмах в несколько раз больше, чем в магнитоэлектрических, поэтому шунты получились бы громоздкими и дорогими.

Расширение пределов измерения по напряжению может быть достигнуто как с помощью добавочных сопротивлений, так и путем использования измерительных трансформаторов напряжения. Последние главным образом применяются при необходимости изоляции прибора от сети высокого напряжения. Расширение пределов измерения электростатических измерительных механизмов производится с помощью добавочных конденсаторов.

Электромагнитные приборы в основном применяются в качестве щитовых приборов класса 1,5, а также лабораторных многопредельных приборов класса 0,5.

Электродинамические амперметры и вольтметры являются наиболее точными приборами на переменном токе. Они выпускаются только в качестве лабораторных приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5.

Электромагнитные, электродинамические и ферродинамические приборы обычно градуируются (и поверяются) либо на переменном токе промышленной частоты, либо на постоянном токе. При измерении на повышенных частотах эти приборы имеют значительную погрешность, обусловленную в основном индуктивностью катушек. Для работы на высоких частотах указанные приборы не могут быть использованы.

На практике электростатические вольтметры могут применяться на любых частотах, за исключением малых (до 30. 40Гц), так как при малых частотах полное сопротивление Z измерительного механизма и добавочного конденсатора зависит от сопротивления изоляции, шунтирующего емкостное сопротивление,

Для измерения действующих значений переменных токов и напряжений также могут быть использованы термоэлектрические приборы. Схемы цепи термоэлектрических приборов представлены на (рис. 5.3). Термоэлектрический прибор представляет собой магнитоэлектрический измерительный механизм Г (см. рис. 5.3 а, с единичной термопарой) в сочетании с термопарой 1, служащей для измерения температуры t проволоки (терморезистора) 2, через которую протекает измеряемый переменный ток I.

Угол отклонения α магнитоэлектрического измерительного механизма пропорционален термо-ЭДС:

α = SiIГ = Si = kET,

где Siчувствительность гальванометра к току; IГток термопары гальванометра; ET — термо-ЭДС; RГсопротивление измерительного механизма; RTсопротивление термопары; kкоэффициент пропорциональности.

Термо-ЭДС при постоянстве температуры свободных концов термопары является функцией температуры рабочего конца термопары:

Температура t будет функцией теплоты, выделяемой измеряемым током I, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату тока:

t = f2(I 2 ).

Следовательно, угол отклонения α = f(I 2 ), является функцией действующего значения переменного токаI.

Характеристика шкалы не будет строго квадратичной, так как температура t терморезистора определяется тепловым равновесием проволоки, т.е. потерями выделяемой теплоты, зависящими от многих факторов. Если измеряемый ток мал, то мало и значение термо-ЭДС. В этом случае можно использовать батарею из нескольких термопар (см. рис. 5.3 б). Однако непосредственный контакт рабочих концов термопар с терморезистором невозможен, так как термопары оказались бы замкнутыми накоротко. В связи с этим рабочие концы термопар обычно изолируются от терморезисторов каплей стекла.

Терморезистор часто называют нагревателем, а сочетание нагревателя с термопарой — термопреобразователем. Терморезистор (нагреватель) обычно выполняется из константана или сплава платины с родием. В качестве термопары чаще всего применяется термопара хромелькопель.

Индуктивность терморезистора очень незначительна, поэтому основное применение термоэлектрические приборы получили для измерения токов высокой частоты (в мегагерцах — МГц).

Дата добавления: 2016-12-31 ; просмотров: 905 | Нарушение авторских прав

Ранее было отмечено, что электромагнитные, электродинамические, ферродинамические и электростатические измерительные механизмы могут быть использованы для измерений действующих значений переменного тока и напряжения, и указаны верхние пределы токов и напряжений, непосредственно измеряемых этими механизмами.

Расширение пределов измерений перечисленных измерительных механизмов по току осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока, так как падение напряжения в этих механизмах в несколько раз больше, чем в магнитоэлектрических, поэтому шунты получились бы громоздкими и дорогими.

Расширение пределов измерения по напряжению может быть достигнуто как с помощью добавочных сопротивлений, так и путем использования измерительных трансформаторов напряжения. Последние главным образом применяются при необходимости изоляции прибора от сети высокого напряжения. Расширение пределов измерения электростатических измерительных механизмов производится с помощью добавочных конденсаторов.

Электромагнитные приборы в основном применяются в качестве щитовых приборов класса 1,5, а также лабораторных многопредельных приборов класса 0,5.

Электродинамические амперметры и вольтметры являются наиболее точными приборами на переменном токе. Они выпускаются только в качестве лабораторных приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5.

Электромагнитные, электродинамические и ферродинамические приборы обычно градуируются (и поверяются) либо на переменном токе промышленной частоты, либо на постоянном токе. При измерении на повышенных частотах эти приборы имеют значительную погрешность, обусловленную в основном индуктивностью катушек. Для работы на высоких частотах указанные приборы не могут быть использованы.

Читайте также:  Ворд закрывается при открытии документа

На практике электростатические вольтметры могут применяться на любых частотах, за исключением малых (до 30. 40Гц), так как при малых частотах полное сопротивление Z измерительного механизма и добавочного конденсатора зависит от сопротивления изоляции, шунтирующего емкостное сопротивление,

Для измерения действующих значений переменных токов и напряжений также могут быть использованы термоэлектрические приборы. Схемы цепи термоэлектрических приборов представлены на (рис. 5.3). Термоэлектрический прибор представляет собой магнитоэлектрический измерительный механизм Г (см. рис. 5.3 а, с единичной термопарой) в сочетании с термопарой 1, служащей для измерения температуры t проволоки (терморезистора) 2, через которую протекает измеряемый переменный ток I.

Угол отклонения α магнитоэлектрического измерительного механизма пропорционален термо-ЭДС:

α = SiIГ = Si = kET,

где Siчувствительность гальванометра к току; IГток термопары гальванометра; ET — термо-ЭДС; RГсопротивление измерительного механизма; RTсопротивление термопары; kкоэффициент пропорциональности.

Термо-ЭДС при постоянстве температуры свободных концов термопары является функцией температуры рабочего конца термопары:

Температура t будет функцией теплоты, выделяемой измеряемым током I, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату тока:

t = f2(I 2 ).

Следовательно, угол отклонения α = f(I 2 ), является функцией действующего значения переменного токаI.

Характеристика шкалы не будет строго квадратичной, так как температура t терморезистора определяется тепловым равновесием проволоки, т.е. потерями выделяемой теплоты, зависящими от многих факторов. Если измеряемый ток мал, то мало и значение термо-ЭДС. В этом случае можно использовать батарею из нескольких термопар (см. рис. 5.3 б). Однако непосредственный контакт рабочих концов термопар с терморезистором невозможен, так как термопары оказались бы замкнутыми накоротко. В связи с этим рабочие концы термопар обычно изолируются от терморезисторов каплей стекла.

Терморезистор часто называют нагревателем, а сочетание нагревателя с термопарой — термопреобразователем. Терморезистор (нагреватель) обычно выполняется из константана или сплава платины с родием. В качестве термопары чаще всего применяется термопара хромелькопель.

Индуктивность терморезистора очень незначительна, поэтому основное применение термоэлектрические приборы получили для измерения токов высокой частоты (в мегагерцах — МГц).

Дата добавления: 2016-12-31 ; просмотров: 906 | Нарушение авторских прав

Направление переменного тока и полярность переменного напряжения промышленной частоты периодически изменяются. По действующим в России стандартам этот период равен 0,02 с, а промышленная частота, соответственно, равна 50 Гц.

Для оценки переменных токов и напряжении используют понятия действующего (эффективного) значения, амплитудного (максимального) значения и средневыпрямленного значения. Вольтметры и амперметры всех систем обычно градуируют в действующих значениях при синусоидальной форме кривой тока. При несинусоидальной форме кривой будет возникать дополнительная погрешность.

Действующим значением переменного напряжения произвольной формы назвали такое постоянное напряжение, под воздействием которого на активной нагрузке того же самого сопротивления выделяется такое же количество тепла. Первые стрелочные приборы для измерения эффективного значения переменного напряжения были тепловыми — нагревающийся под действием протекающего тока провод из высокоомного сплава, удлиняясь, перемещал стрелку. На шкале такого прибора там, где обозначены его характеристики, можно увидеть знак, изображенный на рис. 9.4, а. К сожалению, тепловые приборы имеют множество недостатков, делающих их малопригодными для точных измерений, а те, у которых недостатки (например, зависимость показаний от температуры окружающей среды) устранены, слишком сложны и дороги.

Рис. 9.4. Условные обозначения приборов для измерения переменного тока

Согласно закону Джоуля, количество тепла, выделяющегося на нагрузке с активным сопротивлением, пропорционально квадрату приложенного к нему напряжения, поэтому эффективное значение часто называют среднеквадратичным. Чтобы измерить эффективное значение переменного напряжения (тока), необходимо в течение некоторого времени возводить в квадрат его мгновенные значения, усреднить результаты и извлечь из среднего квадратный корень. Благодаря тому что тяговое усилие электромагнита пропорционально именно квадрату протекающего в обмотке тока, оказалось удобным на основе этого механизма строить стрелочные приборы так называемой электромагнитной системы, измеряющие эффективное значение тока (/эфф). Опознать такие измерители можно по знаку (рис. 9.4, б) в нижней части шкалы. Электромагнитные вольтметры и амперметры широко распространены в энергетике, где их недостатки — низкая чувствительность и ограниченный частотный диапазон — не имеют большого значения. А нелинейная шкала (она сжата в начале и сильно растянута в конце) часто бывает даже удобнее — если измеряемое напряжение близко к предельному для вольтметра, то незначительные его изменения заметнее.

Измеряя переменные напряжение или ток, изменяющиеся по заранее известному закону, производить сложные вычисления в реальном времени вовсе не обязательно. Зная закон, это можно выполнить заранее. Известно, например, что действующее значение величины, изменяющейся по синусоиде, равно 1/л/2 « 0,707 ее амплитуды. Поэтому шкалу вольтметра, измеряющего амплитуду синусоидального напряжения, можно проградуировать так, что он будет показывать эффективное значение. Подобным образом построены многие ламповые и пришедшие им на смену полупроводниковые электронные высокочастотные вольтметры и милливольтметры, у которых амплитудный детектор смонтирован в выносном пробнике.

Читайте также:  Бесплатные приложения для снятия видео

Часто вместо эффективного измеряют другое значение переменного напряжения — средневыпрямленное — постоянную составляющую несглаженного пульсирующего напряжения или тока на выходе двуполупериодного выпрямителя (?/срвыпр или /срвыпр). Оно равно 2/л:* 0,637 амплитуды синусоиды, что в 1,11 раза меньше ее эффективного значения. Подавляющее большинство универсальных низкочастотных измерительных приборов (аво-метров, мультиметров) показывают не эффективное, а именно средневыпрямленное значение переменного напряжения (тока), умноженное на этот поправочный коэффициент.

На шкалу стрелочных приборов такого типа обычно наносят знак (рис. 9.4, в), символизирующий магнитоэлектрический измерительный механизм, оснащенный полупроводниковым выпрямителем. Схема выпрямителя, примененного в ампервольтом-метре Ц4312, изображена на рис. 9.5. Трансформатор Г, устраняет влияние постоянной составляющей измеряемой величины на результат (если, конечно, эта составляющая невелика и не вызывает насыщения магнитопровода трансформатора). При измерениях

Рис. 9.5. Схема двухполупериодного выпрямителя

сопротивления и постоянных тока и напряжения микроамперметр РА< отключен от выпрямителя не показанными на схеме контактами переключателя пределов измерения.

Диоды К/),, УР2 германиевые, имеющие меньшую, по сравнению с кремниевыми, нелинейность прямой ветви вольт-амперной характеристики. Тем не менее шкала переменного напряжения (тока) у рассматриваемого прибора, как и у других выпрямительных, заметно не линейна. Чтобы было удобнее учесть влияние нелинейности выпрямителя, иногда предусматривают даже две шкалы переменного напряжения: одну — для малых значений (менее 1. 3 В), вторую — для больших.

Очень простой выпрямитель измеряемого переменного напряжения применяют в портативном цифровом мультиметре М-830 и ему подобных. Его схема показана на рис. 9.6. Здесь РУ — АЦП мультиметра, выполненный на микросхеме 1СЬ7106 (аналогичная отечественная — К572ПВ5), который действует по принципу двойного интегрирования, выводя на ЖК индикатор среднее значение поданного на вход напряжения. Выпрямитель на диоде Уй] однополупериодный, постоянная составляющая на его выходе вдвое меньше средневыпрямленного значения. Необходимой коррекции показаний достигают подключением катода диода к точке соединения резисторов /?, и Я2.

Рис. 9.6. Схема однополупериодного выпрямителя

Допустимое обратное напряжение (1000 В) диода Ш4007 обусловило ограничение верхнего предела измерения переменного напряжения значением 750 В, хотя остальные узлы мультиметра позволяют вести отсчет до 1999 В. Никаких мер по устранению погрешности, вносимой нелинейностью диода, не принято, хотя абсолютное значение этой погрешности — несколько десятых долей вольта — превышает цену единицы младшего разряда индикатора (0,1 В) на пределе измерения «200 В». Более чувствительные пределы измерения просто не предусмотрены.

На достоверность показаний такого прибора, особенно при измерении переменного напряжения менее 10. 20 В и частотой выше нескольких килогерц, рассчитывать не стоит.

Следует еще раз напомнить, что показания приборов, проградуированных в эффективных, но фактически измеряющих совсем другие значения (а это подавляющее большинство всех применяемых в быту и радиолюбительской практике приборов), справедливы только для синусоидальных напряжения и тока.

Для характеристики формы периодических сигналов введены два параметра: коэффициент амплитуды ка = /ампл/4фф и коэффициент формы кф = /эфф//ср.выпр.

При синусоидальной форме сигнала рассмотренные значения составляют:

Для напряжения переменного электрического сигнала используются те же характеризующие значения, что и для тока, — амплитудное 11шпл, среднее ?/ср, эффективное ?/эфф. При эффективном напряжении сети 220 В амплитудное напряжение составляет 311В, средневыпрямленное — 198 В.

На практике электротехнику приходится встречаться с электрическими сигналами разнообразной формы. Рассмотрим некоторые из них.

Синусоидальное напряжение (рис. 9.7, а) при двухполупериод-ном выпрямлении (рис 9.7, б) сохраняет свое эффективное значение. При однополупериодном выпрямлении (рис. 9.7, в) эффективное значение напряжения уменьшается в 72 раз.

Меандр (рис. 9.7, г, д). Однополярным меандром называют напряжение прямоугольной формы, которое одну половину периода равно своему максимальному значению, а другую — нулю (рис. 9.7, г). Среднее значение однополярного меандра равно половине амплитудного. Мощность, выделяемая током такой формы в нагрузке, вдвое меньше, чем мощность от постоянного тока, поэтому эффективное напряжение сигнала в 72 раз меньше амплитудного. В случае двуполярного меандра (рис. 9.7, д) напряжения ?/ампл, ?/срвыпр и [/эфф совпадают между собой.

Последовательность прямоугольных импульсов (рис. 9.7, е) длительностью / с периодом повторения Т. Для такого сигнала

Рис. 9.7. Некоторые формы электрического сигнала: синусоидальное напряжение (я); результат двухполупериодного (б) и однополупериодного (в) выпрямления синусоидального напряжения; однополярный (г) и двуполярный (д) меандр; последовательность прямоугольных импульсов (е); пилообразное однополярное (ж) и двуполярное (з) напряжение; треугольное однополярное (и) и двуполярное (к) напряжение; напряжение на выходе фазоимпульсного регулятора (л)

Читайте также:  Значки вставить в текст

существует понятие «скважность», которая обычно обозначается буквой 0 и определяется как отношение периода к длительности импульсов: 0 = Т/^ Поскольку ток сигнала такой формы действует в раз меньшее время, чем постоянный ток, среднее значение сигнала в раз меньше амплитудного, а эффективное — в л/0 раз.

Пилообразное напряжение (рис. 9.7, ж, з). Для него среднее значение (средневыпрямленное для двуполярного) равно половине амплитудного (площадь треугольника равна половине произведения основания на высоту). Для расчета эффективного значения следует определить площадь под параболой, описывающей зависимость квадрата напряжения от времени, оно получается в л/3 раз меньше амплитудного.

То же соотношение справедливо и для сигнала треугольной формы (рис. 9.7, и), в том числе и двуполярного (рис. 9.7, к).

Напряжение на выходе фазоимпульсного регулятора (рис. 9.6, л). Его форму характеризует угол проводимости а, который может в общем случае меняться в пределах от 0 до я. Амплитудное значение напряжения такой формы составляет

иампл = ^ампл.с^на для а я/2, среднее —

^ср= ^ампл.сО -СОвсО/я,

^эфф = ^ампл.сл/( а – Сіп а) 2)/(2я) ,

где ?7амплс — амплитудное напряжение сети на входе регулятора, а угол а в последнюю формулу должен подставляться в радианах.

На рис. 9.8 приведены зависимости, описываемые этими формулами.

Рис. 9.8. Зависимость соотношений напряжений на выходе фазоимпульсного

регулятора от угла отсечки а

В таблице приведены отношения среднего и эффективного значений к амплитудному, а также коэффициенты формы и амплитуды для рассмотренных сигналов.

Существуют электронные вольтметры, измеряющие истинное эффективное значение напряжения произвольной формы.

Форма сигнала по рис. 9.7

Импортные приборы такого класса можно опознать по надписи «True RMS» на передней панели. Соответствующую информацию об отечественных приборах можно найти только в их паспортах и технических описаниях. К ним относится милливольтметр ВЗ-48, принцип действия которого поясняет схема, изображенная на рис. 9.9. Через нагреватель вакуумного термопреобразователя ?/, протекает переменный ток, пропорциональный измеряемому напряжению и повторяющий его форму. Нагреватель термопреобразователя U2 подключен последовательно с миллиамперметром РА к выходу усилителя Л2.

Рис. 9.9. Схема термопреобразователя милливольтметра ВЗ-48

Термопары преобразователей соединены встречно-последовательно и соединены с входом усилителя так, что он оказывается охваченным отрицательной ОС. Таким образом поддерживается равенство тока, текущего через микроамперметр, эффективному значению тока, текущего через нагреватель преобразователя иг Из-за тепловой инерции преобразователей время установления показаний милливольтметра довольно велико (4 с). Так как существенную погрешность вносит дрейф нуля усилителя постоянного тока Ах, приняты меры к его снижению — усилитель выполнен по схеме «модулятор—демодулятор» (МДМ). Частотный диапазон измерений ограничен полосой пропускания усилителя А |.

Доверять показаниям подавляющего большинства вольтметров можно лишь, измеряя чисто синусоидальное напряжение, частота которого лежит в допустимых для используемого прибора пределах. В любом случае, прежде чем приступать к измерениям, нужно хорошенько обдумать, что именно необходимо измерить и что на самом деле покажет ваш вольтметр. Все, сказанное выше, в полной мере относится и к измерителям тока.

Микросхема AD736 фирмы Analog Devices является точным монолитным преобразователем переменного напряжения в эффективное значение с низким потреблением. При производстве микросхемы проводится лазерная подгонка, обеспечивающая базовую точность ±(0,3 % + 0,3 мВ) при синусоидальном входном сигнале. Микросхема также обеспечивает высокую точность для различных форм входного сигнала, включая импульсные последовательности произвольной скважности и выходное напряжение тиристорных регуляторов с фазовым управлением. Относительно невысокая стоимость и малые размеры позволяют использовать эту микросхему для конструирования общедоступных мультиметров и модернизации существующих измерительных приборов.

Эта микросхема определяет эффективное значение как переменного, так и постоянного напряжения или постоянного с любой амплитудой наложенных пульсаций. При необходимости, однако, можно измерять эффективное значение только переменной составляющей, добавив всего один конденсатор. Гарантируется относительная ошибка не более 2 % от измеряемой величины.

Микросхема имеет выходной буферный усилитель, что обеспечивает большую гибкость при ее использовании. Она потребляет ток не более 200 мкА и оптимизирована для применения в портативных мультиметрах.

Возможны два варианта подачи входного сигнала на микросхему. Высокоомный вход имеет входное сопротивление более 10 12 Ом, низкоомный — 8 кОм, однако низкоомный вход позволяет подавать входное напряжение большей амплитуды. Эти два входа могут использоваться для дифференциальной подачи сиг-

admin

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *