книги / Специальные методы электрических измерений

разом, по сравнению с разномерной схемой декадная требует боль­ шего числа катушек для своего осуществления, что может несколько увеличить стоимость магазина: Правда, не следует забывать, что в декадной схеме все катушки равны по величине; это обстоятель­ ство, естественно, упрощает технологический процесс. Однако, при­

меняя несколько более сложную схему внутренних соединений, мож­ но сократить число катушек в декаде до пяти и даже до четырех (но в этих случаях — уже неодинаковых) и тем самым ограничиться почти тем же самым числом катушек, что и для разномерной схемы. Примеры подобных схем (со штепсельным и рычажным^ переключе­ нием) изображены на рис. 2-5 и 2-6.

2-3. МЕРЫ ЕМКОСТИ

Образцовые и рабочие меры емкости, которые воспроизводятся в виде измерительных конденсаторов постоянной и переменной емко­ сти, широко применяются в измерительной технике переменного тока.

Основные требования, которые предъявляются к мерам емкости (измерительным конденсаторам), следующие:

1)постоянство емкости и малый температурный коэффициент;

2)очень малый угол потерь и высокое сопротивление изоляции;

3)малая зависимость емкости от частоты и формы кривой пере­ данного напряжения.

Наилучшие возможнные результаты дают конденсаторы, у кото­ рых диэлектриком служит воздух. К сожалению, эти конденсаторы (из-за малости е) имеют относительно малую емкость, поэтому могут применяться только в тех случаях, когда требуется небольшое зна­ чение емкости (не более 0,001—0,01 мкф ). Воздушные конденсаторы постоянной емкости.применяются также в качестве образцовых при работе на высоком напряжении; по конструкции они обычно бывают двух типов: с цилиндрическими и с плоскими электродами.

Часто применяются воздушные к о д е н с а т о р ы п е р е м е н ­

ной	е м к о с т и,	обычно представляющие собой по конструкции
нечто	подобное	общеизвестным радиотехническим конденсаторам,

т. е. систему неподвижных плоских пластин, относительно которых перемещается (вращается) система подвижных пластин. В качестве изолирующего материала для укрепления отдельных элементов кон­ струкции воздушных конденсаторов применяются плавленый кварц,

специальные стекла или фарфоры. Максимальная	емкость — обычно
около 0,001 мкф (редко больше— до 0,005 м кф ),	минимальная — от

0,05 до 0,1 максимальной. Переменные воздушные конденсаторы ча­ сто снабжаются верньером и ионпусиой шкалой, что .дает возмож­ ность отсчитывать значения емкости с достаточно высокой степенью точности. Погрешность их градуировки может не превышать 0,05— 0,1%. Температурный коэффициент емкости 0,003—0,005% на ГС. Тангенс угла потерь меньше 1 • ДО-4. Следует заметить, что значение угла потерь переменного конденсатора довольно сильно зависит от величины введенной емкости.

Существуют также переменные конденсаторы и иной конструк­ ции — цилиндрические, у которых электроды представляют' собой два коаксиальных цилиндра. Осевое перемещение одного из них (обычно внутреннего) и вызывает изменение емкости между цилиндрами. Очевидно, что максимальная емкость для такой системы не очень больших геометрических размеров достаточно мала; большого рас­ пространения цилиндрические конденсаторы не получили.

Применяя воздушные конденсаторы, следует помнить, что ем­ кость между зажимами определяется не только геометрическими размерами пластин, но и частичными емкостями зажимов (и других конструктивных элементов) относительно окружающих заземленных предметов. Так как основная емкость воздушных конденсаторов не­ велика, наличие частичных емкостей может внести заметную погреш­ ность. Это обстоятельство еще ухудшается из-за того, что положе­ ние окружающих предметов в пространстве может меняться (харак­ терный пример — приближение и удаление руки экспериментатора при регулировке емкости конденсатора); поэтому меняются и частич­ ные емкости. В результате погрешность становится совсем неопре­ деленной.

В целях фиксации значений частичных емкостей измерительные конденсаторы помещаются в металлический экран, снабженный от­ дельным зажимом (так называемые «трехзажимные» конденсаторы). Очевидно, что в этом случае любые перемещения окружающих пред­ метов вне экрана не отражаются иа величинах частичных емкостей между конструктивными деталями коидеисатора и экраном. Такая

стабилизация значений частичных емкостей существенно облегчает в дальнейшем защиту измерительных установок от возникновения дополнительных погрешностей (подробнее см. гл. 9)'.

Вторым типом емкостей, весьма распространенных в измери-» тельной практике, являются с л ю д я н ы е к о н д е н с а т о р ы 1*.Они выпускаются в виде отдельных мер с постоянным значением емко­ сти (от 0,001 до 1,0 мкф ) или в виде магазинов емкостей. По своим электрическим свойствам они несколько уступают воздушным, зато значительно превосходят последние по удобству применения и ма­ лым габаритам. Однако при очень малых значениях номинальной емкости (менее 0,001 мкф) все же преимущество следует отдать воздушным конденсаторам”, дополнительные погрешности которых в этом случае меньше.

Современные точные слюдяные конденсаторы обладают пример­ но следующими электрическими характеристиками:

Стабильность емкости на протяжении несколь­			0,01—0,03%
ких лет . .		. . . .
Погрешность подгонки емкости:			+ 0,01—0,02%
при С = 0,01—0,1		м кф . .
при С =	0,001— 0,01 м кф .		±0,05—0,1%
Температурный коэффициент емкости			0,01— 0,02% на Г С
Тангенс угла потерь . .			0,0001—0,0005
Сопротивление изоляции:			104—2-10* М ом
при С =	0,01 — 0 , 1 м кф .
при С =	0,001 м кф		Юз—2ПО3 Мом

Конденсаторы конструктивно могут объединяться в магазины емкостей. Магазины согласно ГОСТ 6746-53 по точности делятся на пять классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1. Число, обозначающее класс, со­ ответствует для однодекадных магазинов допустимому значению основной погрешности магазина в процентах. Для многодекадных магазинов допустимые значения основной погрешности 6 определя­ ются формулой

д =а ^1 +

%.

где а — класс точности данного магазина;

т— число декад;

1В последнее время в качестве диэлектриков в производстве конденсаторов успешно применяются некоторые синтетические плен­ ки (полистирол, фторопласт и др.), а также керамические материа­ лы ‘(тиконд, радиофарфор). Пока еще слюдяные конденсаторы по

своим электрическим свойствам заметно превосходят другие типы; именно они используются в качестве образцовых мер. Однако воз­ можно, что в дальнейшем >в измерительную практику будут входить конденсаторы и с другими, кроме слюды, твердыми диэлектриками. В качестве рабочих мер низших классов в отдельных специальных случаях подобные конденсаторы уже иногда применяются,

С— включенная емкость; Сд — емкость одной ступени низшей декады магазина.

Начальная емкость (для магазинов емкостей Смакс = 1 мкф) в пределах 30—50 пф. Максимальное рабочее напряжение, допусти­ мое для слюдяных конденсаторов,— не более 500 в (постоянное на­ пряжение или амплитудное значение переменного напряжения).

По конструкции переключающей системы магазины емкостей подобно магазинам сопротивлений делятся на две группы: штепсель­ ные н рычажные. Вторая система для работы удобнее.

Описанные	выше меры емкости пригодны для	работы в цепях
с относительно	низким напряжением — не выше	нескольких сотен

вольт. Однако в практике нередки случаи, когда необходимо произ­ водить измерения при значительно более высоких напряжениях, на­ пример испытания кабелей высокого напряжения, трансформаторов и прочен аппаратуры высокого напряжения. В большинстве случаев подобные измерения производятся с применением именно мер емко­ сти. Это обусловило разработку и производство специальных образ­ цовых конденсаторов высокого напряжения, которые строятся на рабочие напряжения, доходящие до 800—900 кв.

Измерительные конденсаторы высокого напряжения выпускают­ ся, естественно, только постоянной емкости, при этом весьма неболь­ шой, порядка 50—100 пф. Наиболее распространенная конструкция— цилиндрическая (два коаксиальных цилиндра); предусматриваются специальные меры предосторожности против возникновения короны, увеличения токов утечек и т. д.

В качестве диэлектрика может быть использован воздух при нормальном давлении. Однако из-за низкой диэлектрической проч­ ности воздуха по мере увеличения рабочего напряжения необходимо увеличивать межэлектродные расстояния, что в конечном счете при­ водит к очень громоздким конструкциям и большим габаритам кон­ денсаторов. Поэтому воздушные конденсаторы строятся обычно на напряжения до 100—150 к в и ниже, хотя существуют отдельные конструкции, работающие в диапазоне до 300 кв.

Существенного увеличения пробивного напряжения и, следова­ тельно, уменьшения габаритов конденсатора можно добиться, ис­ пользуя в качестве диэлектрика вместо воздуха газ |(азот, углекис­ лый газ), сжатый до 10—12 ат. Подобные конденсаторы с газовым наполнением, успешно работающие при напряжениях до 900 кв, представляют собой достаточно стабильные меры. Основным источ­ ником погрешности может быть естественная утечка газа, снижаю­ щая рабочее давление (изменение давления на 1 ат вызывает изме­ нение емкости примерно на 0,06—0,1%), что также опасно и с точки зрения пробоя. Поэтому каждый конденсатор снабжается контроль­ ным манометром.

Наконец, существует еще один тип конденсаторов высокого на­ пряжения— с керамическим диэлектриком. Эти конденсаторы, выпус­ кающиеся пока на рабочие напряжения только до 10 кв, очень малы по размерам и удобны в эксплуатации. Однако заметно большие (по сравнению с воздушными и газонаполненными) дополнительные погрешности керамических конденсаторов позволяют применять их в качестве мер только в переносных технических установках ниж­ них классов, когда малые размеры и вес являются основным требованием и увеличение погрешности допустимо.

2-4. МЕРЫ ИНДУКТИВНОСТИ

Помимо нормальных требований устойчивости значения индук­ тивности к образцовым катушкам предъявляется специфическое тре­ бование— по возможности малое сопротивление по сравнению с ин­ дуктивностью и независимость индуктивности от величины тока и его частоты.

Существенное значение для образцовой катушки индуктивноеги имеет выбор материала каркаса, на который наматывается катушка. Такой материал не должен намагничиваться и изменять своих раз­

меров со временем н под влиянием	внешних	условий (например,
колебания температуры). Достаточно	хорошо	удовлетворяют этим
требованиям белый мрамор, фарфор,	плавленый кварц. (Пористый

материал каркаса перед намоткой пропитывается парафином. На­ мотка производится медным проводом; катушки, предназначенные для работы на повышенных частотах, наматываются проводом, изго­ товленным в виде жгута, свитого из тонких изолированных друг от друга проволок; благодаря этому уменьшается зависимость актив­ ного сопротивления и индуктивности катушки от частоты перемен­ ного тока. Концы (выводы) катушки подводятся к зажимам.

Размер и форма каркаса подбираются так, чтобы поперечное сечение обмотки имело форму квадрата, а средний радиус обмотки был не менее чем в 3 раза больше стороны этого квадрата. Катуш­ ки взаимной индуктивности по конструкции подобны.

Катушки индуктивности выпускаются с номинальными значения­ ми от 0,0001 до '1 гн, а катушки взаимной индуктивности — от 0,001 дс 0,1 гн. Погрешность определения действительного значения 0,1— 0,05%. Следует иметь в виду, что нельзя пренебрегать активным со­ противлением катушки индуктивности. В этом заключается сущест­ венное отличие индуктивностей от образцовых емкостей: у послед­ них в большинстве случаев можно не считаться с активной состав­ ляющей (т. е. с углом потерь).

При работе с образцовыми катушками, в особенности при повы­ шенной частоте, необходимо также иметь в виду возможность воз­ никновения погрешности за счет распределенной емкости обмотки и несовершенства изоляции обмоточного провода. Вследствие этих влияний, заметных в особенности для катушек с большой индуктив­ ностью (т. е. с большим числом витков), возникает заметная зави­ симость действующих значений индуктивности и сопротивления ка­ тушки от частоты.

Аналитическое определение этих зависимостей не представляет особого труда (при условии замены распределенных постоянных со­ средоточенными). Обозначая сосредоточенную емкость через С (включенную параллельно катушке) и пренебрегая малыми членами, «можно получить для действующих значений Ь и К выражение

I^ 1 0(1+сй*СЦ)\

Я^ # 0 ( 1 - Ь 2 со2с х 0),

где	и /?0 — номинальные значения при очень низкой частоте (для
	постоянного тока).

Обозначая через Я, сосредоточенное сопротивление утечки, которое считаем также включенным параллельно, соответственно получим:

+ /г,) + «ац

(*0+ Я|)в+*>вЧ

Одновременно влияние обоих факторов учесть также можно, но полученные при этом выражения довольно громоздки.

Из полученных для I* выражений следует, что влияния С н на действующее значение индуктивности .обратны. Практически

легче обеспечить хорошую изоляцию катушки, чем уменьшить собст­ венную емкость обмотки. В результате емкостный эффект является преобладающим, и у всех катушек наблюдается возрастание дейст­ вующей индуктивности Ь с повышением частоты.

По этой причине меры индуктивности в виде измерительных ка­ тушек аттестуются по действующей индуктивности на строго фик­ сированной частоте (или ряде частот). При других частотах приме­ нять измерительные катушки не рекомендуется, так как их действую­ щие значения в неблагоприятных случаях могут возрасти на 30—50%.

Строгий (без сделанных выше допущений) аналитический учет влияния распределенной емкости и сопротивления утечки достаточно сложен. Поэтому надежнее и точнее измерять действующие значе­ ния индуктивностей и сопротивлений измерительных катушек, чем вычислять поправки.

Обычно применяются постоянные по величине меры индуктивно­ сти и взаимной индуктивности. Встречаются также и магазины индуктивности, представляющие собой набор образцовых катушек в комбинации с переключающим устройством. В тех случаях, когда необходимо применение переменной индуктивности, большое удобст­ во представляют собой так называемые вариометры. Их конструк­ ции весьма разнообразны, но принцип устройства один — это две катушки, одна из которых имеет возможность перемещаться в про­ странстве относительно другой. При этом изменяется, строго говоря, взаимная индуктивность этих двух катушек. Однако при последова­ тельном соединении их будет меняться и полная индуктивность, оче­ видно, равная ’А=1,+12±2М . Перемещение подвижной катушки фиксируется при помощи какого-либо отсчетного устройства.

Подобный вариометр при соответствующей схеме включения 'мо­ жет служить и мерой переменной взаимной индуктивности. Они мо­ гут снабжаться двойной градуировкой для обоих случаев включения.

Естественно, что погрешность переменных индуктивностей (мага­

зинов	и вариометров) заметно выше, чем постоянных.					до
Катушки		индуктивности постоянного	значения	(от 0,0001
1,0 г н ) предназначены для работы при частотах до 1 000 гц.
Погрешность подгонки номинального			значения	не	превосходит
±0,3%	для	индуктивностей от 0,01 до 1,0 гн и ±1%			для 0,001	н
0,0001 гн. Действительное значение указывается в				паспорте с		по­
грешностью ±0,1%.			имеет три		декады: 10Х
Магазин		индуктивности — рычажный,

Х'Ю м гн, 10X1 м гн и 10X0,'1 мгн. Четвертым элементом магазина является вариометр, значение индуктивности которого плавно изме­ няется в пределах от 0,06 до 0,15 м гн. Точность подгонки индуктив­ ностей равна ±0,5% для первых двух декад и ±1% для декады 10x0,1 мгн. При отключении отдельных секций катушек в цепь включается замещающее сопротивление, равное активному сопротив­ лению отключенной секции.

Благодаря этому общее активное сопротивление всего Магазина при любых значениях индуктивности остается неизменным (порядка 50 о.и).

2-5. МЕРЫ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ

В качестве общепризнанных образцовых и рабочих мер э. д. с. применяются широко распространенные насыщенные и ненасыщен­

ные нормальные элементы.

Положительный электрод насыщенного нормального элемента

состоит из ртути, а отрицательный — из	АшпгБгастъи кадмия							(10—
12,5%		кадмия		и 90-^87,5% рту­
ти). Деполяризатором							(у	поло­
жительного электрода)							являет­
ся паста из смеси сернокислой
закиси		ртути		с	сернокислым
кадмием.			Электролитом					слу­
жит	насыщенный				раствор			сер­
нокислого			кадмия		с	избытком
кристаллов СбЗС^-И/зНгО. В
качестве			оболочки		обычно при­
меняется			стеклянный					сосуд
Н-образной формы с впаянны­
ми	платиновыми					выводами.
Схема		устройства				подобного
элемента			изображена					на
рис.	2-7.		Возможны			н	другие
конструкции элементов.
	Измерительные					характери­
стики		нормальных				элементов
регламентируются ГОСТ '1954-55.

Действительное значение э. д. с. насыщенного 'нормального элемен­ та при температуре +20° С должно лежать в пределах 1,01850— 1,01870 в, т. е. воспроизводимость этой образцовой меры весьма велика.

Внутреннее сопротивление нормального элемента 500—И000 ом; допустимая нагрузка — не более 1 мка.

Большим достоинством насыщенных нормальных элементов яв­ ляется их относительно малый *и достаточно определенный темпе­ ратурный коэффициент. Для определения э. д. с. при изменениях температуры -служит формула

Ег = Е 2о — 40.6* 10“в (* — 20) — 0,95* 10“ ®(# — 20)2 +

+ 0.0Ь10-6(* — 20)3.

Эта формула применима, если обе ветви элемента находятся при одинаковой температуре; это объясняется тем, что ветви сами по себе имеют довольно большие температурные коэффициенты, но вза­ имно компенсирующиеся благодаря разнице в знаках.

Помимо насыщенных нормальных элементов, в измерительной практике применяются так называемые ненасыщенные элементы. Повторяя в общих чертах конструкцию насыщенных нормальных элементов, эти элементы в качестве электролита имеют раствор сер-

иокнслого кадмия, насыщенный при 4° С. Следовательно, при нор* малыши комнатной температуре этот раствор не насыщен. Воспро­ изводимость н устойчивость ненасыщенного нормального элемента значительно ниже, чем насыщенного; э. д. с. сразу после изготовле­ ния элемента находится в пределах 4,0185—1,0195 в.

Достоинствами ненасыщенного элемента являются сравнитель­ но малое внутреннее сопротивление порядка 300 ом н крайне малый температурный коэффицпнент, которым во многих случаях -молено пренебречь, что делает этот элемент очень удобным для работ в ус­ ловиях переменной температуры.

Нормальные элементы в зависимости от погрешности при опре­ делении э. д. с и устойчивости ее подразделяются на три класса (ГОСТ 1954-55). К первым двум классам относятся только насы­ щенные нормальные элементы, а к третьему — только ненасыщен­ ные.

Значения э. д. с. элементов н допустимые отклонения в зави­ симости от класса помещены в табл. 2-2.

					Т а б л и ц а 2-2
		Допустимые пределы		Допусти­	Допустимое
Нанменоианне элемента		значения э. д. с. в аб­		мый наи­	уменьшение
		солютных вольтах		больший	э. д. с. за 1 год
		от	до	ток, а	в абсолютных
					польтах
Нормальный	элемент	1,01850	1,01870	М О -6	50-Ю-6
I класса	элемент
Нормальный		1,0185	1,0187	м о - 6	100- Ю-6
II класса	элемент
Нормальный		1,0185	1,0195	10-Ю-®	300-10-*
III класса

Применение нормальных элементов связано с необходимостью строжайшим образом соблюдать следующие .меры .предосторож­ ности-:

1)не трясти и не взбалтывать элементы; после перевозки или даже переноски на большие расстояния — перед работой сутки дер­ жать в покое;

2)защищать их от действия солнца и других сильн

ков света и тепла; 3) хранить при возможно постоянной температуре и не приме­

нять при температурах ниже -Н18	и выше +22° С .'(I		кла'сс); для
элементов II класса допустим интервал		+40— 1-30°С;	II классов);
4) не брать от элементов тока	более	1 м ка (для I -я

элементы III класса допускают прохождение кратковременного тока до 10 мка.

Разумное соблюдение указанных условий эксплуатации позво­ ляет получить в виде нормальных элементов весьма надежную и со­ вершенную меру э. д. с., что в свою очередь обеспечивает высокое совершенство компенсационных методов постоянного тока.

НУЛЕВЫЕ УКАЗАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

3-1. ВИДЫ НУЛЕВЫХ УКАЗАТЕЛЕЙ

Непременной принадлежностью любого нулевого ме­ тода измерения является нулевой указатель (индика­ тор), т. е. некоторое приспособление, при помощи кото­ рого определяется момент достижения равновесия в измерительной цепи. Иными словами, это приспособление должно указывать отсутствие («нуль») напряжения между двумя характерными точками цепи (или иначе — отсутствие тока в ветви между этими двумя точками). Поэтому оно и получило наименование — нулевой ука­ затель или индикатор.

Из приведенного определения следует, что нулевые указатели вовсе не предназначены для количественного измерения напряжения или тока. Поэтому они могут вообще не иметь шкалы, проградуированной в какихлибо единицах. Их отсчетное приспособление должно только давать возможность фиксировать присутствие или отсутствие какого-то эффекта, связанного с нали­ чием напряжения на зажимах указателя, и может при­ нимать довольно разнообразные формы, подчас сильно отличные от привычных нам шкалы и стрелки.

Назначение нулевых указателей позволяет заметить вторую, характерную для них особенность. Очевидно, что чем выше чувствительность указателя, тем точнее и совершеннее можно установить момент равновесия изме­ рительной цепи. Поэтому требование высокой чувстви­ тельности и в первую очередь — около нуля является непременным для всех устройств, используемых в каче­ стве нулевых указателей. Очевидно также, что для этой цели мало пригодны приборы с квадратичной шкалой (электродинамометры, детекторные приборы), ибо они имеют пониженную чувствительность именно в области, близкой к нулю.

Естественно, что электроизмерительной технике не­ обходимы нулевые указатели как постоянного, так и пе­ ременного токов.

В качестве первых применяются практически только магнитоэлектрические — стрелочные или зеркальные

40

гальванометры, конструкция и свойства которых хоро­ шо известны. Это единообразие объясняется тем, что в большинстве случаев существующие модели гальвано­ метров являются вполне удовлетворительными. Однако иногда все же случается, что для нормальной работы измерительной установки необходим нулевой указатель чувствительности, большей, чем у существующих типов гальванометров. В этих случаях могут быть использо­ ваны некоторые специальные приемы и приспособления для повышения чувствительности, особо пригодные имен­ но в случаях работы гальванометров как нулевых ука­ зателей. В дальнейшем (см. § 3-2), не касаясь извест­ ных принципов действия, теории и конструкции магни­ тоэлектрических гальванометров, мы рассмотрим только два вопроса: способы согласования магнитоэлектриче­ ского гальванометра как нулевого указателя с измери­ тельной цепыо и некоторые способы увеличения чув­ ствительности гальванометров.

Иначе обстоит дело в области нулевых указателей переменного тока, где не существует такого единодуш­ ного предпочтения, какое мы видим на примере магни­ тоэлектрических гальванометров. Это отчасти объяс­ няется большим разнообразием технических требований (например, разные частотные диапазоны), а также от­ сутствием столь универсального и совершенного указа­ теля, каким является магнитоэлектрический гальвано­ метр. В результате этого в измерительной практике в ка­ честве нулевых указателей переменного тока применя­ лись и применяются телефоны — простой и резонансный, вибрационные гальванометры разных конструкций, зер­ кальные электродинамометры с постоянным возбужде­ нием, различные устройства с выпрямителями, элек­ тронными лампами и т. д. Рассмотрим общие свойства этих вариантов несколько подробнее.

Прежде всего, следует заметить, что выбор нулевого указателя как по его собственной чувствительности, так и с точки зрения согласования параметров измеритель­ ной цепи и указателя на переменном токе, проще, чем на постоянном. Дело в том, что мы всегда располагаем возможностью применить вспомогательный согласую­ щий усилитель, включаемый между выходом измери­ тельного устройства и указателем. Успехи современной электроники делают такую задачу на переменном токе