Выпрямительные (детекторные) приборы.

Приборы выпрямительной системы представляют собой сочетание измерительного механизма магнитоэлектрической системы и выпрямителя на полупроводниках. Как известно, вольт-амперную характеристику полупроводникового диода (вентиля) для практических расчетов представляют двумя линейными участками, характеризуемыми прямым (I_пр) и обратным (I_обр) токами. При

Рис. 2.3.5. Схемы выпрямителей

а и б – схемы с однополупериодным выпрямителем и кривая тока измерительного механизма; в – схема с двухполупериодным выпрямлением и кривая тока измерительного механизма

таком подходе возможно также характеризовать полупроводниковый диод прямым

( r_пр) и обратным (r_обр) сопротивлениями. Коэффициент выпрямления полупроводникового диода .

На рис. 2.3.5, а дана схема с однополупериодным выпрямлением, используемая в амперметрах. Эта схема имеет две ветви (с вентилями В₁ и В₂), имеющие равные сопротивления, что обеспечивает одинаковую нагрузку цепи для двух полупериодов переменного тока. Ток через измерительный механизм идет в течение одного полупериода, что равноценно снижению чувствительности измерительного механизма в 2 раза.

В схеме на рис. 2.3.5, б измерительный механизм и выпрямитель замкнуты на вторичную обмотку трансформатора, через которую проходит одна полуволна тока, а на рис. 2.3.5, в дана мостовая схема. В течение одного полупериода ток идет по пути абгв, в течение второго – по пути вбга, т.е. через измерительный механизм за период проходят две полуволны тока одного направления (от точки б к точке г). Действующий на подвижную рамку измерительного механизма мгновенный вращающий момент М = ВSwi. При двухполупериодном выпрямлении средний за период вращающий момент

.

Угол поворота подвижной части, определяемый средним вращающим моментом, выразим так: . Так как на шкалах приборов наносятся действующие значения синусоидального тока, то, приняв во внимание, что I / I_ср = k_ф, получим для двухполупериодной схемы окончательное выражение угла поворота подвижной части: . Таким образом, приборы, проградуированные при синусоидальном токе (коэффициент формы кривой k_ф = 1,11), дают неправильные показания при несинусоидальных токах. Повышение температуры на 1ºС вызывает уменьшение сопротивления выпрямителей на 1,5 – 4 %.

В вольтметрах на малые напряжения изменение сопротивления выпрямителя влияет на сопротивление вольтметра. Для компенсации применяют добавочные резисторы, выполняемые из двух частей: одной из медной и второй из манганиновой проволоки. При увеличении температуры уменьшение сопротивления выпрямителя компенсируется увеличением сопротивления медного добавочного резистора. В вольтметрах на большие напряжения возможно уменьшение показаний (при повышении температуры) вследствие уменьшения коэффициента выпрямления (возрастает прямое сопротивление диодов). Для компенсации этого влияния применяют шунт, состоящий из двух частей, изготовленных из медной и манганиновой проволок. При повышении температуры возрастает сопротивление шунта и ток в измерительном механизме, что компенсируется уменьшением коэффициента выпрямления. Аналогичная компенсация уменьшения коэффициента выпрямления в амперметрах производится также применением шунтов из меди и манганина.

На основе выпрямительной системы часто создают комбинированные приборы для измерения постоянного и переменного тока и напряжения. Такие приборы содержат все рассмотренные элементы: измерительный механизм, многопредельный шунт, многопредельный добавочный резистор и переключатель.

Положительные свойства выпрямительных приборов: высокая чувствительность, малая мощность потерь, независимость показаний от частоты (в небольших диапазонах).

Отрицательные свойства: невысокая точность (классы точности 1,5 и 2,5), зависимость показаний от формы кривой измеряемой величины.

Рис. 2.3.6. Термоэлектрические преобразователи: а – контактный, б – бесконтактный, в – батарея из бесконтактных термоэлементов

Приборы термоэлектрической системы.

Термоэлектрический прибор представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма и измерительного термопреобразователя.

Термопреобразователь (рис. 2.3.6) состоит из нагревателя 1, который нагревается измеряемым током I, и термопары 2, образуемой двумя проводниками из разнородных металлов, одна пара концов которых сварена между собой. При изменении температуры места соединения этих проводников, называемого горячим, или рабочим, спаем, относительно свободных концов на них возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) примерно пропорциональная разности температур термоспаев. Термопары выполняют из металлов и сплавов, обладающих существенной контактной термоЭДС: платины – иридия, хромель – копеля и других, а нагревателя – из тугоплавких металлов: вольфрама, нихрома, чугуна.

Для осуществления теплового контакта между нагревателем и горячим спаем термопары горячий спай либо приваривают к нагревателю (рис. 2.3.6, а), либо механически соединяют с ним затвердевшей каплей – «бусинкой» из теплостойкого изоляционного материала, например, стекла (рис. 2.3.6, б). В первом случае термопара имеет электрическое соединение с нагревателем. Термопреобразователи первого вида называют контактными, термопреобразователи второго вида – бесконтактными. Так как место соединения термопары и нагревателя контактного преобразователя представляют собой не точку, а имеет некоторую площадь, то часть тока, текущего по нагревателю, ответвляется, как от шунта в нагрузку. При измерении тока с постоянной составляющей ответвляющийся ток сигнала в зависимости от его направления увеличивает или уменьшает ток измерительного прибора, обусловленный термоЭДС. Это создает дополнительную погрешность, свойственную контактному преобразователю. Бесконтактные термопреобразователи не имеют такого недостатка, что в значительной степени и обусловило их применение. Другим преимуществом бесконтактных термопреобразователей является возможность последовательного включения n термопар в термобатарею

Рис. 2.3.7. Термоэлектрические приборы: а – амперметр, б – вольтметр

(рис. 2.3.6, в), что при прочих равных условиях увеличивает чувствительность в n раз.

При токах подогревателя до 500 мА термопреобразователи обычно помещают в стеклянную колбу, в которой создают остаточное давление. При этом теплоотдача в воздух, а следовательно, бесполезный расход мощности термопреобразователя значительно уменьшаются, что увеличивает его чувствительность.

В бесконтактных термопреобразователях утечка измеряемого тока в цепь измерительного прибора может происходить только через емкость между нагревателем и термопарой. Так как эта емкость не превышает нескольких пикофарад, то погрешность из-за утечки тока в цепь измерителя сказывается только при очень высоких частотах. Существенным недостатком бесконтактных термопреобразователей является более высокая тепловая инерция. Ввиду небольших размеров нагревателя (отрезка провода длиною примерно 1 см) его индуктивность и емкость весьма малы. Это обусловливает ценное свойство термоэлектрических приборов – возможность их применения в электрических цепях с очень широки диапазоном частот – от нуля до сотен мегагерц. Они применяются для измерения действующих значений переменных токов от 10^-2 до 10² А, напряжений от 1 до 300 В и выпускаются в виде щитовых и переносных термоамперметров и термовольтметров, а также в виде лабораторных приборов с фотогальванометрическими усилителями (для измерения малых токов и напряжений), микроамперметров и милливольтметров. В схеме термоамперметра (рис. 2.3.7, а) и термовольтметра (рис. 2.3.7, б) манганиновый резистор R служит для согласования термопреобразователя с измерительным механизмом, а резистор R_д – добавочное сопротивление вольтметра.

Щитовые приборы имеют в основном встроенный термопреобразователь, квадратичную однопредельную шкалу, отградуированную в измеряемых единицах, хорошие механические свойства, не сравнительно высокую погрешность – до 5 % диапазона измерения. Переносные приборы выполняют с выносными термопреобразователями, они имеют равномерную неградуированную шкалу и несколько сменных преобразователей на разные токи, чем обеспечивается многопредельность прибора. Для перевода отсчета по шкале в результат измерения приборы снабжают пересчетными таблицами. На судах термоэлектрические приборы применяются для измерения токов и напряжений высокой частоты в радиопередающих и радионавигационных устройствах. В большей части приборов непосредственной оценки, в том числе выпрямительных и термоэлектрических, осуществляется отклонение подвижной части благодаря энергии, получаемой из контролируемой цепи, т.е. энергии сигнала. Такие приборы называют пассивными. Следует помнить, что их применение в цепях малой мощности может привести к появлению существенной дополнительной погрешности, если мощность контролируемой цепи и мощность, потребляемая прибором, соизмеримы.

Положительные свойства термоэлектрических приборов: высокая чувствительность, независимость показаний от частоты.

Отрицательные свойства: относительно невысокая точность, зависимость показаний от температуры окружающей среды, значительная мощность потерь.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое измерительный механизм.

2. От каких параметров зависит вращающий момент.

3. Для каких целей в приборе создается противодействующий момент.

4. В какой момент времени остановится указатель.

5. От каких параметров зависит чувствительность прибора.

6. Что такое цена деления, от каких параметров она зависит.

7. От каких причин может увеличиться погрешность прибора.

8. Для каких целей применяются успокоители.

9. Как классифицируются приборы непосредственной оценки.

10. Расшифруйте следующие условные обозначения, указанные на шкале прибора:

, , , , .

11. Какое обозначение указывает, что данный прибор – вольтметр, амперметр, варметр.

12. При работе прибора стрелка амперметра отклоняется до упора при любом значении измеряемого тока. Укажите причину данного явления.

13. Для каких целей служат отсчетные устройства. Их конструкция.

14. Дайте классификацию и сравнительную характеристику указателей приборов.

15. Какие шкалы вы знаете, их достоинства и недостатки.

16. Какую функцию в приборах играют оси, какие они бывают, их конструкция и применение.

17. Каким способом создается противодействующий момент в приборах.

18. Для каких целей служат успокоители, их конструкция, принцип работы.

19. В каких случаях пользуются арретиром.

20. Почему в приборы встраиваются внутренние шунты и добавочные сопротивления. Чем они отличаются друг от друга.

21. Чем отличается бифилярная катушка от обычной.

22. Для каких целей в приборах устанавливают упоры, зажимы.

23. Какие зажимы приборов отмечают знаком «*» (звездочка).

24. Дайте определение систематических и случайных погрешностей.

25. Что такое точность прибора.

26. Как определяется абсолютная, относительная и приведенная погрешность.

27. От каких причин изменяются основные и дополнительные погрешности приборов. В каких случаях ими можно пренебречь.

28. Что такое поправка прибора.

29. Дайте определение класса точности.

30. Для измерения ЭДС генератора к его зажимам присоединен вольтметр (рис. 2.1, сопротивление которого R_V = 10 000 Ом.

31. Сопротивление якоря генератора R_а = 0,2 Ом. Определить, на сколько процентов делаем ошибку, считая показания вольтметра, равным ЭДС генератора. (Ответ: 0,002%)

32. 

    Рис. 2.1 Задача 30

    Определить для вольтметра с пределом измерения 30 В класса точности 0,5 относительную погрешность для точек 5, 10, 15, 20, 25 и 30 В и наибольшую абсолютную погрешность прибора (Ответ: 3; 1,5; 1; 0,75; 0,6 и 0,5 %)

33. Вольтметр с пределом измерения 7,5 В и максимальным числом делений 150 имеет наибольшую абсолютную погрешность 36 мВ. Определить класс точности прибора и относительную погрешность в точках: 40, 80, 90, 100 и 120 делений (Ответ: класс точности 0,5; погрешности: 1,8; 0,9; 0,8; 0,72 и 0,6 %).

34. Какое условное обозначение указывается на шкале магнитоэлектрических приборов.

35. Какая конструкция измерительного механизма у приборов магнитоэлектрической системы.

36. Для каких целей служит магнитный шунт. Конструкция магнитного шунта.

37. Какой успокоитель применяется в приборах магнитоэлектрической системы.

38. Укажите уравнение угла поворота подвижной части приборов магнитоэлектрической системы.

39. Какое время успокоения достигается в магнитоэлектрических приборах.

40. На каком токе работают магнитоэлектрические приборы. Объясните на примере уравнения угла поворота подвижной части.

41. Какая конструкция у магнитоэлектрических логометров. Чем магнитоэлектрические логометры отличаются от приборов магнитоэлектрической системы.

42. Укажите уравнение угла поворота подвижной части магнитоэлектрических логометров.

43. Достоинства и недостатки приборов магнитоэлектрической системы, их применение, влияние температуры на точность приборов.

44. Какая конструкция у приборов электромагнитной системы. Условное обозначение

45. электромагнитной системы на шкале прибора.

46. Укажите уравнение угла поворота подвижной части электромагнитного прибора.

47. На каком токе применяются приборы электромагнитной системы. Докажите это утверждение.

48. Почему шкала приборов электромагнитной системы неравномерная, а у приборов магнитоэлектрической системы – равномерная.

49. Какой прибор будет называться электромагнитным логометром.

50. Укажите уравнение угла поворота подвижной части электромагнитного логометра.

51. Для каких целей применяются астатические электромагнитные системы.

52. Достоинства и недостатки приборов электромагнитной системы, их применение.

53. Расскажите принцип работы приборов электродинамической системы. Укажите условное обозначение этих приборов на шкале.

54. Дать сравнительную характеристику электродинамических и магнитоэлектрических приборов.

55. Уравнение угла поворота подвижной части электродинамических приборов.

56. Какая конструкция у электродинамических логометров. Указать уравнение подвижной части.

57. Почему в приборах электродинамической системы нет погрешности от гистерезиса и вихревых токов.

58. Какое влияние на приборы электродинамической системы оказывают внешние магнитные поля. Для каких целей применяется экранирование и астатические системы.

59. Работа приборов электродинамической системы в цепях постоянного и переменного тока.

60. Достоинства и недостатки, применение приборов электродинамической системы и электродинамических логометров.

61. Отличительные признаки ферродинамической системы. Сравнительная характеристика ее с электродинамической системой.

62. Какое положение занимает стрелка в отключенном приборе электродинамической системы и в электродинамическом логометре.

63. Принцип работы приборов индукционной системы. Уравнение угла поворота подвижной части.

64. Достоинства и недостатки приборов индукционной системы. Применение этих приборов.

65. Принцип работы и применение вибрационных приборов.

66. Принцип работы, уравнение шкалы электростатических приборов. Их достоинства и недостатки, применение.

67. Применение и устройство приборов выпрямительной системы.

68. Устройство термоэлектрических приборов. Конструкции термопар. Достоинства и недостатки данных приборов. Применение.

69. Укажите условные обозначения на шкалах приборов индукционной, вибрационной, электростатических, выпрямительных и термоэлектрических приборов.