9. Измерительные устройства

9.1. Амперметры и вольтметры постоянного тока

Простые амперметры предназначены для измерения постоянного тока. Они включаются в цепь последовательнос нагрузкой. В зависимости от величины максимального измеряемого тока различают амперметры, миллиамперметры и микроамперметры.

Простейший амперметр строится на базе измерительной головки и набора шунтирующих сопротивлений (шунтов). Измерительные головки могут иметь различную конструкцию. Чаще всего используется устройство в виде вращающейся рамки, размещенной в поле постоянного магнита (рис. 9.1а). К рамке на оси прикреплена стрелка и спиральная пружина, удерживающая стрелку в крайнем левом положении начале шкалы (на нулевой отметке).

Рис. 9.1

При протекании через рамку измеряемого тока вокруг нее возникает магнитное поле, взаимодействующее с полем магнита, которое создает силу, поворачивающую рамку. При повороте рамки пружина сжимается и стрелка останавливается в той точке шкалы, в которой сила поворота рамки уравновешивается противодействующей силой сжимающейся пружины. На шкалу наносятся измеряемые значения тока.

153

Измерительная головка характеризуется током полного отклонения стрелки (максимальным током головки) и сопротивлением рамки(например,и). Условно-графическое изображение амперметра показано на рис. 9.1б.

Часто с помощью головки с малым предельным током необходимо измерять большой ток. В этом случае параллельно головке включается шунтирующее сопротивление(шунт). Эквивалентная схема измерителя большого тока показана на рис. 9.1в (сопротивление головки изображено отдельно). Очевидно, что

,

тогда

. (9.1)

При заданных максимальномизмеряемом токе, токе головкии ее сопротивлениисопротивление шунта равно

. (9.2)

Например, при ,иполучим(очень маленькое сопротивление – короткий кусок провода).

Простейшие аналоговые вольтметры реализуются на базе микроамперметров. Они подключаются параллельнонагрузке.

Пример схемы показан на рис. 9.2, в его состав входят чувствительный микроамперметр и сопротивление вольтметра .

154

Для измерения достаточно больших токов используются термоэлектрические(тепловые) головки. Их действие основано на том, что при протекании тока через термочувствительный элемент (отрезок высокоомного провода, биметаллическую пластину) он нагревается и изменяет свои геометрические размеры (растягивается, изгибается). Элемент механически соединен со стрелкой, которая при этом отклоняется, и по шкале определяется величина протекающего тока.

Достоинством термоэлектрических приборов является то, что они прямоизмеряютэнергетическоедействие измеряемой величины.

9.2. Измерение переменных токов и напряжений

При измерении уровень переменного сигнала чаще всего характеризуют [1] егодействующимзначением

, (9.3)

где - период сигнала,- момент начала интегрирования. Значительно реже измеряютсяамплитуда сигнала или егоразмах [1]. Для гармонического сигнала, например,

.

Как видно из (9.3), для измерения действующего значения сигнала необходимо с помощью аналоговых электронных устройств определить его квадрат, проинтегрировать результат на интервале периода и извлечь квадратный корень.

Значительно проще определяется среднее значение модуляпеременного сигнала (егосредневыпрямленноезначение придвухполупериодном выпрямлении)

155

. (9.4)

Шкалы большинства амперметров и вольтметров переменного тока градуируются в действующих значениях гармонических сигналов.

Если в измерителе используется термоэлектрическая головка или реализуется обработка переменного сигнала согласно (9.3), то его показания не зависят от формы сигнала (он прямо измеряет действующее значение).

Если прибор реагирует на средневыпрямленное (9.4) значение переменного сигнала, то измеренное с его помощью действующее значение будет правильным только для гармонических токов и напряжений, а для сигналов другой формы необходимо использовать соответствующие поправочные множители.

Для гармонического сигнала получим

В результате между иимеет место соотношение

. (9.5)

Для однополупериодного выпрямления (когда используются только положительные значения сигнала) получим

тогда

. (9.6)

156

9.3 Электронные вольтметры переменного тока

Обобщенные структурные схемы вольтметра показаны на рис. 9.2.

Рис. 9.2

В состав вольтметра на рис. 9.2а входит детектор (преобразователь переменного напряжения в постоянное), усилитель постоянного тока (может отсутствовать) и измеритель постоянного тока (микроамперметр)

Детектор строится на полупроводниковых диодах или элементах с аналогичными вольтамперными характеристиками (ВАХ). Для работы диода требуется напряжение не менее нескольких десятых долей вольта. При меньших амплитудах входного сигнала его необходимо усилить, как показано в схеме на рис. 9.2б. Наличие входного усилителя переменного тока ухудшает частотные свойства вольтметра, но позволяет измерять низкоуровневые напряжения (милливольтметрами или микровольтметрами).

Чаще всего электронный вольтметр переменного напряжения измеряет средневыпрямленное значение, а шкала измерителя (микроамперметра) градуируется в действующих значениях гармонического сигнала в соответствии с (9.5).

Схемотехническая модель простейшего вольтметра переменного напряжения (без усилителей) показана на рис. 9.3.

157

Рис. 9.3

В состав вольтметра входят большое балластное сопротивление , однополупериодный выпрямитель (диоды) и миллиамперметр постоянного тока, моделируемый сопротивлением. На рис.9.4 приведены временные диаграммы напряжений и токов цепи на рис. 9.3. Верхняя кривая соответствует входному напряжению силовой сети в узле в узле 1 с амплитудой 311 В (действующим значением 220 В) и частотой 50 Гц. На второй кривой показана временная диаграмма входного тока, на третьей – напряжение на однополупериодном выпрямителе (в узле 2), а на нижней кривой – диаграмма тока в сопротивлении, моделирующего миллиамперметр для измерения постоянной составляющей тока.

Рис. 9.4

158

Показания миллиамперметра пропорциональны постоянной составляющей импульсного тока в сопротивлении .

Диодный выпрямитель является нелинейным устройством с экспоненциальной ВАХ, а для определения средневыпрямленного значения (9.4) необходимо формирование модулясигнала. Для улучшения характеристик вольтметра диодный выпрямитель включается в цепь отрицательной обратной связи усилителя. Пример схемы (модели) вольтметра переменного напряжения показан на рис. 9.5.

Усилитель реализован на ОУ OP21A, двухполупериодный выпрямитель (детектор) включен в цепь его отрицательной обратной связи. Микроамперметр с током полного отклонения 100 мкА моделируется сопротивлением.

Рис. 9.5

Передаточные характеристики при подаче на вход устройства (узел 4) постоянного напряжения показаны на рис. 9.6 (верхняя кривая – напряжение в узле 5 и нижняя – ток в сопротивлении , моделирующем микроамперметр).

Как видно, измеряемый ток пропорционален модулю входного напряжения при его изменении от -0,9 В до +0,9 В. Искажения наблюдаются в области малых входных напряжений, что хорошо видно на верхней кривой рис. 9.6.

На рис. 9.7 показаны временные диаграммы сигналов при подаче на вход вольтметра переменного напряжения, как

159

показано на рис. 9.5.

Рис. 9.6

Рис. 9.7

Верхняя кривая соответствует входному напряжению с амплитудой 100 мВ (действующим значением 70,7 мВ). Средняя кривая отображает напряжение на выходе ОУ (узел 5) с

амплитудой 1,546 В (коэффициент усиления ОУ равен 15,46).

160

Нижняя кривая соответствует току в сопротивлении - микроамперметре, пунктиром показана измеренная постоянная составляющая тока микроамперметра 70,7 мкА.

Шкалу микроамперметра можно проградуировать в значениях входного напряжения (в милливольтах).

Изменением сопротивлений и можно задавать различную чувствительность вольтметра.

9.4 Электронные миллиамперметры переменного тока

Для измерения больших переменных токов целесообразно использовать термоэлектронные головки.

Простейшая схема электронного миллиамперметра показана на рис. 9.8. Диод D1 формирует положительные импульсы тока, средневыпрямленное значение которого отклоняет стрелку миллиамперметра. Диод D2 пропускает отрицательную полуволну тока в нагрузку. В схеме используется Рис. 9.8

однополупериодное выпрямление.

При измерении малых токов диодный выпрямитель не обеспечивает требуемых характеристик.

Для реализации микроамперметра удобно использовать чувствительный милливольтметр, параллельно входу которого включено малое сопротивление. Пример схемы измерителя тока показан на рис. 9.9. Измеритель малых переменных током реализован на базе милливольтметра рис.9.5, сопротивление является его внутренним сопротивлением, напряжение на нем равно

.

Например, при и входном токена входе усилителя возникает напряжение

161

, которое и измеряется милливольтметром с соответствующими сопротивлениямии(проведите расчет и моделирование микроамперметра самостоятельно).

Рис. 9.9

162