Магнитоэлектрические приборы с преобразователем переменного тока в постоянный

Сочетание магнитоэлектрического механизма с преобразователем переменного тока в постоянный позволяет использовать достоинства этого механизма при измерениях в цепях переменного тока. В зависимости от вида преобразователя различают выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы.

Выпрямительные приборы. Выпрямительные приборы состоят из полупроводникового диода и магнитоэлектрического измерительного механизма. Диод выпрямляет измеряемый переменный ток, а магнитоэлектрический механизм служит индикатором, стрелка которого отклоняется под действием выпрямленного тока. Наиболее употребительны точечные кремниевые диоды, которые имеют малую собственную емкость (несколько пикофарад) и могут работать в диапазоне от низких (0—50Гц) до высоких (10—10Гц) частот. Способность диода выпрямлять ток характеризуется коэффициентом выпрямления k _в, представляющим собой отношение сопротивлений диода в обратном и прямом направлениях:

(2.36)

Коэффициент выпрямления зависит от приложенного напряжения, частоты и температуры. Он невелик при малых значениях напряжения (меньше десятых долей вольта), но резко возрастает при повышении напряжения. В рабочей области напряжений, частот и температур коэффициент выпрямления диодов равен 10 ²—10⁶.

В выпрямительных приборах используются однополупериодные и двухполупериодные выпрямительные цепи. Некоторые из них приведены на рис. 2.10 и 2.11 соответственно. На этих схемах показано также включение измерительного механизма амперметра А.

При однополупериодном выпрямлении (рис. 2.10) через рамку измерительного механизма, включенную последовательно с диодом VD1, ток проходит только в течение своего положительного полупериода. Во время отрицательного полупериода он проходит по параллельной цепочке через резистор R и диод VD2. Параллельная цепочка обеспечивает защиту диода VD1 от перенапряжения во время отрицательного полупериода. На рис. 2.10 направление прохождения прямой волны обозначено сплошной, а обратной волны—пунктирной стрелкой. Показано также, какую форму имеют токи, протекающие в различных участках цепи.

При двухполупериодном выпрямлении (рис. 2.11, a) ток проходит через рамку измерительного механизма в течение обоих полупериодов: в положительный полупериод по пути VD1—А — VD4, в отрицательный—по пути VD2 — А — VDЗ. Двухполупериодная схема обеспечивает в 2 раза большее значение тока в рамке I _и, что повышает чувствительность выпрямительного прибора. Однако напряжение в этом случае делится между двумя диодами, что препятствует измерению малых напряжений из-за падения коэффициента выпрямления диодов. Кроме того, большое количество диодов приводит к необходимости их тщательного подбора и росту температурных погрешностей. Схема на рис. 2.11, б, в которой вместо двух диодов включены резисторы R1 и R2, несколько уменьшает влияние температуры и ослабляет требования к идентичности диодов. Однако она обладает меньшей чувствительностью и повышенным по сравнению с предыдущей схемой потреблением энергии.

Уравнение преобразования выпрямительного прибора можно получить исходя из следующих соображений. Вследствие инерционности подвижной части магнитоэлектрического измерительного механизма при частотах много больших собственной частоты механизма положение указателя зависит не от мгновенного значения вращающего момента М _вр (t), а от его среднего значения за период М _{вр, ср}, который, в свою очередь, пропорционален среднему значению тока, протекающего через рамку I _ср

(2.37)

где В, w и S —магнитная индукция, число витков и площадь рамки соответственно.

Следовательно, уравнение преобразования имеет вид

(2.38)

где S_I —чувствительность магнитоэлектрического механизма к току [см. уравнение (2.10)].

На практике обычно важно знать не среднее, а действующее значение тока, поэтому выпрямительные приборы градуируют, как правило, в действующих значениях. При этом используют соотношение

(2.39)

связывающее среднее значение тока I _срс его действующим значением I. При такой градуировке уравнение преобразования приобретает вид

(2.40)

Чаще всего измеряются токи синусоидальной формы, поэтому шкала обычно градуируется в действующих значениях для синусоидальной формы кривой. Если выпрямление однополупериодное, то k _ф = k _ф1 =p /? 2= 2,22, если двухполупериодное, то k _ф = k _{ф 2} =p /2? 2= 1,11.

Когда форма кривой тока отличается от синусоидальной, то использование для измерений выпрямительного прибора, проградуированного в действующих значениях синусоидального тока, приведет к систематической погрешности.

Выпрямительные приборы используются в качестве амперметров и вольтметров.

Для расширения пределов измерения в выпрямительных амперметрах используются шунты Р S (рис. 2.12), а в вольтметрах добавочные резисторы (рис. 2.13, а) и делители напряжения (рис. 2.13, б). Делители напряжения для выпрямительных вольтметров обычно выполняются на резисторах. Коэффициент деления, равный отношению выходного и входного напряжений, определяется выражением U ₂/ U ₁ =R1 /(R1 + R2), которое справедливо, если сопротивление резисторов R2 много больше входного сопротивления выпрямительного приборе, подключенного к делителю.

К достоинствам выпрямительных приборов относятся высокая чувствительность, компактность, большой частотный диапазон; к недостаткам—малая точность (класс точности 1,5; 2,5; 4,0), зависимость показаний от формы кривой тока, существенное влияние температуры.

Выпрямительные приборы применяются для измерений тока, напряжения, сопротивления и других параметров в целях промышленной и повышенной (до десятков и сотен килогерц) частот. Они часто выполняются ввиде многопредельных комбинированных приборов, удобных в лабораторной практике.

Термоэлектрические приборы. Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя, преобразующего измеряемый переменный ток высокой частоты в постоянное напряжение, и магнитоэлектрического измерительного механизма, проградуированного в значениях измеряемого тока (рис. 2.14),

Термопреобразователь включает в себя нагреватель 1, по которому проходит, выделяя тепло, измеряемый ток I и термопару 2 находящуюся в тепловом контакте с нагревателем. Постоянное напряжение, вырабатываемое термопарой, воздействует на магнитоэлектрический микроамперметр.

Различают контактные (рис. 2.14, а) и бесконтактные (рис. 2.14, б) термопреобразователи. В первом случае термопара имеет электрический контакт с нагревателем (ее спай приварен непосредственно к нагревателю), а во втором имеется только тепловой контакт нагревателя и термопары через изолирующий материал, обладающий хорошей теплопроводностью (стекло, керамика). Контактные термопреобразователи менее инерционны, чем бесконтактные, но они допускают большую утечку токов высокой частоты и применяются на частотах не выше 5—10МГц. Бесконтактные термопреобразователи не имеют этого недостатка и могут использоваться вплоть до частот, равных сотням мегагерц. Кроме того, отсутствие гальванической связи дает возможность повысить чувствительность термопреобразователя благодаря применению батарей из нескольких последовательно включенных термопар (рис. 2.15).

Преобразователи, предназначенные для измерения малых токов (от 1 до 100мА), заключают в вакуумированный корпус: вакуум уменьшает отвод тепла от нагревателя.

Для вывода уравнения преобразования следует найти зависимость отклонения подвижной части измерительного механизма от измеряемого тока высокой частоты, т.е. зависимость a =f(I). Однако непосредственно на микроамперметр воздействует постоянный ток I _т, от ЭДС термопары Е:

(2.41)

(2.42)

где S_I —чувствительность к току микроамперметра; R _и—сопротивление его рамки.

В свою очередь ЭДС термопары пропорциональна разности температур горячего спая термопары и ее холодных концов D Т (равной также разности температур нагревателя и окружающей среды):

(2.43)

Задача, таким образом, сводится к определению зависимости D Т (I).

Ее можно определить из условия теплового баланса нагревателя при равновесии: количество тепла, выделяемого током высокой частоты при прохождении через нагреватель, должно быть равно количеству тепла, рассеянного им вследствие теплоотдачи в окружающую среду, т.е.

(2.44)

где R _н—сопротивление нагревателя; t— время; k _т—коэффициент теплоотдачи.

Из (2.44) следует, что

(2.45)

Из уравнений (2.41)—(2.43) и (2.45) можно составить уравнение преобразования

(2.46)

где m— постоянный коэффициент.

Таким образом, уравнение преобразования термоэлектрического прибора является квадратичным.

Погрешности термоэлектрических приборов связаны с влиянием температуры внешней среды на сопротивление нагревателя и на характеристики микроамперметра. Погрешности также зависят от частоты измеряемого тока из-за наличия поверхностных эффектов и паразитных параметров цепей преобразователя.

Достоинством термоэлектрических приборов является малая зависимость их показаний от формы кривой и частоты. К недостаткам относятся невысокие чувствительность и точность (класс точности 1,0—4,0), очень малая перегрузочная способность, квадратичный характер шкалы, значительное потребление энергии.

Термоэлектрические приборы используются в качестве амперметров и вольтметров для измерения тока и напряжения на высоких частотах (до сотен мегагерц). Применять их на низких частотах нецелесообразно, так как в этой области они могут быть заменены надежными приборами других систем.

Расширение пределов измерения термоэлектрических приборов может осуществляться при помощи высокочастотных трансформаторов тока (для амперметров) и безреактивных добавочных резисторов (для вольтметров).