III. Измерение тока в цепях повышенной и высокой частоты

С увеличением частоты точность измерения переменного тока электромагнитными и электродинамическими амперметрами в обычном исполнении падает. Приборы специального изготовления имеют расширенный диапазон частот (до 10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях.

Рисунок 7.

В маломощных цепях повышенной и высокой частот ток измеряется выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми амперметрами, аналоговыми и цифровыми вольтметре на резисторе с известным сопротивлением. Амперметр должен обладать минимальными значениями входных сопротивлений, индуктивностей и емкостей. С увеличением частоты в цепи измерения тока влияние емкостей возрастает, поэтому для уменьшения погрешностей от токов утечки амперметр следует включать на участке с потенциалами, наиболее близкими к потенциалу земли (рис.100, где С_1п и С_2п – емкости зажимов 1 и 2 амперметра относительно земли). Это особенно важно при измерениях на высокой частоте. При правильном включении амперметра паразитная емкость С_1п находится под напряжением, равным падению напряжения на амперметре, но поскольку это значение мало, то и токи утечки будут незначительны, при этом емкость С_2п закорочена. При неправильном включении амперметра паразитные емкости С_1п и С_2п находятся по полным напряжением U, поэтому даже при малых значениях С_1п и С_2п токи утечки будут значительны.

Измерение токов в цепях высокой частоты выполняется в основном термоэлектрическими амперметрами.

Термоамперметры – сочетание термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан и т.д.), выделяется тепло, под действием которого нагревается горячий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС.

Термо-ЭДС зависит от материала проводников термопары и пропорциональна разности температур горячего и холодного концов, т.е. пропорциональна температуре перегрева θ: Е_Т=kθ.

В среднем Е_Т равно 30-40 мкВ на 1ºС перегрева. Вследствие инерции нагревателя температура перегрева не успевает следовать за изменениями подводимого тепла и определяется его средним значением:

(5)

Если холодные концы термопары замкнуть на измерительный магнитоэлектрический механизм, то по замкнутой цепи измерителя потечет ток I_И=E_T/R_И=(k₁I²)/R_И=k₂I², (6)

Где I – среднеквадратичное значение тока; R_И – сопротивление цепи измерителя, включая термопару; k₁,k₂ - коэффициенты пропорциональности, зависящие соответственно от свойств термопары и данных измерительного механизма.

Так как в (6) значение измеряемого тока входит в квадрате, то прибор пригоден для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в среднеквадратичных значениях тока.

а). б).

Рисунок 8.

По способу нагрева горячего спая термопары термопреобразователи делят на контактные и бесконтактные. В контактных преобразователях (рис. 8, а) горячий спай термопары приварен непосредственно к нагревателю, при этом существует гальваническая связь между измеряемой и измерительной цепями. В бесконтактных преобразователях (рис. 8, б) горячий спай термопары отделен от нагревателя изоляцией (каплей стекла), что ухудшает условия теплопередачи, увеличивает тепловую инерцию, уменьшает чувствительность, но позволяет последовательно соединить несколько термопар, уменьшать влияние паразитных емкостей (между измеряемой и измерительной цепями).

Данный тип приборов позволяет проводить измерения переменного тока в диапазоне частот 50 Гц – 200 МГц и диапазоне токов от 100 мкА до десятков ампер. Кроме того, термоамперметры позволяют измерять постоянный и несинусоидальный токи (в последнем случае показания будут приближенно соответствовать среднеквадратичному значению тока, т.е. ).

К достоинствам термоамперметров относят то, что их показания не зависят от частоты и формы переменного тока, к недостаткам - малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не более, чем на 50 %), значительную мощность потребления (на 5 А примерно 1 Вт), ограниченный срок службы, невысокую точность (с изменением температуры изменяется сопротивление нагревателя, с ростом частоты – паразитные параметры).