Глава 8. Измерение тока и напряжения

Измерения тока и напряжения являются основными при исследовании различных устройств и при контроле их работы. Однако в радиотехнике преобладающее значение имеет измерение напряжения, а к измерению токов прибегают в довольно редких случаях, главным образом при контроле источников питания. Это обусловлено тем, что для описания работы различных радиотехнических устройств используют преимущественно напряжения, а не токи и экспериментально приходится измерять эти напряжения. Иногда сопротивление цепи, в которой производится измерение, бывает известно. В этих случаях достаточно измерить лишь одну величину: напряжение или ток, а другую можно рассчитать по закону Ома. Выбор измеряемой величины определяется удобством самих измерений. Как правило, измеряют напряжение, а не ток, поскольку вольтметр подключают параллельно исследуемой цепи, и не приходится нарушать схему соединений. При измерении тока пришлось бы размыкать цепь и в ее разрыв вводить амперметр. Это не всегда удобно, а в некоторых случаях невозможно из-за искажения процессов, происходящих в устройстве. Особенно большие трудности при измерении тока возникают в высокочастотных устройствах, когда сильно сказывается влияние паразитных параметров амперметра.

Измеряемые переменные напряжения и ток оцениваются следующими параметрами: амплитудой, средним, средневыпрямленным и эффективным значениями. Амплитуда Um измеряемого напряжения определяется как его наибольшее значение за период Т (рис. 9.1, а). Для несимметричного относительно нуля напряжения вводят понятия пиковых отклонений вверх U_m+ и вниз U_m- (рис. 9.1, б), Среднее значение

(9.1)

Средневыпрямленное значение U_CB (рис. 9.1, в) определяется как постоянная составляющая напряжения Ux после его двухполупериодного выпрямления:

(9.2)

Действующее или эффективное значение U_ЭФ оценивается по среднеквадратичному значению измеряемого напряжения;

(9.3)

Квадрат эффективного значения численно равен средней мощности, рассеиваемой на сопротивлении 1 Ом.

Каждому закону изменения напряжения соответствуют определенные количественные соотношения между Um, U_CB, U_ЭФ. Соотношения оценивают коэффициентами амплитуды k_a= Um/ U_ЭФ и формы k_ф=U_ЭФ/ U_CB Так, для гармонического напряжения k_a=1,41, k_ф=1,11, меандр без постоянной составляющей характеризуется k_a=k_ф=1. Если известны коэффициенты k_a и k_ф измеряемого напряжения, то по одному из параметров Um, U_CB или U_ЭФможно определить два других.

В соответствии с измеряемым параметром различают вольтметры и амперметры амплитудного значения (пиковые), среднего, средневыпрямленного и эффективного значений.

Постоянный ток и среднее значение переменного тока измеряют магнитоэлектрическими приборами которые можно также использовать для измерения амплитуды тока в диапазоне инфранизких частот. Если постоянная времени подвижной системы много меньше периода измеряемого тока, то положение подвижной системы определяется мгновенным значением тока и. его амплитуда измеряется по максимальному отклонению стрелки.

Средневыпрямленное значение тока измеряют амперметрами выпрямительной системы. Они представляют собой сочетание преобразователя средневыпрямленного значения на основе диодного выпрямителя и магнитоэлектрического прибора. Амперметры средневыпрямленного значения применяют в звуковом диапазоне частот.

Для измерения эффективного значения тока предназначены амперметры термоэлектрической системы, состоящие из термопары, подогреваемой измеряемым током. Значение термо-ЭДС обычно измеряют магнитоэлектрическим прибором. Амперметры термоэлектрической системы сохраняют свою работоспособность в широком диапазоне частот — до сотен мегагерц.

Простейшие вольтметры постоянного напряжения и вольтметры средневыпрямленного значения строят аналогично соответствующим измерителям тока, но последовательно с прибором включают добавочный резистор. Входное сопротивление таких вольтметров оказывается недостаточно большим для измерений в высокоомных цепях.

Существенно большим входным сопротивлением, достигающим 10 МОм. обладают электронные вольтметры, которые применяют в диапазоне частот до 1...3 ГГц. Важным достоинством этих приборов является их способность выдерживать большие перегрузки. Подавляющее большинство измерений в радиотехнических цепях производится с помощью электронных вольтметров.

Для расширения пределов измерения вольтметров и амперметров часто применяют добавочные сопротивления и шунты, реже (при измерении больших токов и напряжений, как правило в энергетике) измерительные трансформаторы.

8.1 Амперметры средневыпрямленного и действующего значений

Амперметры средневыпрямленного значения реализуют по нескольким схемам, отличающимся способом построения выпрямителя. В схеме, показанной на рис. 9.2, а, через цепь, состоящую из магнитоэлектрического прибора с сопротивлением рамки R_p и диода Д, протекают положительные полуволны тока i_X. Отрицательные полуволны замыкаются через диод Д₂ и резистор R. Показание прибора пропорционально среднему значению положительных полуволн тока i_X т.е, половине средневыпрямленного значения.

Сопротивление резистора R выбирают равным сопротивлению рамки магнитоэлектрического прибора, поэтому относительно внешней цепи прибор линеен и его сопротивление равно R + Р_Д, где Р_Д — сопротивление диодов в прямом направлении.

В приборе, построенном по схеме на рис. 9.2, б, преобразователь средневыпрямленного значения выполнен по мостовой схеме. Как положительный, так и отрицательный полупериоды тока протекают через магнитоэлектрический прибор в одном направлении, поэтому его показание равно средневыпрямленному значению измеряемого тока.

Нижняя граница частотного диапазона амперметров средневыпрямленного значения обусловлена инерционностью подвижной части магнитоэлектрического прибора. Если период тока окажется соизмеримым с постоянной времени подвижной части, то стрелка начнет колебаться с частотой изменения тока и отсчет средневыпрямленного значения станет затруднительным. Для магнитоэлектрических приборов разной конструкции это явление наступает на частотах, меньших 10...30 Гц. На частотах, превышающих 10...30 кГц, на цепь, в которой производится измерение, сильно влияют паразитные параметры: индуктивность рамки и соединительных проводов, а также емкость прибора. В рабочем диапазоне частот погрешность промышленных образцов амперметров средневыпрямленного значения составляет 1,5...3%.

Амперметры эффективного значения строятся на основе термоэлектрических преобразователей. Преобразователь представляет собой сочетание термопары и подогревателя 1, по которому протекает ток i_x (рис. 9.3). Термопара образована двумя термоэлектродами 2 и 3 из разнородных металлов. Подогреватель соединен с рабочим (горячим) спаем 4 термопар. К нерабочим (холодным) спаям 5 и 6 подключен магнитоэлектрический прибор.

Из-за тепловой инерции подогревателя можно считать, что его температура в установившемся режиме практически не меняется при измерении мгновенной мощности. Тогда тепловое состояние подогревателя, а следовательно, и рабочего спая термопары можно описать уравнением:

(9.4)

где T₁ и Т₂ — температура горячего и холодного спаев термопары;

Н — коэффициент теплоотдачи, который не зависит от температуры, если перенос тепла от горячего спая во внешнюю среду происходит за счет теплопроводности термоэлектродов и нагревателя. Если же в тепловом равновесии существенную роль играет излучение, то появляется зависимость Н от температуры.

Температура нерабочего (холодного) спая Т поддерживается постоянной за время измерений, и разность T₁-Т₂ является функцией средней мощности, рассеваемой на подогревателе, или квадрата эффективного значения тока.

Между холодными спаями термопары возникает термо-э.д.с., значение которой является функцией разности температур: Е_T = f (T₁-Т₂). Для малых разностей температур эту функцию можно считать линейной и приближенно можно принять:

(9.5)

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции термопары и материала термоэлектродов.

Поделив (9.5) на (9.4) и тем самым исключив разность температур, получим:

(9.6)

где: k_T= kR_H/H

Шкалу прибора, измеряющего Е_T градуируют в эффективных значениях тока.

Показанный на рис. 9.3 термопреобразователь с гальваническим контактом между подогревателем и термопарой применяется только на низких частотах, поскольку цепь измерителя Е_T связана с цепью измеряемого тока. Более распространены бесконтактные термопреобразователи, в которых отсутствует гальваническая связь, а тепловой контакт между подогревателем и термопарой осуществляется с помощью керамического или стеклянного шарика. При этом электрическая связь между подогревателем и термопарой будет определяться емкостью и взаимной индуктивностью между ними.

Для уменьшения индуктивной связи подогреватель и термоэлектроды выполняют прямолинейными и располагают крестообразно. Термопреобразователи часто помещают в вакуумный баллон, тем самым уменьшая теплоотдачу от нагревателя, а следовательно, повышая чувствительность. В вакуумных термопреобразователях термоэлектроды и подогреватель защищены от воздействия внешней среды, поэтому такие термопреобразователи наиболее стабильны и долговечны.

В зависимости от конструкции подогревателя существуют термопреобразователи на различные токи. Так, промышленностью выпускаются термопреобразователи ТВБ девяти типов на максимальные токи от 1 до 500 мА. Максимальное значение тока подогрева соответствует термо- э. д. с. от 2,5 до 12 мВ для термопреобразователей этих типов. Вакуумные термопреобразователи ТВБ предназначены для работы в широком диапазоне частот до 200 МГц. Время установления показаний при включении тока подогрева, характеризующее тепловую инерционность преобразователей, составляет около 4 с.

Для повышения чувствительности термопреобразователей термопары соединяют последовательно, а нагреватель является общим для всех термопар. Такие преобразователи, называемые термобатареями, могут содержать десятки термопар и более.

Погрешность измерения эффективного значения тока обусловлена несколькими основными причинами. При длительной работе термопреобразователя происходит постепенное нагревание нерабочих спаев, что приводит к уменьшению термо-э.д.с. Этот эффект можно уменьшить, соединив нерабочие спаи с массивными медными пластинами, обладающими хорошей теплоемкостью и хорошо охлаждаемыми.

С ростом рабочей частоты начинает проявляться погрешность, обусловленная емкостью прибора относительно земли и собственной индуктивностью подогревателя и соединительных проводов, Кроме того, из-за поверхностного эффекта в подогревателе на высоких частотах его сопротивление оказывается больше, чем на постоянном токе, и возрастает мощность рассеиваемая в подогревателе,

Термопреобразоаатели подвержены старению из-за изменений электрических свойств термопары, особенно сильно изменяются ее свойства в результате перегрузок. Превышение максимального тока в 2...3 раза может вывести термопреобразователь из строя. Погрешность амперметров с термопреобразователями составляет от 1% и более.

8.2 Структурные схемы электронных вольтметров

Электронные вольтметры делятся на аналоговые (стрелочные) и цифровые. Как правило, цифровые вольтметры имеют повышенную точность по сравнению с аналоговыми.

Большая часть вольтметров состоит из входного устройства, усилителя, преобразователя переменного напряжения в постоянное и измерителя постоянного напряжения (рис. 9.4). Ко входу вольтметра может подводиться образцовое напряжение с калибратора. В вольтметрах постоянного напряжения преобразователь отсутствует. Измеряемое напряжение подводят к входному устройству с большим входным сопротивлением, включающему в себя ступенчатый аттенюатор для переключения пределов измерений. Иногда входное устройство цифровых вольтметров постоянного напряжения позволяет автоматически выбирать полярность при включении прибора в цепь с произвольной полярностью.

Значительная часть цифровых вольтметров имеет автоматический выбор пределов измерений. Простейший способ заключается в том, что перед измерением устанавливается наиболее чувствительная шкала. Если входное напряжение превышает установленный предел, то вольтметр перегружается и автоматически переходит на менее чувствительную шкалу. Процесс переключения шкал повторяется до тех пор, пока перегрузка не прекратится.

В более совершенных устройствах после включения прибора сначала происходит грубое измерение входного напряжения, а затем сразу включается нужный предел. Применение устройств автоматического выбора пределов измерений обычно приводит к увеличению общего времени измерения от 1,2 до 3 раз. Часто предусматривается возможность отключения устройства автоматического выбора с переходом на ручное переключение пределов.

Для нормальной работы почти всех преобразователей необходимо входное напряжение не менее долей вольта, поэтому в высокочувствительные измерители напряжения вводят усилители, часто широкополосные с полосой пропускания от единиц герц до десятков мегагерц, обеспечивающие чувствительность прибора порядка милливольт. Более высокая чувствительность (до 1 мкВ) достигается в том случае, если функции усилителя выполняет высокочувствительный супергетеродинный приемник, настраиваемый на частоту измеряемого напряжения, В измерителях постоянного напряжения используют усилители постоянного тока (УПТ), наибольшей чувствительности достигают, применяя УПТ с конвертированием.

Преобразователь является важнейшим элементом вольтметра в значительной мере определяющим метрологические характеристики прибора. Выходное напряжение преобразователя может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или эффективному значениям входного напряжения. Характер этой зависимости определяет, какое входное напряжение (амплитудное, средневыпрямленное или эффективное) измеряет вольтметр. Простейшими типами преобразователей являются детекторы, особенно широко распространены пиковые диодные детекторы. Существуют и более сложные типы преобразователей, необходимые, например, для измерения амплитуды одиночных импульсов.

Выходное напряжение преобразователя поступает на измеритель постоянного напряжения. В аналоговых вольтметрах отсчет измеряемого напряжения производится по шкале магнитоэлектрического прибора. Сопротивление рамки магнитоэлектрических приборов обычно составляет сотни ом, поэтому такой прибор можно подключить непосредственно только к преобразователю с низким выходным сопротивлением. Так, магнитоэлектрические приборы часто подключают к выходу преобразователей средневыпрямленного и эффективного значений. В пиковых вольтметрах с диодными детекторами выходное сопротивление преобразователя оказывается большим, и прибор включается к выходу балансного УПТ. Основная погрешность аналоговых вольтметров составляет 1...3%.

Цифровые вольтметры постоянного напряжения строят как по структурной схеме прямого действия, так и по схеме уравновешивания (сравнения измеряемого напряжения с образцовым). В первом случае измеряемое напряжение преобразуют в другую величину, например в частоту или временной интервал, а эти величины измеряют цифровыми приборами.

Во втором случае автоматически сравнивают измеряемое напряжение с дискретно изменяющимся высокостабильным образцовым напряжением. Характерной особенностью приборов уравновешивающего преобразования является обратная связь с выхода прибора на вход. Уравновешивающее преобразование можно осуществить последовательно во времени или сочетать последовательное и одновременное преобразование. В соответствии с этим различают приборы последовательного и параллельно-последовательного преобразования. Реализация параллельно-последовательного преобразования связана со значительным усложнением аппаратуры, поэтому в основу подавляющего большинства вольтметров положено последовательное во времени преобразование.

Цифровые вольтметры прямого преобразования характеризуются основной погрешностью от 0,1 до 1%. Погрешность вольтметров уравновешивающего преобразования может достигать 0,01...0,05% измеряемой величины.