Приборы электроизмерительных систем непосредственной оценки

Лекция 7. Измерение напряжения постоянного тока

Приборы непосредственной оценки. При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении на­пряжения на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивление R_ИСТ, вольтметр включают параллельно нагрузке (рис. 2.9). Если внутреннее сопротивление вольтметра равно R_v, то относительная погрешность измерения напряжения:

, (7.1)

где u — действительное значение напряжения на нагрузке R до включения вольтметра; u_x — измеренное значение напряжения на нагрузке R.

Так как отношение R/R_v обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра P_v к мощности цепи Р, то

. (7.2)

Таким образом, погрешность тем меньше, чем меньше РV и RИСТ.

Измерение напряжений в цепях постоянного тока может быть выполнено любыми измерителями напряжений постоянною тока (магнитоэлектрическими, электродинамическими, электромагнитными, электростатическими, аналоговыми и цифровыми вольтметрами). Выбор вольтметра обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от долей микровольт до десятков киловольт.

Рис. 7.1. Эквивалентная схема вольтметра магнитоэлектрической системы (а) и схема включения его в цепь измерения напряжения (б)

Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления могут быть обеспечены приборами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. При измерении напряжения с более высокой точностью следует использовать приборы, основанные на методах сравнения. При любом методе измерения могут быть использованы аналоговый и цифровой отсчеты.

Приборы электроизмерительных систем непосредственной оценки

Магнитоэлектрические приборы. В радиоизмерительной технике магнитоэлектрические приборы применяются при измерении постоянных токов и напряжений, при проверке режимов радиосхем и используются при измерении переменных токов и напряжений в выпрямительных и термоэлектрических приборах и электронных вольтметрах. Кроме того, магнитоэлектрические приборы находят применение в качестве индикаторов во многих типах радиоизмерительных приборов для измерения мощности, частоты, коэффициента модуляции и ряда других величин. При этом шкала магнитоэлектрического прибора градуируется непосредственно в единицах измеряемой величины.

Измерительная цепь магнитоэлектрического вольтметра представляет собой рамку с сопротивлением R_п измерительного механизма И и включенного последовательно с ним добавочного резистора R_д (рис. 7.1, а). В измерительной цепи вольтметра происходит преобразование измеряемого напряжения в ток, необходимый для отклонения подвижной части механизма. Предел измерения вольтметра зависит от тока полного отклонения I подвижной части и внутреннего сопротивления R_пр вольтметра (суммы сопротивлений R_п рамки прибора и добавочного резистора R_д, помещенного внутри прибора): u=IR=I(R_п + R_д). Следовательно, Rд = u/I — R_п.

Ток полного отклонения магнитоэлектрических вольтметров составляет 0,5 — 30 мА. Изменение предела измерения до величины их производится подключением добавочного резистора R_д1, сопротивление которого при заданном токе рамки I равно R_д1 =R(u₁/u - l).

Набор добавочных резисторов к метру позволяет создавать многопредельные вольтметры. Добавочные резисторы о изготовляются из манганина и делятся на внутренние до 600 В и наружные до 1500В. Наружные добавочные резисторы быть индивидуальными (к конкретном прибору) и взаимозаменяемыми (к любым приборам, номинальные токи которых равны номинальному току добавочного резистора). Изготовляются добавочные резисторы на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА. Калиброванные добавочные резисторы делятся на классы 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5;1.

Вольтметры магнитоэлектрической системы имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но низкое входное сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от нескольких микровольт до сотен киловольт.

Электростатические приборы. При действия измерительных механизмов электростатической системы основан на взаимодействии двух систем электрически заряженных тел, одна из которых механически подвижна. Независимо от конструкции измерителя электростатической системы имеют уравнение шкалы вида , где k - коэффициент, определяемый конструкцией измерителя; u_i — мгновенное значение напряжения, поданного на механизм.

Приборы электростатической системы могут применяться для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного (до нескольких мегагерц) токов. Особенностью приборов является то, что они могут непосредственно (без добавочных делителей напряжения или измерительных трансформаторов) измерять высокое напряжение. Если осуществляется измерение переменного напряжения с частотой выше нескольких герц, то подвижная часть электростатического механизма из-за большой массы не успевает следовать за мгновенным значением напряжения, происходит усреднение вращающего момента системы и измеритель имеет уравнение шкалы вида , где u — среднеквадратическое значение напряжения.

Таким образом, при измерении переменного напряжения показания электростатического вольтметра соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

К достоинствам электростатических вольтметров следует отнести незначительное потребление энергии, независимость показаний от температуры окружающего воздуха, от внешних магнитных полей. К недостаткам относятся малая чувствительность, неравномерность шкалы, опасность электрического пробоя между пластинами.

Промышленность выпускает электростатические вольтметры классов точности 0,5; 1; 1,5 на напряжение от 10 В до 300 кВ с диапазоном частот от 20 Гц до 10 МГц, входной емкостью от 4 до 65 пФ и входным сопротивлением 10¹⁰ - 10¹² Ом.

В последнее время электростатические приборы применяют совместно с электронными усилителями, что значительно расширяет область применения электростатических приборов; например, созданы вы­сокочувствительные миллиамперметры и вольтметры переменного тока.