Комбинированные аналоговые измерительные приборы

Комбинированный аналоговый измерительный прибор - ампервольтомметр (авометр) является универсальным многопредельным прибором, с помощью которого возможны приближенные измерения токов, напряжений в цепях постоянного и переменного тока частотой от 20 Гц до 20 кГц, и выше, сопротивлений постоянному току и емкости. В универсальном измерительном приборе используют магнитоэлектрический измерительный механизм (микроамперметр), например с током полного отклонения подвижной части 50 мкА и падением напряжения 75 мВ, который может при помощи переключающего устройства соединяться с различными измерительными цепями.

При измерении постоянного тока параллельно микроамперметру включаются многоступенчатые шунты, а при измерении постоянного напряжения последовательно с микроамперметром - добавочные резисторы. Таким образом, в режиме измерения постоянного тока и напряжения авометр работает как многопредельный магнитоэлектрический амперметр и вольтметр (см.пар-ф 2.2 ).

При измерении переменных токов и напряжений звуковых частот используют многопредельные выпрямительные амперметры и вольтметры, представляющие собой сочетание шунтов или добавочных резисторов, полупроводниковых одно- или двухполупериодных выпрямителей и магнитоэлектрического микроамперметра. Показания выпрямительных приборов соответствуют средневыпрямленному значению измеряемого напряжения или тока, т. е. магнитоэлектрический измеритель усредняет значение предварительно выпрямленного тока.

На рис 2.9, а,б представлены схема однополупериодного выпрямления и временные диаграммы изменения выпрямленного тока. В цепи однополупериодного выпрямления ток через микроамперметр, включенный последовательно с диодом , протекает только в положительный полупериод напряжения . В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода  очень велико, ток протекает через диод Д₂, защищая тем самым диод  от пробоя. Сопротивление , включенное в цепь встречного диода и равное сопротивлению микроамперметра  делает входное сопротивление цепи в обоих направлениях одинаковым. Подвижная часть магнитоэлектрического микроамперметра из-за своей инерционности при частотах от 20 Гц и выше не успевает следовать за мгновенными значениями вращающего момента, поэтому реагирует на среднее значение момента:

          (2.18)

где  - мгновенное значение момента; - среднее значение тока , протекающего через микроамперметр.

Из равенства следует, что

                                 (2.19)

где - чувствительность прибора к току.

В случае однополупериодного выпрямления (рис. 2.9, б)

                        (2.20)

Рисунок 2.9 – Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы изменения выпрямленного тока (б)

Рисунок 2.10 – Схемы двухполупериодного выпрямления

К достоинствам выпрямительных приборов относят: высокую чувствительность по току и напряжению; малую собственную мощность потребления; малые габариты; широкий частотный диапазон; к недостаткам - зависимость прямого и обратного сопротивления диода от температуры, нелинейность шкалы (сжата в начале при малых напряжениях до 0,4 В); невысокую точность (классы точности 1,5; 2,5 и_4); зависимость показаний ох формы кривой, исследуемого сигнала. Если измеряемое напряжение или ток отличны от синусоиды, то к показаниям прибора необходимо, внести, поправки.

Расширение пределов измерения и возможность использования на различных пределах измерения переменного тока общей шкалы обеспечиваются с помощью универсального шунта (рис. 2.11). Расчет шунта в многопредельных амперметрах, работающих в области звуковых частот, выполняется теми же способами, что и в многопредельных магнитоэлектрических амперметрах, только вместо сопротивления измерительного механизма необходимо учитывать и входное сопротивление измерительного выпрямителя, предельные значения измеряемого тока и падения напряжения на выпрямителе с учетом влияния элементов температурной и частотной компенсации. Для уменьшения температурной погрешности, вызванной изменением прямого и обратного сопротивлений диодов (обладающих отрицательным температурным коэффициентом), параллельно универсальному шунту включают дополнительный шунт, составленный из двух резисторов: один - из медной проволоки с положительным температурным коэффициентом, а второй - из манганиновой проволоки с высокостабильным сопротивлением. При повышении температуры сопротивление шунта увеличивается; это приводит к возрастанию выпрямленного тока, компенсирующего в некотором интервале температур понижение коэффициента выпрямления . Для снижения частотной погрешности резисторы дополнительного шунта изготовляются в виде катушек. С увеличением частоты возрастает межэлектродная емкостная проводимость, уменьшается выпрямляющее действие диода, и показания прибора падают. При этом индуктивное сопротивление дополнительного шунта возрастает, что увеличивает долю тока, протекающего через измерительный выпрямитель, показания прибора возрастают и тем самым компенсируют влияние увеличения межэлектродной емкостной проводимости.

Рисунок 2.11 – Схема двухпредельного выпрямительного миллиамперметра с универсальным шунтом

В авометрах в режиме измерения синусоидальных токов диапазон измерения токов лежит в пределах от 0,2 мА до нескольких десятковампершкала в большей части линейна. Падение напряжения в амперметрах колеблется от 0,5 до 1 В.

Для измерения переменного напряжения используют многопредельные выпрямительные вольтметры. Расширение пределов измерения осуществляется переключаемыми добавочными резисторами, включенными в цепь переменного тока перед измерительным выпрямителем. Значение входного сопротивления вольтметра в основном определяется значением  (так как ); оно составляет 1,5-2 кОм/В и зависит от предела измерения напряжения.

Для измерения малых напряжений предпочтительны вольтметры с однополупериудным выпрямлением, для измерения больших напряжений – вольтметры с двухполупериодным выпрямлением. Для уменьшения частотной погрешности, безындукционные добавочные резисторы и параллельно им включают конденсатор. В вольтметрах с однополупериодным выпрямлением при градуировке шкалы в среднеквадратичных значениях измеряемого напряжения U учитывается коэффициент 2,22, т. е. , а в вольтметрах с двухполупериодным выпрямлением - коэффициент 1,11 т.е. При измерении несинусоидальных напряжений к показаниям вольтметров вносятся поправки. Схемы измерения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, используемые в авометрах, будут рассмотрены в гл. 9.

2.4 Электродинамические измерительные приборы

Рисунок 2.12 – Устройство электродинамического измерительного механизма

Измерительные механизмы. Эти механизмы (рис. 2.12) работают на принципе взаимодействия магнитных потоков двух катушек, по которым протекают токи. Измерительные механизмы состоят из пары неподвижных кат ушек 1 (круглой или прямоугольной формы), соединенных последовательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка) 2. Для подвода тока в подвижною катушку и создания противодействующего момента применяют спиральные пружинки.

Чтобы получить вращающий момент М,используют электромагнитную энергию системы из двух катушек, по которым протекают постоянные токи  и , т. е. где - индуктивности катушек; - их взаимная индуктивность. Если потоки подвижной и неподвижных катушек совпадают, то взаимная индуктивность катушек  положительна, если же потоки направлены в разные стороны - то отрицательна. При повороте подвижной катушки на угол α изменяется взаимная индуктивность , зависящая от формы и взаимного расположения катушек, а индуктивности и  остаются постоянными. Вращающий момент

            (2.25)

При некоторых определенных соотношениях размеров подвижной и неподвижных катушек можно получить в пределах рабочей части шкалы.

Под действием вращающего момента подвижная катушка стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпадало бы с направлением магнитного поля неподвижных катушек. При этом она будет поворачиваться до тех пор, шока вращающий и противодействующий моменты не сравняются, т. е. . Следовательно, угол отклонения подвижной части механизма

                                             (2.26)

При включении электродинамического механизма в цепь переменного тока мгновенное значение вращающего момента

                                                   (2.27)

где ; - мгновенные значения токов в катушках (-начальные углы сдвига фаз).

Среднее значение вращающего момента за период, на который реагирует подвижная часть механизма,

                                    (2.28)

Амперметры и вольтметры. Если неподвижные и подвижные катушки соединить последовательно и по ним пропустить один и тот же ток
 , то угол отклонения подвижной части механизма

           (2.30)

где k - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, отклонение подвижной части прибора пропорционально квадрату тока (напряжения). При изменении направления токов в обеих катушках отклонение подвижной части прибора останется прежним. Так как токи  и совпадают по фазе, то прибор может иметь одну шкалу для постоянных и переменных токов (например, для амперметров на малые токи до 0,1 А и вольтметров).

При токах выше 0,1 А катушки соединяются параллельно.

Электродинамические амперметры применяют для измерения токов 0,1-10 А. Использование их для измерения токов миллиамперного диапазона в маломощных цепях ограничивается большой мощностью потребления и малой чувствительностью. Изменение пределов измерения достигается секционированием неподвижных катушек, а также комбинацией последовательно-параллельного соединения секций неподвижных катушек с подвижной катушкой.

В электродинамических вольтметрах неподвижная и подвижная катушки соединяются последовательно с добавочным резистором и по ним проходит один и тот же ток.

Электродинамические вольтметры выпускаются на несколько пределов (до 300 В.) и используют их в основном для точных измерений. Внутреннее сопротивление их мало (примерно 1 кОм на пределе 30 В), мощность потребления изменяется в зависимости от предела измерения, максимум до 10 Вт, чувствительность низкая

Пределы измерения амперметров и вольтметров могут быть расширены с помощью измерительных трансформаторов токов и напряжений.