Класс устройств, которые применяются для измерения электрических величин, называются электроизмерительными приборами. Наиболее известные из них - амперметры, вольтметры и омметры.

Сфера применения

Электроизмерительный прибор является необходимым устройством в связи, энергетике, промышленности, на транспорте, в медицине и научных исследованиях. Применяется это устройство и в быту, например для учета потребленной электроэнергии.
А если применить специальные преобразователи величин неэлектрических в электрические, то диапазон применения электроизмерительных приборов становится значительно шире.

Один из существенных признаков систематизации подобных устройств - воспроизводимая или измеряемая физическая величина. Согласно ему приборы подразделяются:

На измеряющие силу электрического тока - амперметры,

Измеряющие электрическое напряжение - вольтметры,

Измеряющие электрическое сопротивление - омметры,

Измеряющие частоту колебаний электротока - частотомеры,

Измеряющие различные величины - мультиметры или авометры, тестеры,

Для воспроизведения указанных сопротивлений - магазины сопротивлений,

Измеряющие мощность электрического тока - варметры и ваттметры,

Измеряющие потребление электрической энергии - электросчетчики и пр.

Другие признаки систематизации

Существуют и другие признаки, по которым классифицируют такой вид устройств, как электроизмерительный прибор. Это может быть:

1. Назначение: меры, измерительные приборы и преобразователи, измерительные системы и установки, прочие вспомогательные устройства.

2. Система предоставления полученного результата: регистрирующие (графическое изображение на фотопленке или бумаге либо в виде компьютерного файла) или показывающие.

3. Способ измерения: приборы сравнения или непосредственной оценки.

4. Способ использования и конструктивные особенности: переносные, щитовые (закрепляются на специальной панели или щите), стационарные.

По принципу действия классификация электроизмерительных приборов выглядит следующим образом:

• электромеханические, которые, в свою очередь, подразделяются:

На электромагнитные,

Магнитоэлектрические,

Электростатические,

Индукционные,

Электродинамические,

Магнитодинамические,

Ферродинамические;

• электронные;
• электрохимические;
• термоэлектрические.

Система обозначений

За рубежом заводы-изготовители устанавливают свои обозначения на выпускаемых измерительных устройствах. В России и некоторых бывших республиках Советского Союза традиционна унифицированная система знаков. Основана она на принципе работы конкретного прибора. Основные электроизмерительные приборы в обозначении всегда имеют прописную букву русского алфавита, которая указывает на принцип действия устройства. А также число, которое обозначает условный номер модели. Иногда можно встретить прописную букву М, которая обозначает, что прибор модернизированный или К (контактный). Есть и другие, обозначения. Например, Д (электродинамические приборы), Н (самопишущие приборы), Р (меры, устройства, измеряющие параметры элементов электросетей, измерительные преобразователи), И (индукционные приборы), Л (логометры) и пр.

Показатели точности

Одна из главных характеристик прибора для электроизмерений - класс точности. Их существует несколько. А определяется он по зависимости от допустимого предела погрешности, вызванной конструктивными особенностями отдельно взятого устройства.

Точность электроизмерительных приборов не может быть равна погрешности относительной или абсолютной. Последняя не является определителем точности, а относительная имеет зависимость от значения величины, подвергшейся изменению, то есть для различных участков шкалы будет иметь разные значения.

Поэтому для характеристики точности электроприбора применяется приведенная погрешность (ɣ). Определяется она отношением погрешности абсолютной конкретного прибора (∆x) к максимуму (или пределу) измеряемой величины (x пр). Полученная величина, выраженная в процентах, и будет классом точности конкретного прибора:

- ɣ = ∆x / x пр * 100%.

Любой электроизмерительный прибор на шкале обязательно имеет указание на класс точности. Согласно ГОСТу он может быть 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0. На этом основании приборы можно классифицировать следующим образом:

- класс точности 0,05 и 0,1 - образцовые, использующиеся для поверки точных приборов (например, лабораторных);

Класс точности 0,2 и 0,5 - лабораторные, используются в лабораториях для производства измерений и поверки технических приборов;

Класс точности 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0 - технические, применяются для технических измерений.

Электроизмерительные приборы: принцип действия

Работа большей части электроизмерительных приборов основана на магнитоэлектрическом эффекте. Электроны, двигаясь по проводнику электрической цепи, образуют вокруг себя магнитное поле. В нем и перемещается стрелка измеряющего устройства, реагируя на силу окружающего поля. Чем магнитное поле слабее, тем меньше отклонение стрелки и наоборот.

Если в непосредственной близости от проводника, через который не протекает электрический ток, подвешена стрелка, то реагировать она может только на магнитное поле Земли. Но если через проводник пропустить ток, стрелка будет уже реагировать на магнитное поле электрического тока. Таким образом, механическое отклонение стрелки провоцируют электроны, двигаясь через проводник. И следовательно, чем больше электрический ток, тем сильнее образованное им поле и тем дальше от начального положения отклоняется стрелка. Этот незатейливый принцип является основополагающим для большинства электроизмерительных приборов.

Один электроизмерительный прибор отличается от другого не измерительным отклонением стрелки (приборов с цифровым индикатором это не касается), а внутренними цепями и способами создания электромагнитного поля. Как известно, для движения в электрической сети электронов необходима нагрузка. Поэтому это движение имеет некоторые различия в омметрах, вольтметрах и амперметрах, имеющих измерительные клещи. Приборы с такими захватами «вытягивают» магнитное поле из пластинок, их образующих. В вольтметре для получения магнитного поля применяется резистор, который получает нагрузку при подаче на цепь напряжения. Омметр имеет индивидуальный источник питания и использует устройство, которое подвергает измерению, для образования магнитного поля.

Описанные выше приборы проводят измерения одинаковым способом, притом что подача нагрузки и источники питания у них разные.

Измерительное смещение стрелки, провоцируемое магнитным полем движущихся электронов, указывает на какое-либо деление шкалы. Их обычно несколько, и у каждой свой предел измерения напряжения, сопротивления и тока. На некоторых приборах для удобства пользователя продуман селекторный переключатель.

Как работают цифровые измерители

Цифровые электроизмерительные приборы имеют высокий класс точности (погрешность варьируется от 0,1 до 1,0 %) и широкий предел измерений. Они быстродейственны и могут совместно работать с электронно-вычислительными машинами, что позволяет передавать результаты измерений без каких-либо искажений на различные расстояния.

Эти устройства считаются приборами сравнения и непосредственной оценки. Их работа основана на принципе перевода измеряемой величины в код, благодаря чему пользователь имеет цифровое представление информации. Ещё какие электроизмерительные приборы относятся к цифровым? Это устройства, которые, измеряя непрерывную электрическую величину, автоматически конвертируют её в дискретную, кодируют и выдают результат в цифровой форме, удобной для считывания пользователем.

Устройства, расположенные в одном корпусе

Это приборы, которые для неодновременного измерения нескольких величин используют один механизм для измерения. Или же они имеют несколько преобразователей с общим для всех отсчетным устройством (шкалой). Она градуируется в единицах измеряемых величин. Чаще всего комбинированные электроизмерительные приборы совмещают в себе устройства, измеряющие силу постоянного или переменного тока и электрического напряжения (ампервольтметры); сопротивления, силы постоянного и переменного тока, напряжение (авометры или ампервольтомметры). А также существуют универсальные цифровые электроизмерительные приборы, которые измеряют напряжение постоянного и переменного тока, индуктивность и количество импульсов.

Примером такого устройства может служить новая разработка "Актаком ADS-4031".Прибор от компании "Актаком" гармонично сочетает в себе функциональный генератор, цифровой осциллограф, частотомер, RLC-метр и цифровой мультиметр. Кроме основных пяти совмещенных устройств, осциллографический тестер благодаря дополнительным приспособлениям может использоваться для ряда других измерительных задач.

Производство и разработка электроизмерительных приборов

На территории России работают и активно продвигают на рынок свою продукцию как новые предприятия, так и заводы, ведущие свою историю со времен СССР. Рассмотрим их более подробно.

ОАО «Электроприбор»

Один из таких долгожителей - Чебоксарский завод электроизмерительных приборов. Сегодня он называется ОАО «Электроприбор». Его цеха выпускают аналоговые и цифровые электроизмерительные устройства и шунты. В прайсах завода - амперметры, вольтметры, ватт- и варметры, многофункциональные устройства для измерений. А также измерительные преобразователи напряжения, тока, частоты и мощности. В современных реалиях завод принял к производству линейку вспомогательных изделий - шунтов, которые способны расширять диапазон измерения по напряжению и току. Выпускает «Электроприбор» трансформаторы и добавочные сопротивления.

Пользуются большим спросом приборы с электронными преобразователями, измеряющими частоту реактивной или активной мощности, а также ее коэффициент. Не менее популярны индикаторы, приборы для оснащения специализированных учебных кабинетов, различные цифровые приборы и комплектующие. В конце прошлого века предприятие получило сертификат, подтверждающий систему менеджмента качества ИСО 9001, соответствующую международному стандарту.

Чебоксарский завод более 55 лет занимает лидерские позиции среди производителей электроизмерительных приборов.

ОАО «НИИ Электромера»

65 лет назад, согласно Постановлению Совета министров СССР, был образован ВНИИЭП - Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов. Кроме научно-исследовательских работ по разработке новейших образцов техники здесь изготавливали небольшие серии высокоточных, уникальных приборов.
Разрабатывая системы электроизмерительных приборов, предназначенных для автоматизации экспериментов и промиспытаний сложной техники, институт создал измерительно-управляющие комплексы.

В конце прошлого столетия ВНИИЭП преобразован в ОАО «НИИ Электромера».

ООО «Белтехприбор»

Одно из современных предприятий - ООО «Белтехприбор». Здесь постоянно расширяют номенклатуру выпускаемой продукции. Сегодня контрольно-измерительные приборы и низковольтное оборудование поставляется на отечественные предприятия машиностроительного, электромеханического, топливно-энергетического и нефтеперерабатывающего профиля.

Каждый измерительный прибор имеет определенные ограничения, кото­рые нужно принимать во внимание, чтобы при использовании этого при­бора получить правильное значение измеряемой величины. Введение из­мерительного прибора в электрическую схему может нарушить ее нор­мальную работу. Поэтому первое правило использования измерительных устройств - обеспечение таких условий измерения, при которых это вмешательство незначительно и им можно пренебречь. Важнейшей характе­ристикой измерительного прибора является его собственное сопротивле­ние, называемое внутренним сопротивлением (рис. 37.1).

Рис. 37.1. Базовый измерительный Рис. 37.2. Включение амперметра прибор. А для измерения тока I в цепи.

Измерение тока

Чтобы измерить ток в цепи, нужно разомкнуть эту цепь в подходящем ме­сте и в место разрыва последовательно включить амперметр А (рис. 37.2). Амперметр может быть включен в любом месте цепи при условии, что че­рез него будет протекать весь измеряемый ток.

Высококачественные амперметры имеют малое внутреннее сопроти­вление, благодаря чему они оказывают очень слабое влияние на измеря­емый электрический ток. Амперметры с большими внутренними сопро­тивлениями дают неточные показания.

Напряжение, или разность потенциалов, существует между двумя точка­ми в цепи. Чтобы измерить напряжение, вольтметр включается между этими двумя точками, например между выводами резистора, без разрыва цепи. Как показано на рис. 37.3, вольтметр V 1 измеряет падение напря­жения на резисторе R 1 , а вольтметр V 2 - на резисторе R 2 .

Рис. 37.3.

Рис. 37.4. Эффект нагрузки – часть общего тока,

Ток I m , ответвля­ется в вольтметр.

Эффект нагрузки

Как видно из рис. 37.4, внутреннее сопротивление вольтметра шунтиру­ет сопротивление участка цепи R , к которому подключается вольтметр. Часть тока, протекавшая до подключения вольтметра через R , теперь от­ветвляется к вольтметру. Другими словами, для полного тока I эффек­тивное сопротивление резистора R , зашунтированного теперь внутренним сопротивлением вольтметра, уменьшается. Это так называемый эффект нагрузки вольтметра. Для ослабления этого эффекта внутреннее сопро­тивление вольтметра делают максимально большим, так чтобы оно, по меньшей мере, в 20 раз превышало сопротивление нагрузки. При таких соотношениях шунтирующим эффектом сопротивления измерительного прибора можно пренебречь.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление измерительного прибора зависит от его чув­ствительности и выбранного диапазона (предела) измерений. Его мож­но вычислить исходя из чувствительности, которую указывают в омах на вольт (Ом/В). Например, вольтметр с чувствительностью 1000 Ом/В имеет внутреннее сопротивление

1000 · 1 = 1000 Ом в диапазоне измерений до 1 В,

1000 · 3 = 3000 Ом в диапазоне измерений до 3 В,

1000 · 10 = 10000 Ом в диапазоне измерений до 10 В и т. д.

При заданной чувствительности, чем больший диапазон измерений вы­бирается, тем больше внутреннее сопротивление и больше точность.

Пример 1

На рис. 37.5 показаны два одинаковых вольтметра V 1 и V 2 с чувствительностью 20000 Ом/В. Какой вольтметр даст более точные показания, если оба прибора работают в диапазоне измерений 10В?

Рис. 37.5.

Решение

Внутреннее сопротивление каждого прибора равно 20000 · 10 = 200000 Ом, или 200 кОм. Вольтметр V 1 шунтирует резистор R 2 с сопротивлением 10 кОм, т е. сопротивление этого измерительного прибора в 20 раз превышает сопротивле­ние резистора R 2 , следовательно, вольтметр V 1 даст точное показание (т. е. 4,5 В). Вольтметр V 2 , шунтирует резистор R 4 , сопротивление которого равно внутреннему сопротивлению вольтметра 200 кОм. В результате эффект нагруз­ки для вольтметра V 2 будет значительным, что приведет к ошибочному показа­нию (3 В).

Аналоговые и цифровые измерительные приборы

Аналоговые измерительные приборы, такие, как магнитоэлектрические измерительные приборы с подвижной катушкой и осциллографы, обес­печивают непрерывную индикацию величин напряжения, тока и т. п. Цифровые измерительные приборы отображают показания дискретным образом. Они обеспечивают непосредственное считывание значений изме­ряемой величины, не зависящее от человеческих ошибок, не имеют дви­жущихся частей, меньше по размерам и дешевле по сравнению с анало­говыми измерительными приборами.

Типы измерительных приборов

Приборы с подвижной катушкой

Магнитоэлектрический измерительный прибор с подвижной катушкой указывает величину постоянного тока, протекающего через катушку. Его можно использовать и для проведения измерений на переменном токе, подключив ко входу выпрямитель. Приборы этого типа имеют чувстви­тельность порядка 20 кОм/В для постоянного тока и 600 Ом/В для пе­ременного тока, частотный диапазон измерений - до 2 кГц или немного больше.

Электронный вольтметр

Это, по существу, магнитоэлектрический измерительный прибор с по­движной катушкой, но с усилителем на входе. Чувствительность достига­ет порядка мегаом на вольт как для постоянного, так и для переменного токов, частотный диапазон измерений - 3 МГц и выше.

Цифровой вольтметр

Цифровой вольтметр имеет очень высокую чувствительность (измеряе­мую в мегаомах на вольт) и очень широкий частотный диапазон (свыше 2 МГц).

Электронно-лучевой осциллограф

Кроме того, что на экране электронно-лучевого осциллографа можно уви­деть форму электрического сигнала, с его помощью можно также изме­рить самые различные электрические величины: напряжение (среднее и пиковое), период, разность фаз и время задержки. Входное сопротивле­ние осциллографа порядка 1 МОм, чувствительность и частотный диапа­зон измерений такие же, как у электронного и цифрового вольтметров.

Универсальный измерительный прибор (мультиметр)

Это, по существу, тот же вольтметр, но сочетающий в себе несколько из­мерительных функций. Коммутирующее устройство переключает функ­ции и позволяет использовать этот прибор как амперметр, вольтметр и омметр. Это может быть аналоговый (с подвижной катушкой) или ци­фровой прибор.

Осциллограф

Осциллограф можно использовать также для определения частоты. Пе­риод t отображаемого сигнала измеряется с помощью откалиброванной по длительности развертки, а затем частота вычисляется по формуле f = 1/t . Этот метод применим как для синусоидального, так и для пери­одического сигнала любой другой формы.

Более точный метод определения частоты синусоидального сигнала заключается в сравнении его частоты с известной эталонной частотой. Для этого выключается внутренний генератор развертки осциллографа, и сигнал известной частоты (вырабатываемый генератором эталонной ча­стоты) подается на одну пару отклоняющих пластин, а сигнал измеряе­мой частоты - на другую. Плавно изменяя частоту эталонного генератора, добиваются появления на экране устойчивых изображений, называ­емых фигурами Лиссажу (рис. 37.6). Неизвестную частоту можно опре­делить, подсчитывая число пиков (максимумов) на изображении. Если неизвестная частота f Y подается на Y-пластины, а известная частота f X на X-пластины, то в тех случаях, когда возникают только горизонтальные пики, как на рис. 37.6, имеем

Неизвестная частота f Y = Известная частота f X · Число пиков.

Рис. 37.6.

Измерительные приборы для регистрации логических состояний

Рассмотренные в предыдущем разделе устройства измеряют аналоговые величины. Для проверки логического состояния контрольной точки ну­жен логический пробник (рис. 37.7). При касании щупом пробника контрольной точки (или узла) индицируется логическое состояние узла: «1», «0» или состояние разомкнутой цепи.

Рис. 37.7. TTL – ТТЛ; CMOS – КМОП; Н - высокий уровень; L - низкий уровень.

Индикация осуществляется с по­мощью индикатора на одном или двух светодиодах. Для изменения логи­ческого состояния узла используется логический импульсный генератор. При касании узла щупом генератора логическое состояние этого узла из­меняется на противоположное. Если узел находился в состоянии логиче­ской 1, то он переключается в состояние логического 0, и наоборот. Логи­ческий импульсный генератор обычно применяется вместе с логическим пробником для контроля логических элементов, счетчиков, триггеров и других цифровых устройств.

Еще один очень полезный логический измерительный прибор - токо­вый детектор. Если токовый детектор поднести к проводнику на печат­ной плате, то он укажет наличие или отсутствие пульсирующего тока в проводнике. Электрический контакт с проводником не нужен. Токовый детектор применяется вместе с импульсным генератором для обнаруже­ния короткого замыкания между проводником или выводом какого-либо элемента, с одной стороны, и землей или шиной источника питания - с другой. Этот детектор можно также применять для поиска коротких замыканий между проводниками или выводами элементов.

Логический и сигнатурный анализаторы

Логический пробник и другие приборы, определяющие логическое состо­яние схемы, практически не применяются при тестировании микропро­цессорных систем. В системе с шинной организацией информация о ло­гическом состоянии отдельной линии шины недостаточна для адекватно­го контроля системы. Необходима одновременная проверка логических уровней на всех линиях адресной шины или шины данных. Это можно сделать с помощью многоканального логического анализатора (индика­тора логических состояний), который позволяет одновременно контроли­ровать большое количество входов. Альтернативным методом тестиро­вания микропроцессорной системы является регистрация последователь­ности битов, появляющихся в одной контрольной точке, с последующим сравнением этой последовательности с аналогичной последовательностью в хорошо работающей известной системе. Этот метод контроля основан на применении одновходового сигнатурного анализатора.

В данном видео рассказывается о стрелочном мультиметре:

Измерение постоянного и переменного тока. Порядок работы с приборами. Виды и типы применяемых приборов

Измерение постоянного тока.

Постоя́нный ток, (англ. direct current) - электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Величина постоянного тока I и электрического напряжения U для любого момента времени сохраняется неизменной.

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов).

Постоянный ток - это постоянное направленное движение заряженных частиц.

Амперметр - прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений- с шунтом или через трансформатор. (Примером амперметра с трансформатором являются «токовые клещи»)

Общая характеристика

Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол крена, пропорциональный величине измеряемого тока.

Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.

Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными - силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры

Основные типы Амперметров

· магнитоэлектрические

· электромагнитные

· термоэлектрические

· электродинамические

· ферродинамические

· выпрямительные

Принцип действия

Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.

Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействие между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах - через трансформатор.

По конструкции амперметры подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические, ферродинамические и выпрямительные .

Магнитоэлектрические амперметры (гальванометры, микроамперметры и миллиамперметры) служат для измерения токов малой величины в цепях постоянного тока. Они состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма и шкалы с нанесенными делениями, соответствующими различным значениям измеряемого тока. Для расширения пределов измерения параллельно прибору присоединяется шунт. Измеряемый ток I и разветвляется на ток шунта I ш и ток измерительного прибора I пр. Он равен

I и = I пр (r пр + r ш /r ш ) = I пр K ,

Где r пр – сопротивление прибора, Ом; r ш – сопротивление шунта, Ом.

При выборе шунта необходимо учитывать мощность, рассеиваемую на нем при прохождении электрического тока. Неправильно рассчитанный шунт будет нагреваться, его сопротивление изменяться, и погрешность измерения силы тока расти. Шунт может помещаться как внутри амперметра (внутренний), так и вне его (наружный).

Для измерения тока в цепи амперметр или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником электрической энергии.

Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, амперметры выполняют с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения. Амперметр можно включать в цепь только последовательно с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Для расширения пределов измерения амперметров, предназначенных для работы в цепях постоянного тока, их включают в цепь параллельно шунту 4 (рис. 1,б). При этом через прибор проходит только часть I А измеряемого тока I, обратно пропорциональная его сопротивлению R А. Большая часть I ш этого тока проходит через шунт. Прибор измеряет падение напряжения на шунте, зависящее от проходящего через шунт тока, т. е. используется в качестве милливольтметра. Шкала прибора градуируется в амперах. Зная сопротивления прибора R A и шунта R ш можно по току I А, фиксируемому прибором, определить измеряемый ток:

I = I А (R А +R ш)/R ш = I А n

где n = I/I А = (R A + R ш)/ Rш - коэффициент шунтирования. Его обычно выбирают равным или кратным 10. Сопротивление шунта, необходимое для измерения тока I, в n раз большего, чем ток прибора I А,

R ш = R A /(n-1)

Конструктивно шунты либо монтируют в корпус прибора (шунты на токи до 50 А), либо устанавливают вне его и соединяют с прибором проводами. Если прибор предназначен для постоянной работы с шунтом, то шкала его градуируется сразу в значениях измеряемого тока с учетом коэффициента шунтирования и никаких расчетов для определения тока выполнять не требуется. В случае применения наружных (отдельных от приборов) шунтов на них указывают номинальный ток, на который они рассчитаны, и номинальное напряжение на зажимах (калиброванные шунты). Согласно стандартам это напряжение может быть равно 45, 75, 100 и 150 мВ. Шунты подбирают к приборам так, чтобы при номинальном напряжении на зажимах шунта стрелка прибора отклонялась на всю шкалу. Следовательно, номинальные напряжения прибора и шунта должны быть одинаковыми. Имеются также индивидуальные шунты, предназначенные для работы с определенным прибором. Шунты делят на пять классов точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Обозначение класса соответствует допустимой погрешности в процентах.

Для того чтобы повышение температуры шунта при прохождении по нему тока не оказывало влияния на показания прибора, шунты изготовляют из материалов с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом (константан, манганин, никелин и пр.). Для уменьшения влияния температуры на показания амперметра последовательно с катушкой прибора в некоторых случаях включают добавочный резистор из констан-тана или другого подобного материала.

Рис.1. Схемы для измерения тока (а, б)

Приборы для измерения постоянного тока и напряжения

Амперметры и вольтметры М42300, М42301, М42303, М42304, М42305, М42306, М4264М, М4265М

Амперметры и вольтметры М42301, М42304

Амперметры и вольтметры М42301.19

Амперметры и вольтметры М4247, М42248, М4248, М42200, М42201, М42243

Амперметры и вольтметры М42607, М42608, М42609, М42610, М42611, М42612

Амперметры и вольтметры МД42

Амперметры и вольтметры М4272, М4276, М4278, М4273М, М4277М

Амперметры и вольтметры М42408, М42412, М42496

Измерение постоянных токов чаще всего производится магнитоэлектрическими гальванометрами, микроамперметрами, миллиамперметрами и амперметрами, основной частью которых является магнитоэлектрический измерительный механизм (измеритель). Устройство одной из распространённых конструкций стрелочного измерителя показано на рис. 1. Измеритель содержит подковообразный магнит 1. В воздушном зазоре между его полюсными наконечниками 2 и неподвижным цилиндрическим сердечником 5, выполненными из магнитномягкого материала, создаётся равномерное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны к поверхности сердечника. В этом зазоре помещается рамка 4, намотанная тонким медным изолированным проводом (диаметром 0,02...0,2 мм) на лёгком бумажном или алюминиевом каркасе прямоугольной формы. Рамка может поворачиваться вместе с осью 6 и стрелкой 10, конец которой перемещается над шкалой. Плоские спиральные пружины 5 служат для создания момента, противодействующего повороту рамки, а также для подвода тока к рамке. Одна пружина закреплена между осью и корпусом. Вторая пружина одним концом прикреплена к оси, а другим - к рычагу корректора 7, вилка которого охватывает эксцентричный стержень винта 8. Вращением этого винта достигается установка стрелки на нулевое деление шкалы. Противовесы 9 служат для уравновешивания подвижной части измерителя с целью стабилизации положения стрелки при изменении положения прибора.

Рис. 1. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма.

Измеряемый ток, проходя по виткам рамки, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Создаваемый при этом вращающий момент, направление которого определяется известным правилом левой руки, вызывает поворот рамки на такой угол, при котором он уравновешивается противодействующим моментом, возникающим при закручивании пружин 5. Благодаря равномерности постоянного магнитного поля в воздушном зазоре вращающий момент, а следовательно, и угол отклонения стрелки оказываются пропорциональными току, протекающему через рамку. Поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы. Другие величины, влияющие на значение вращающего момента магнитная индукция в воздушном зазоре, число витков и площадь рамки - остаются постоянными и в совокупности с силой упругости пружин определяют чувствительность измерителя.

При повороте рамки в её алюминиевом каркасе индуцируются токи, взаимодействие которых с полем постоянного магнита создаёт тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть измерителя (время успокоения не превышает 3 с).

Измерители характеризуются тремя электрическими параметрами: а) током полного отклонения Iи, вызывающим отклонение стрелки до конца шкалы; б) напряжением полного отклонения Uи, т. е. напряжением на рамке измерителя, создающим в её цепи ток Iи; в) внутренним сопротивлением Rи, которое является сопротивлением рамки. Эти параметры взаимосвязаны законом Ома:

В радиоизмерительных приборах применяют различные типы магнитоэлектрических измерителей, ток полного отклонения которых обычно лежит в пределах 10...1000 мкА. Измерители, у которых ток полного отклонения не превышает 50-100 мкА, считаются высокочувствительными.

Некоторые измерители снабжаются магнитным шунтом в виде стальной пластинки, которую можно приближать к торцовым поверхностям полюсных наконечников и магнита или удалять от них. При этом будет соответственно уменьшаться или возрастать в небольших пределах ток полного отклонения I, вследствие изменения воздействующего на рамку магнитного потока из-за ответвления части полного магнитного потока через шунт.

Напряжение полного отклонения Uи для большинства измерителей лежит в пределах 30-300 мВ. Сопротивление рамки Rи зависит от периметра рамки, числа витков и диаметра провода. Чем чувствительнее измеритель, тем больше витков из более тонкого провода имеет его рамка и тем больше её сопротивление. Повышение чувствительности измерителей достигается также применением более мощных магнитов, бескаркасных рамок, пружин с малым противодействующим моментом и подвеской подвижной части на растяжках (двух тонких нитях).

В чувствительных измерителях с бескаркасными рамками стрелка, отклоняясь под действием проходящего по рамке тока, совершает ряд колебаний, прежде чем остановиться в положении равновесия. Для уменьшения времени успокоения стрелки рамку шунтируют резистором с сопротивлением порядка тысяч или сотен Ом. Роль последнего иногда выполняет электрическая схема прибора, включённая параллельно рамке.

Измерители с подвижными рамками позволяют получить угол полного отклонения стрелки до 90-100°. Малогабаритные измерители иногда выполняются с неподвижной рамкой и подвижным магнитом, укреплённым на одной оси со стрелкой. При этом удаётся увеличить угол полного отклонения стрелки до 240°.

Особо чувствительные измерители, служащие для измерений весьма малых токов (менее 0,01 мкА) и напряжений (менее 1 мкВ), называются гальванометрами. Они часто применяются в качестве нуль-индикаторов (индикаторов отсутствия в цепи тока или напряжения) при измерениях методами сравнения. По способу отсчёта различают гальванометры стрелочные и зеркальные; в последних отсчётная риска на шкале создаётся с помощью светового луча и зеркальца, укреплённого на подвижной части прибора.

Магнитоэлектрические измерители пригодны для измерений только на постоянном токе. Изменение направления тока в рамке приводите изменению направления вращающего момента и отклонению стрелки в обратную сторону. При включении измерителя в цепь переменного тока с частотой до 5-7 Гц стрелка будет непрерывно колебаться около нуля шкалы с этой частотой. При большей частоте тока подвижная система вследствие своей инерционности не успевает следовать за изменениями тока и стрелка остаётся в нулевом положении. Если через измеритель протекает пульсирующий ток, то отклонение стрелки определяется постоянной составляющей этого тока. Чтобы исключить при этом дрожание стрелки, измеритель шунтируют конденсатором большой ёмкости.

Измерители, предназначенные для работы в цепи постоянного тока, направление которого неизменно, имеют одностороннюю шкалу, одним из концов которой служит нулевое деление. Для получения правильного отклонения стрелки необходимо, чтобы ток протекал через рамку в направлении от зажима с обозначением «+» к зажиму с обозначением «-». Измерители, предназначенные для работы в цепях постоянного тока, направление которого может изменяться, снабжаются двусторонней шкалой, нулевое деление которой обычно располагается посредине; при протекании тока в приборе от зажима «+» к зажиму «-» стрелка отклоняется вправо.

Магнитоэлектрические измерители выдерживают кратковременную перегрузку, достигающую 10-кратного значения тока Iи, и 3-кратную длительную перегрузку. Они не чувствительны к внешним магнитным полям (из-за наличия сильного внутреннего магнитного поля), потребляют при измерениях небольшую мощность и могут быть выполнены всех классов точности.

Для измерений на переменном токе магнитоэлектрические измерители применяют совместно с полупроводниковыми, электронными, фотоэлектрическими или термопреобразователями ; в совокупности они образуют соответственно выпрямительные, электронные, фотоэлектрические или термоэлектрические приборы.

В измерительных приборах иногда используют электромагнитные, электродинамические и ферродинамические измерители, которые пригодны для непосредственного измерения как постоянных токов, так и среднеквадратических значений переменных токов, имеющих частоту до 2,5 кГц. Однако измерители этих типов значительно уступают магнитоэлектрическим в отношении чувствительности, точности и потребляемой при измерениях мощности. Кроме того, они имеют неравномерную шкалу, сжатую в начальной части, и чувствительны к воздействию внешних магнитных полей, для ослабления которых приходится использовать магнитные экраны и усложнять конструкцию приборов.

Определение электрических параметров магнитоэлектрических измерителей

При использовании в качестве измерителя магнитоэлектрического прибора измерительного механизма неизвестного типа параметры последнего - ток полного отклонения Iи и внутреннее сопротивление Rи - приходится определять опытным путём.

Рис. 2. Схемы измерения электрических параметров магнитоэлектрических измерителей

Сопротивление рамки Rи можно приближённо замерить омметром, имеющим необходимый предел измерений. При проверке высокочувствительных измерителей нужно соблюдать осторожность, так как большой ток омметра может их повредить. Если используется многопредельный батарейный омметр, то измерение следует начинать с наиболее высокоомного предела, при котором ток в цепи питания омметра наименьший. Переход на другие пределы допускается лишь в том случае, если это не вызывает зашкаливания стрелки измерителя.

Достаточно точно параметры измерителя могут быть определены по схеме на рис. 2, а. Схему питают от источника постоянного напряжения Б через резистор R1, служащий для ограничения тока в цепи. Реостатом R2 добиваются отклонения стрелки измерителя И на всю шкалу. При этом значение тока Iи отсчитывают по образцовому (опорному) микроамперметру (миллиамперметру) μА (При наладке, поверке и градуировке средств измерений в случае отсутствия образцовых приборов и мер применяют рабочие приборы и меры более высокого класса точности, чем испытуемые; такие приборы и меры будем называть опорными). Затем параллельно измерителю подключают опорный магазин сопротивлений Rо, изменением сопротивления которого добиваются уменьшения тока через измеритель ровно в два раза по сравнению с током в общей цепи. Это будет иметь место при сопротивлении Rо = Rи. Вместо магазина сопротивлений можно применить любой переменный резистор с последующим измерением его сопротивления Rо = Rи с помощью омметра или моста постоянного тока. Возможно также включение параллельно измерителю нерегулируемого резистора с известным сопротивлением R, желательно близким к предполагаемому сопротивлению Rи; тогда значение последнего определяется по формуле

Rи =(I/I1 - 1) * R,

где I и I1 - токи, отсчитываемые соответственно по приборам μA и И.

Если измеритель И имеет равномерную шкалу, содержащую αп делений, то можно применить схему, приведённую на рис. 2, б. Искомые параметры измерителя вычисляются по формулам:

Iи = U/(R1+R2) * αп/α1 ; Rи = (α2 * R2)/(α1-α2) - R1 ,

где U - напряжение питания, отсчитываемое по вольтметру V, α1 и α2 - отсчёты по шкале измерителя при установке переключателя В соответственно в положения 1 и 2, a R1 и R2 - известные сопротивления резисторов, которые берутся примерно одинаковых номиналов. Погрешность измерений тем меньше, чем ближе отсчёт α1 к концу шкалы, что достигается соответствующим выбором сопротивления

Магнитоэлектрические миллиамперметры и амперметры

Магнитоэлектрические измерители при непосредственном включении в электрические цепи могут быть применены лишь в качестве микроамперметров постоянного тока с пределом измерения, равным току полного отклонения Iи. Для расширения предела измерения измеритель И включают в цепь тока параллельно шунту - резистору малого сопротивления Rш (рис. 3); при этом через измеритель будет протекать лишь часть измеряемого тока и тем меньшая, чем меньше сопротивление Rш по сравнению с сопротивлением измерителя Rи. При радиоэлектронных измерениях максимально необходимый предел измерения постоянных токов редко превосходит 1000 мА (1 А).

При выбранном предельном значении измеряемого тока Iп через измеритель должен протекать ток полного отклонения Iи; это будет иметь место при сопротивлении шунта

Rш = Rи:(Iп/Iи - 1). (1)

Например, при необходимости расширения предела измерений микроамперметра типа М260, имеющего параметры Iп = 0,2 мА и Rи = 900 Ом, до значения Iп = 20 мА необходимо применить шунт сопротивлением Rш = 900 /(100-1) = 9,09 Ом.

Рис. 3. Схема градуировки магнитоэлектрического миллиамперметра (амперметра)

Шунты к миллиамперметрам изготовляются из манганиновой или константановой проволоки. Благодаря высокому удельному сопротивлению материала размеры шунтов получаются небольшими, что позволяет включать их непосредственно между зажимами прибора внутри или снаружи его кожуха. Если известно значение тока Iп (в амперах), то диаметр проволоки шунта d (в миллиметрах) выбирают из условия

d >= 0,92 I п 0,5 , (2)

при выполнении которого плотность тока в шунте не превышает 1,5 А/мм 2 . Например, шунт миллиамперметра с пределом измерения Iп = 20 мА должен изготовляться из проволоки диаметром 0,13 мм.

Подобрав проволоку подходящего диаметра d (в миллиметрах), длина её (в метрах), необходимая для изготовления шунта сопротивлением Rш (в омах), приближённо находится по формуле

L = (1,5...1,9)d 2 * Rш (3)

и точно подгоняется при включении прибора по схеме на рис. 3 последовательно с опорным миллиамперметром mА.

Шунты на большие токи (к амперметрам) обычно изготовляются из листового манганина. Для исключения влияния переходных сопротивлений контактов и сопротивлений соединительных проводников такие шунты имеют четыре зажима (рис. 4, а). Наружные массивные зажимы называются токовыми и служат для включения шунта в цепь измеряемого тока. Внутренние зажимы называются потенциальными и предназначены для подключения измерителя. Подобная конструкция также исключает возможность повреждения измерителя большим током при случайном отключении шунта.

Для уменьшения температурной погрешности измерений, вызываемой различной зависимостью от температуры сопротивлений рамки измерителя и шунта, последовательно с измерителем включают манганиновый резистор Rк (рис. 4, б); погрешность снижается во столько раз, во сколько увеличивается сопротивление цепи измерителя. Еще лучшие результаты достигаются при включении терморезистора Rк с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При расчёте прибора с температурной компенсацией под сопротивлением Rи в расчётных формулах следует понимать суммарное сопротивление измерителя и резистора Rк.

Рис. 4. Схемы включения шунта на большие токи (а) и элемента температурной компенсации (б)

С учётом влияния шунта внутреннее сопротивление миллиамперметра (амперметра)

Rма = RиRш/(Rи+Rш). (4)

Для обеспечения достаточно высокой точности в широком диапазоне измеряемых токов прибор должен иметь несколько пределов измерений; это достигается применением ряда переключаемых шунтов, рассчитанных на различные значения предельного тока Iп.

Переходным множителем шкалы N называют отношение верхних предельных значений двух смежных пределов измерений. При N = 10, как, например, в четырёхпредельном миллиамперметре с пределами 1, 10, 100 и 1000 мА, шкала прибора, выполненная для одного из пределов (1 мА), может быть легко применена для измерения токов на остальных пределах посредством умножения отсчёта на соответствующий множитель 10, 100 или 1000. При этом диапазон измерений будет достигать 90% диапазона показаний, что приведёт к заметному возрастанию погрешности измерения тех значений токов, которым соответствуют отсчёты на начальных участках шкал.

Рис. 5. Шкалы многопредельных магнитоэлектрических миллиамперметров

С целью повышения точности измерений в некоторых приборах предельные значения измеряемых токов выбирают из ряда чисел 1, 5, 20, 100, 500 и т. д., применяя для отсчёта общую шкалу с несколькими рядами числовых отметок (рис. 5, а). Иногда предельные значения выбирают из ряда чисел 1, 3, 10, 30, 100 и т. д., что позволяет исключить отсчёт по первой трети шкалы; однако при этом шкала должна иметь два ряда отметок, проградуированных в значениях, кратных соответственно 3 и 10 (рис. 5, б).

Переключение шунтов, необходимое для перехода от одного предела измерений к другому, может осуществляться посредством переключателя при использовании на всех пределах общих входных зажимов (рис. 6) или с помощью системы разрезных гнёзд, половинки которых замыкаются между собой металлическим штепселем измерительного шнура (рис. 7). Особенностью схем на рис. 6, б, и 7, б является то, что в состав шунта каждого предела измерений входят резисторы шунтов других, менее чувствительных пределов.

Рис. 6. Схемы многопредельных миллиамперметров с переключателями пределов измерений.

При переключении под током предела измерений прибора возможно повреждение измерителя, если он окажется кратковременно включённым без шунта в цепь измеряемого тока. Во избежание этого конструкция переключателей (рис. 6) должна обеспечивать переход с одного контакта на другой без разрыва цепи. Соответственно конструкция разрезных гнёзд (рис. 7) должна позволять штепселю измерительного шнура при включении первоначально замыкаться с шунтом, а затем с цепью измерителя.

Рис. 7. Схемы многопредельных миллиамперметров со штепсельно-гнездовой коммутацией пределов измерений.

С целью предохранения измерителя от опасных перегрузок параллельно ему иногда ставят кнопку Кн с размыкающим контактом (рис. 7, б); измеритель включается в схему лишь при нажатой кнопке. Эффективным способом защиты чувствительных измерителей является шунтирование их (в прямом направлении) специально подобранными полупроводниковыми диодами; при этом, однако, возможно нарушение равномерности шкалы.

По сравнению с приборами, имеющими переключаемые шунты, более надёжными в работе являются многопредельные приборы с универсальными шунтами. Универсальный шунт представляет собой группу последовательно соединённых резисторов, образующих вместе с измерителем замкнутую цепь (рис. 8). Для подключения к исследуемой цепи используется общий минусовый зажим и зажим, соединённый с одним из отводов шунта. При этом образуются две параллельные ветви. Например, при установке переключателя В в положение 2 (рис. 8, а) в одну ветвь входят резисторы действующего участка шунта, имеющего сопротивление Rш.д = Rш2 + Rш3, во второй ветви последовательно с измерителем включён резистор Rш1. Сопротивление Rш.д должно быть таким, чтобы при предельном измеряемом токе Iп через измеритель протекал ток полного отклонения Iи. В общем случае

Rш.д = (Rш + Rи) (Iи/Iп). (5)

где Rш = Rш1 + Rш2 + Rш3 + ... есть полное сопротивление шунта.

Универсальный шунт в целом выполняет функцию действующего шунта на пределе 1, которому отвечает наименьшее предельное значение измеряемого тока Iп1; его сопротивление можно подсчитать по формуле (1). Если выбраны пределы измерений Iп2 = = N12*Iп1; Iп3 = N23*Iп2; Iп4 = N34*Iп3 и т. д., то сопротивления отдельных участков шунта определятся выражениями:

Rш2 + Rш3 + RШ4 + ... = Rш/N12;

Rш3 + Rш4 + ... = Rш/(N12*N23);

Rш4 + ... = Rш/(N12*N23*N34) и т. д. Разность сопротивлений из двух смежных равенств позволяет определить сопротивления отдельных компонентов шунта Rш1, Rш2, Rш3 и т. д.

Рис. 8. Схемы многопредельных миллиамперметров с универсальными шунтами

Из приведённых выше выражений видно, что переходные множители N12, N23, N34 и т. д. целиком определяются отношением сопротивлений отдельных участков шунта и совершенно не зависят от данных измерителя. Поэтому один и тот же универсальный шунт, присоединённый параллельно различным измерителям, будет изменять их пределы в одинаковое число раз; при этом исходный предел измерений определится формулой

Iп1 = Iи*(Rи/Rш + 1). (6)

Из схем на рис. 8 видно, что в приборах с универсальными шунтами пределы измерений могут выбираться как с помощью переключателей, так и посредством гнёзд обычного типа. Нарушение контакта в этих схемах безопасно для измерителя. Если примерное значение подлежащего измерению тока неизвестно, то перед подключением многопредельного прибора к исследуемой цепи следует устанавливать наибольший верхний предел измерений,

Градуировка магнитоэлектрических миллиамперметров и амперметров

Градуировка измерительного прибора заключается в определении его градуировочной характеристики, т. е. зависимости между значениями измеряемой величины и показаниями отсчётного устройства, выраженной в виде таблицы, графика или формулы. Практически градуировка стрелочного прибора завершается нанесением на его шкалу делений, отвечающих определённым численным значениям измеряемой величины.

Для магнитоэлектрических приборов, имеющих равномерные шкалы, основной задачей градуировки является установление соответствия конечного деления шкалы предельному значению измеряемой величины, что может быть выполнено с помощью схемы, подобной приведённой на рис. 3. Градуируемый прибор подключается к зажимам 1 и 2. Реостатом R в цепи, питаемой источником постоянного тока, устанавливают по опорному прибору mА предельное значение тока Iп и отмечают точку шкалы, до которой отклоняется стрелка измерителя И. Если градуируемый прибор имеет один предел, то за конечную точку шкалы может быть принята любая точка вблизи упора, ограничивающего перемещение стрелки. В многопредельных приборах с кратными шкалами такой произвольный выбор конца шкалы можно производить лишь на одном пределе, принимаемом за исходный.

Если стрелка при токе Iп не находится на конечном делении шкалы, необходима регулировка прибора. В однопредельных приборах или на исходном пределе многопредельного прибора эта регулировка может быть произведена с помощью магнитного шунта. При отсутствии последнего регулировку осуществляют подгонкой сопротивлений шунтов. Если при токе Iп стрелка не доходит до конечного деления, то сопротивление шунта Rш следует увеличить; при зашкаливании стрелки сопротивление шунта уменьшают.

При градуировке многопредельных приборов, работающих по схемам, приведённым на рис. 6, б, 7, б и 8, подгонка шунтов должна проводиться в определённом порядке, начиная с сопротивления шунта Rш, соответствующего наибольшему предельному току Iп3; затем последовательно подгоняются сопротивления шунтов Rш2 и Rш1. При переключении пределов может потребоваться замена опорного прибора, верхний предел измерений которого во всех случаях должен быть равен или несколько превышать предельное значение градуируемой шкалы.

Зная положения начального и конечного делений равномерной шкалы, легко определить положения всех промежуточных делений. Следует, однако, учитывать, что у некоторых магнитоэлектрических приборов вследствие конструктивных недостатков или особенностей измерительной схемы может не быть точной пропорциональности между угловым перемещением стрелки и измеряемым током. Поэтому желательно проверить градуировку шкалы в нескольких промежуточных точках, изменяя ток реостатом R. Резистор Rо служит для ограничения тока в цепи.

Градуировка должна выполняться при полностью собранном приборе, находящемся в нормальных рабочих условиях. Полученные опорные точки наносятся на поверхность шкалы остро отточенным карандашом (при снятом с кожуха измерителя стекле) или фиксируются по отметкам имеющейся шкалы прибора. Если старая шкала измерителя негодна, то изготовляется новая шкала из плотной гладкой бумаги, которая наклеивается на место старой шкалы клеем, стойким к сырости. Положение новой шкалы должно строго соответствовать положению, занимаемому старой шкалой при градуировке прибора. Хорошие результаты достигаются при вычерчивании шкалы чёрной тушью в увеличенном масштабе с последующим изготовлением её фотокопии требуемого размера.

Рассмотренные выше общие принципы градуировки приложимы к стрелочным измерительным приборам различного назначения.

Особенности измерения постоянных токов

Для измерения тока прибор (например, миллиамперметр) включают последовательно в исследуемую цепь; это приводит к возрастанию общего сопротивления цепи и уменьшению протекающего в ней тока. Степень этого уменьшения оценивается (в процентах) коэффициентом влияния миллиамперметра

Вма = 100*Rма/(Rма + Rц),

где Rц есть общее сопротивление цепи между точками подключения прибора (например, зажимами 1 и 2 на схеме рис. 3).

Умножая числитель и знаменатель правой части формулы на значение тока в цепи I и учитывая, что I*Rма есть падение напряжения на миллиамперметре Uма, а I (Rма + Rц) равно э.д.с. Е, действующей в исследуемой схеме, получаем

Вма = 100*Uма/Е.

В сложной (разветвлённой) цепи под э. д. с. Е нужно понимать напряжение холостого хода между точками разрыва цепи, к которым должен подключаться прибор.

Предельным значением напряжения Uма является падение напряжения на приборе Uп, вызывающее отклонение его стрелки до конечной отметки шкалы. Следовательно, предельно возможное значение коэффициента влияния при использовании данного прибора

Bп = 100Uп/E. (7)

Из приведённых формул следует, что чем меньше э. д. с. Е, тем сильнее влияет прибор на измеряемый ток. Например, если Uп/E = 0,1, то Вп = 10%, т. е. включение прибора может вызвать уменьшение тока в цепи на 10%; при Uп/E = 0,01 уменьшение тока не превосходит 1%. Поэтому при измерении тока накала радиоламп или эмиттерного тока транзисторов следует ожидать значительно большего изменения тока в цепи, чем при измерении анодных, экранных или коллекторных токов. Очевидно также, что при одинаковых пределах измерений меньшее влияние на измеряемый ток оказывает прибор, характеризуемый меньшим значением напряжения Uп. В многопредельных миллиамперметрах с переключаемыми шунтами (рис. 6 и 7) на всех пределах измерений максимальное падение напряжения на приборе одинаково и равно напряжению полного отклонения измерителя, т. е. Uп = Uи = Iи/Rи, а мощность, потребляемая прибором, ограничивается значением

Рп = IиUи = Iп*Iи*Rи. В миллиамперметрах с универсальными шунтами (рис. 8) падение напряжения на приборе равно Iи*Iи лишь на исходном пределе 1. На других пределах оно возрастает до значения Uп ≈ Iи*(Rп + Rш) (при увеличении потребляемой прибором мощности в (Rи + Rш)/Rи раз), так как представляет собой сумму падений напряжений на измерителе и включённом последовательно с ним участке шунта. Следовательно, прибор с универсальным шунтом при прочих равных условиях сильнее влияет на режим исследуемых цепей, чем прибор с переключаемыми шунтами.

Если взять полное сопротивление универсального шунта Rш >> Rи, то низший предел миллиамперметра будет близок к Iи, однако на других пределах падение напряжения на приборе может оказаться чрезмерно большим. Если же взять сопротивление Rш небольшим, то возрастёт наименьший предельный ток Iп1 прибора. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо решать вопрос о допустимом значении сопротивления шунта Rш.

При включении магнитоэлектрического прибора в цепь пульсирующего или импульсного тока с целью измерения постоянной составляющей этого тока необходимо параллельно прибору присоединить конденсатор большой ёмкости, имеющий для переменной составляющей тока сопротивление, значительно меньшее внутреннего сопротивления прибора Rма. С целью устранения влияния ёмкости прибора относительно корпуса исследуемой установки место включения прибора в высокочастотные цепи выбирают таким образом, чтобы один из его зажимов непосредственно или через конденсатор большой ёмкости соединялся с корпусом.

В некоторых случаях в различные цепи исследуемого радиоэлектронного устройства включают постоянные шунты, что позволяет с помощью одного и того же магнитоэлектрического измерителя поочерёдно контролировать токи в этих цепях без их разрыва.

Задача 1. Рассчитать схему миллиамперметра с универсальным шунтом (рис. 8) на три предела измерений: 0,2; 2 и 20 мА при переходном множителе N = 10. Измеритель прибора - микроамперметр типа М94 - имеет данные: Iи= 150 мкА = 0,15 мА, Rи = 850 Ом, Uи = Iи/Rи = 0,128 В. Для каждого предела найти падение напряжения на приборе при предельном токе, а также максимально возможное влияние прибора на измеряемый ток, если в цепи последнего действует э. д. с. Е = 20 В.

1. На пределе 1 (Iп1 = 0,2 мА) шунтом к измерителю является универсальный шунт в целом. Полное сопротивление последнего, определённое по формуле (1), Rш = 2550 Ом.

Падение напряжения на приборе при предельном токе Uп1 = Uи = 0,128 В. Предельно возможный коэффициент влияния миллиамперметра Вп1 = (Uп1/E)*100= 0,64%.

2. Для предела 2 (Iп2 = 2 мА) сопротивление шунтирующего участка универсального шунта Rш2+ Rш3 = Rш/N = 255 Ом. Следовательно, сопротивление Rш1 = Rш - (Rш2 + Rш3) = 2295 Ом.

Предельное падение напряжения на приборе Uп2 = Iи/(Rи + Rш1) = 0,727 В. Предельный коэффициент влияния Вп2 = 100*Uп2/E = 3,63%.

3. Для предела 3 (Iп3 = 20 мА) Rш3 = Rш/N 2 = 25,5 Ом; Rш2 = 255-25,5 = 229,5 Ом; Uп3 = Iп*(Rи + Rш1 + Rш2) = 0,761 В; Вп3 = 100*п3/Е = 3,80%.

Задача 2. Рассчитать схему миллиамперметра с универсальным шунтом на три предела измерений: 5, 50 и 500 мА. Измеритель прибора - микроамперметр типа М260М - имеет данные: Iи = 500 мкА, Rи = 150 Ом. Определить влияние прибора на измеряемый ток, если измерения на пределах 5 и 50 мА производятся в цепях, в которых действуют э. д. с. не менее 200 В, а на пределе 500 мА - в цепи накала радиолампы, питаемой от батареи с э.д.с. 6 В.

Ответ: Rш= 16,67 Ом; Rш1 = 15 Ом; Rш2= 1,5 Ом; Rш3=0,17 Ом; Uп1 = 75 мВ; Вп1 = 0,037%; Uп2 = 82,5 мВ; Вп2 = 0,041%; Uп3 = 83 мВ; Вп3= 1,4%.

Ответ: 1) Rш1 = 16,67 Ом; Rш2 = 1,52 0м; Rш3=0,15 Ом; 2) Rш1 =15,15 Ом; Rш2= 1,37 Ом; Rш3 = 0,15 Ом.

Транзисторные микроамперметры постоянного тока

При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших тока полного отклонения Iи имеющегося магнитоэлектрического измерителя, последний применяют совместно с усилителем постоянного тока. Наиболее простыми и экономичными являются усилители на биполярных транзисторах. Усиления тока можно добиться при включении транзисторов по схемам с общим эмиттером и общим коллектором, однако первая схема предпочтительнее, поскольку она обеспечивает меньшее входное сопротивление усилителя.

Рис. 9. Схемы однотранзисторных микроамперметров постоянного тока

Простейшая схема однотранзисторного микроамперметра, питаемого от источника с э.д.с. Е = 1,5...4,5 В, показана на рис. 9, а, сплошными линиями. Током базы Iб является измеряемый ток, при некотором номинальном значении которого Iн в цепи коллектора протекает ток Iк, равный току полного отклонения Iи измерителя И. Статический коэффициент передачи тока Вст = Iк/Iб = Iи/Iн, откуда номинальный измеряемый ток Iн = Iи/Bст. Например, при использовании транзистора типа ГТ115А, имеющего Вст = 60, и измерителя типа М261 с током Iи = 500 мкА номинальный ток Iн = 500/60 ≈ 8,3 мкА. Поскольку зависимость между токами Iк и Iб близка к линейной, то шкала измерителя, проградуированная в значениях измеряемого тока, будет почти равномерной (за исключением небольшого начального участка шкалы до 10% её длины). Включением специально подобранного шунта между входными зажимами можно повысить предельный измеряемый ток до удобного для расчётов значения (например, до 10 мкА).

В реальных схемах транзисторных микроамперметров принимают меры, направленные к стабилизации режима работы и коррекции возможных его отклонений. Прежде всего недопустимо (особенно при повышенном напряжении питания) размыкание цепи базы транзистора, которое может иметь место в процессе измерений. Поэтому базу соединяют с эмиттером через резистор небольшого сопротивления либо, как это показано штриховой линией на рис. 9, а, с отрицательным полюсом источника посредством резистора Rб с сопротивлением порядка сотен килоом. В последнем случае к базе подводится напряжение смещения, которое задаёт режим работы усилителя. Затем с целью подгонки требуемого номинального тока (предположим, 10 мкА для приведённого выше примера) параллельно измерителю (или последовательно с ним) включают подстроечный резистор Rш = (2...5) Rи.

Следует учесть, что при отсутствии измеряемого тока через измеритель будет протекать начальный ток коллектора Iк.н, достигающий 5-20 мкА и обусловленный наличием неуправляемого обратного тока коллектора Iк.о и тока в цепи базового резистора Rб. Действие тока Iк.н можно компенсировать установкой стрелки измерителя на нуль механическим корректором прибора. Однако рациональнее перед началом измерений производить электрическую установку нуля, например, с помощью вспомогательного элемента питания Е0 и реостата R0 = (5...10) Rи, создавая в цепи измерителя компенсационный ток I0, равный по значению, но обратный по направлению току Iк.н. Вместо двух источников питания можно применить один (рис. 9, б), включив параллельно ему делитель напряжения из двух резисторов R1 и R2 с сопротивлениями порядка сотен ом. При этом образуется схема моста постоянного тока (см. Мостовой метод измерения электрических сопротивлений), который уравновешивается изменением сопротивления одного из плеч (R0).

Необходимость усложнения исходной схемы однотранзисторного усилителя приводит к тому, что коэффициент усиления по току

Ki = Uи/Iн (8)

оказывается меньше коэффициента передачи тока Вст используемого транзистора. Более того, надежную работу транзисторного микроамперметра удаётся обеспечить лишь при условии выбора Ki << Вст.

Как известно, параметры транзистора существенно зависят от температуры окружающей среды. Изменение последней приводит к самопроизвольным колебаниям (дрейфу) обратного тока коллектора Iк.о, который в германиевых транзисторах возрастает почти в 2 раза на каждые 10 К увеличения температуры. Это вызывает заметное изменение коэффициента усиления по току Кi и входного сопротивления усилителя, что может привести к полному нарушению градуировочной характеристики прибора. Следует также учитывать и наблюдаемое с течением времени необратимое изменение параметров («старение») транзисторов, что создаёт необходимость в периодической проверке и коррекции градуировочной характеристики транзисторного прибора.

Если изменение тока Iк.o можно в какой-то степени компенсировать установкой нуля перед началом измерений, то для стабилизации коэффициента усиления Ki приходится принимать специальные меры. Так, смещение на базу (рис. 9, б) подают посредством делителя напряжения из резисторов Rб1 и Rб2, причём в качестве последнего иногда используют термистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Термистор можно заменить диодом Д, включённым параллельно резистору Rб1. С повышением температуры обратное сопротивление диода уменьшается, что приводит к такому перераспределению напряжений между электродами транзистора, которое противодействует возрастанию тока коллектора. В том же направлении действует и отрицательная обратная связь между коллектором и базой, появляющаяся благодаря подключению к коллектору (а не к минусу питания) вывода резистора Rб2. Наиболее эффективное действие оказывает отрицательная обратная связь, возникающая при включении в цепь эмиттера резистора Rэ.

Повышение устойчивости работы усилителя посредством применения достаточно глубокой отрицательной обратной связи приводит к малому отношению коэффициентов Ki/Bст. Поэтому для получения коэффициента усиления Ki, равного нескольким десяткам, приходится подбирать для микроамперметра германиевый транзистор с высоким коэффициентом передачи тока: Вст = 120...200.

В микроамперметрах возможно применение кремниевых транзисторов, которые по сравнению с германиевыми обладают параметрами, более стабильными как во времени, так и в отношении температурных влияний. Однако коэффициент Вст у кремниевых транзисторов обычно невелик. Повысить его можно путём использования схемы составного транзистора (рис. 9, в); последний имеет коэффициент передачи тока Вст примерно равный произведению соответствующих коэффициентов составляющих его транзисторов, т. е. Вст ≈ Вст1*Вст2. Однако обратный ток коллектора составного транзистора:

Iк.о ≈ Iк.о2 + Bст2*Iк.о1

значительно превышает соответствующие токи его компонентов и подвержен заметным температурным колебаниям, что приводит к необходимости стабилизации режима усилителя.

Высокой устойчивости работы транзисторного микроамперметра легче достигнуть при выполнении его усилителя по балансной схеме с двумя обычными или составными транзисторами, специально подобранными по идентичности их параметров (в первую очередь - по примерному равенству коэффициентов Вст и токов Iк.o). Типовая схема подобного прибора с элементами стабилизации и коррекции приведена на рис. 10. Поскольку начальные коллекторные токи транзисторов примерно в одинаковой степени зависят от температуры и напряжения питания, а через измеритель они протекают в противоположных направлениях, компенсируя друг друга, то повышаются устойчивость нулевого положения стрелки измерителя и равномерность его шкалы. Глубокая отрицательная обратная связь, обеспечиваемая резисторами Rэ и Rб.к, повышает стабильность коэффициента усиления по току. Балансная схема повышает также чувствительность микроамперметра, поскольку измеряемый ток создаёт на входных электродах обоих транзисторов потенциалы различных знаков; в результате внутреннее сопротивление одного транзистора увеличивается, а другого - уменьшается, что усиливает разбаланс места постоянного тока, в диагональ которого включён измеритель И.

При налаживании балансного микроамперметра подстроечным потенциометром Rк осуществляют уравнивание потенциалов коллекторов, что контролируется по отсутствию показаний измерителя при замкнутых накоротко входных зажимах. Установка нуля в процессе эксплуатации производится потенциометром Rб посредством уравнивания токов баз при разомкнутых входных зажимах. Следует учитывать, что эти две регулировки взаимозависимы и при отладке прибора их необходимо несколько раз поочерёдно повторять.

Рис. 10. Балансная схема транзисторного микроамперметра

Входное сопротивление микроамперметра Rмка в основном определяется суммарным сопротивлением R = Rб1 + Rб2 + R6, действующим между базами транзисторов, и примерно составляет (0,8...0,9)*R; его точное определение, так же как и номинального предельного тока Iн, приходится осуществлять опытным путём. Подгонку требуемого значения номинального тока удобно производить с помощью шунтирующей цепочки резисторов сопротивление которой необходимо учитывать при определении входного сопротивления Rмка.

Стабильность входного сопротивления позволяет производить расширение предела измерений в направлении понижения чувствительности с помощью шунтов. Сопротивление шунта, необходимое для получения предельного измеряемого тока Iп,

Rш.п = Rмка*Iн/(Iп - Iн) = Rмка*Iи/(Ki*Iп - Iи) (9)

При указанных на схеме численных данных и использовании транзисторов с Вст ≈ 150 балансный микроамперметр имеет коэффициент усиления Ki ≈ 34 и посредством подстроечного резистора Rm может быть подогнан под номинальный ток Iн = 10 мкА. При необходимости получения номинального тока примерно 1 мкА усилитель дополняется вторым каскадом, который часто выполняется по схеме эмиттерного повторителя, что облегчает согласование выходного сопротивления усилителя с малым сопротивлением измерителя И.