Комбинированные аналоговые измерительные приборы

Комбинированный аналоговый измерительный прибор — ампер-вольтомметр (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 (микроампер- метр), 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.

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.

В цепи однополупериодного выпрямления ток I_u через микроамперметр, включенный последовательно с диодом Д₁, протекает только в положительный полупериод напряжения и (t). В отри­ отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода Д₁ очень велико, ток протекает через диод Д₂, защищая тем самым диод Д₁ от пробоя. Сопротивление R', включенное в цепь встреч­ного диода и равное сопротивлению микроамперметра Rи, 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:

где m (t) — мгновенное значение момента; I­_и = I_{ср -} среднее зна­чение тока i_u(t), протекающего через микроамперметр. Из равенства следует, что

где S_I — чувствительность прибора к току.

В случае однополупериодного выпрямления:

Шкалу прибора, измеряющего переменный ток или напряже­ние, обычно градуируют в среднеквадратичных (действующих) значениях синусоидального сигнала, поэтому среднее значение тока Iи, протекающего через прибор, можно выразить через сред­неквадратичное значение I измеряемого тока и коэффициент фор­мы K_ф для синусоиды:

где

При токе полного отклонения микроамперметра Iи предельное среднеквадратичное значение измеряемого переменного тока:

В цепи двухполупериодного выпрямления с четырьмя диодами ток I_u протекающий через микроамперметр, увели­чивается вдвое по сравнению с током, протекающим через микро­амперметр в цепи однополупериодного выпрямления. В течение положительного полупериода ток проходит через диод Д₁ — микро­амперметр — диод Д₃; в течение отрицательного полупериода — через диоды Д₂, Д₄ и микроамперметр. Таким образом, через микро­амперметр ток I_u проходит в одном и том же направлении оба полупериода:

Предельное среднеквадратичное значение измеряемого синусо­идального тока I_ск = 1,11I_u.

Схемы двухполупериодного выпрям­ления

В цепи однополупериодного выпрямления почти все приложен­ное напряжение u(t) падает на диод Д₁ поэтому при малых напряжениях работа диода осуществляется на линейном участке его вольтамперной характеристики и шкала прибора делается более линейной. В цепи же двух­полупериодного выпрям­ления приложенное напряжение распределяется между двумя диодами и прибором, что приводит к расширению нелинейного участка шкалы. Входное сопротивление цепи двухполупериодного выпрямления одинаково для обеих полуволн измеряемого на­пряжения, но вследствие нелинейного характера сопротивлений диодов сопротивление цепи зависит от значения измеряемого то­ка, поэтому для определенности принято сопротивление указы­вать при номинальных значениях напряжения и тока.

Мостовая цепь с четырьмя диодами требует идентичности послед­них и специальной температурной компенсации, так как прямое и обратное сопротивления диода зависят от температуры окру­жающей среды. Практическое применение находят мостовые цепи двухполупериодного выпрямления с двумя диодами и двумя рези­сторами.

Ток, протекающий через микроамперметр,

где R = R₁ = R₂, R_u — соответственно сопротивления резисто­ров и микроамперметра.

Данная цепь более чувствительна к малым напряжениям, чем цепь с четырьмя диодами, и менее зависит от температуры, по­скольку два диода заменены резисторами. Частотный диапазон измерительных выпрямителей определяется в основном собствен­ной емкостью диода. Нижняя граница частотного диапазона состав­ляет 10 — 20 Гц, верхняя достигает с медно-закисными диодами не выше 10 кГц, с плоскостными германиевыми и кремниевыми — 100 кГц и с точечными — сотни мегагерц.

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 от 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 . 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.

В авометрах в режиме измерения синусоидальных токов диапа­зон измерения токов лежит в пределах от 0,2 мА до нескольких десятков ампер, шкала 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.

Для измерения малых напряжений предпочтительны вольтметры с однополупериодным выпрямлением, для измерения больших напряжений — вольтметры с двухполупериодным выпрямлением. Для уменьшения частотной погрешности используют 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. U = 2,22Uср.в, а в вольтметрах с двухполупериодным выпрямлением — коэф­фициент 1,11, т.е.

U = 1,1Uср.в. При измерении несинусоидаль­ных напряжений к показаниям вольтметров вносятся поправки.