Измерение действующих значений переменных токов и напряжений

Ранее было отмечено, что электромагнитные, электродинамические, ферродинамические и электростатические измерительные механизмы могут быть использованы для измерений действующих значений переменного тока и напряжения, и указаны верхние пределы токов и напряжений, непосредственно измеряемых этими механизмами.

Расширение пределов измерений перечисленных измерительных механизмов по току осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока, так как падение напряжения в этих механизмах в несколько раз больше, чем в магнитоэлектрических, поэтому шунты получились бы громоздкими и дорогими.

Расширение пределов измерения по напряжению может быть достигнуто как с помощью добавочных сопротивлений, так и путем использования измерительных трансформаторов напряжения. Последние главным образом применяются при необходимости изоляции прибора от сети высокого напряжения. Расширение пределов измерения электростатических измерительных механизмов производится с помощью добавочных конденсаторов.

Электромагнитные приборы в основном применяются в качестве щитовых приборов класса 1,5, а также лабораторных многопредельных приборов класса 0,5.

Электродинамические амперметры и вольтметры являются наиболее точными приборами на переменном токе. Они выпускаются только в качестве лабораторных приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5.

Электромагнитные, электродинамические и ферродинамические приборы обычно градуируются (и поверяются) либо на переменном токе промышленной частоты, либо на постоянном токе. При измерении на повышенных частотах эти приборы имеют значительную погрешность, обусловленную в основном индуктивностью катушек. Для работы на высоких частотах указанные приборы не могут быть использованы.

На практике электростатические вольтметры могут применяться на любых частотах, за исключением малых (до 30...40Гц), так как при малых частотах полное сопротивление Z измерительного механизма и добавочного конденсатора зависит от сопротивления изоляции, шунтирующего емкостное сопротивление,

Для измерения действующих значений переменных токов и напряжений также могут быть использованы термоэлектрические приборы. Схемы цепи термоэлектрических приборов представлены на (рис. 5.3). Термоэлектрический прибор представляет собой магнитоэлектрический измерительный механизм Г (см. рис. 5.3 а, с единичной термопарой) в сочетании с термопарой 1, служащей для измерения температуры t проволоки (терморезистора) 2, через которую протекает измеряемый переменный ток I.

Угол отклонения α магнитоэлектрического измерительного механизма пропорционален термо-ЭДС:

α = S_iI_Г = S_i = kE_T,

где S_i — чувствительность гальванометра к току; I_Г — ток термопары гальванометра; E_T — термо-ЭДС; R_Г — сопротивление измерительного механизма; R_T — сопротивление термопары; k — коэффициент пропорциональности.

Термо-ЭДС при постоянстве температуры свободных концов термопары является функцией температуры рабочего конца термопары:

E_T = f₁(t).

Температура t будет функцией теплоты, выделяемой измеряемым током I, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату тока:

t = f₂(I²).

Следовательно, угол отклонения α = f(I²), является функцией действующего значения переменного токаI.

Характеристика шкалы не будет строго квадратичной, так как температура t терморезистора определяется тепловым равновесием проволоки, т.е. потерями выделяемой теплоты, зависящими от многих факторов. Если измеряемый ток мал, то мало и значение термо-ЭДС. В этом случае можно использовать батарею из нескольких термопар (см. рис. 5.3 б). Однако непосредственный контакт рабочих концов термопар с терморезистором невозможен, так как термопары оказались бы замкнутыми накоротко. В связи с этим рабочие концы термопар обычно изолируются от терморезисторов каплей стекла.

Терморезистор часто называют нагревателем, а сочетание нагревателя с термопарой — термопреобразователем. Терморезистор (нагреватель) обычно выполняется из константана или сплава платины с родием. В качестве термопары чаще всего применяется термопара хромель—копель.

Индуктивность терморезистора очень незначительна, поэтому основное применение термоэлектрические приборы получили для измерения токов высокой частоты (в мегагерцах — МГц).