ВОПРОС. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИБОРОВ, ИЗМЕРЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЕ И СИЛУ ТОКА

Измерение напряжения или силы тока может осуществляться приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторами).

По структурным схемам все приборы, измеряющие напряжение и силу тока, могут быть разделены на:

- электромеханические;

- электронные аналоговые;

- электронные цифровые.

Электромеханические приборы. Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины представляют широкий класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на действующее значение сигнала. Последнее обстоятельство позволяет производить измерение наиболее информативного параметра сигнала без методических ошибок. Электромеханические измерительные приборы строятся по обобщенной структурной схеме, представлен­ной на рис. 7.

Рисунок 7 - Структурная схема электромеханического прибора

Измерительная схема осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х в электрическую величину х', на которую реагирует измерительный механизм. Последний, в свою очередь, преобразует электрическую величину х' в механическое угловое или линейное перемещение a, значение которого отражается по шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой ве­личины N(x).

Классификация электромеханических приборов производится по ти­пу измерительного механизма. Наиболее распространенными в практике радиотехнических измерений являются следующие системы: магнито­электрическая, электромагнитная, электродинамическая, электроста­тическая. Условное обозначение типа измерительной системы наносится на шкале прибора. Данные системы представлены в сводной табл. 2, в которой приведены также формулы передаточной функции (уравнения шкалы) измерительного механизма и некоторые его технические харак­теристики.

Таблица 2 - Электромеханическая группа приборов

Наименование системы, функциональная схема	Уравнение шкалы, применение	Частотный диапазон, потребление, класс точности
Магнитоэлектрическая: 1- рамка с измеряемым током 2- неподвижный сердечник 3- полюсные наконечники	, где ; B – индукция в зазоре; S – площадь рамки; w - число витков рамки; W – удельный противодействующий момент, создаваемый пружинкой. Переносные, лабораторные, многопредельные амперметры, вольтметры постоянного тока	Постоянный ток Класс точности 0,05…0,5 Pсоб » 10-5…10-4 Вт
Электромагнитная	, где ; L – индуктивность катушки.   Щитовые и лабораторные переносные низкочастотные амперметры, вольтметры	F = 0…5 кГц Класс точности 0,5…2,5 Pсоб » 1…6 Вт
Электродинамическая	, где q - угол между точками; М –коэффициент взаимной индуктивности катушек.   Лабораторные приборы низкочастотные высокого класса точности	F = 0…5 кГц Класс точности 0,1…0,2 Pсоб = 1 мВт
Электростатическая	, где .   Высокочастотные лабораторные и высоковольтные вольтметры	F = 0…30 кГц Класс точности 0,5…1,5 Pсоб >1 мВт

В пояснение к табл. 2 сделаем следующие добавления.

Магнитоэлектрическая система — измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, сделано равномерным за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием тока I рамка вращается в магнитном поле, угол поворота а ограничивается специальной пружинкой, в результате чего передаточная функция оказывается линейной:

(9)

где — удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W — удельный противодействующий момент, создаваемый пружинкой.

На основе магнитоэлектрического механизма конструируются вольтметры, амперметры, миллиамперметры постоянного тока, что определяется измерительной схемой. Приборы магнитоэлектрической системы обладают хорошими техническими характеристиками (высокая точность, малое потребление энергии из измерительной цепи, высокая чувствительность), но работают только на постоянном токе.

Электромагнитная система — измерительный механизм состоит из воздушной катушки, в которую втягивается ферромагнитный сердечник при любой полярности тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле так, чтобы поле усилилось. Следовательно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако прибор является низкочастотным, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки. На основе электромагнитной системы создаются вольтметры и амперметры (часто как щитовые) на конкретную частоту — 50,400,1000 Гц.

К достоинствам системы можно отнести: конструктивную простоту, надежность, возможность измерения действующего значения. Недостат­ками являются ограниченный частотный диапазон, большое потребление мощности от измерительной цепи, низкая чувствительность.

Электродинамическая система — измерительный механизм содержит две измерительные катушки (неподвижную и подвижную), электромагнитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой

(10)

где М_вр — вращающий момент; I₁ — ток через неподвижную катушку; I₂ — ток через подвижную катушку; q — фазовый сдвиг между синусоидальными токами.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. Достоинством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Основная приведенная погрешность может быть 0,1...0,2%, что является наилучшим достижимым показателем для приборов переменного тока. По другим показателям электродинамические приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы используются как образцовые лабораторные измерительные приборы.

Электростатические приборы — принцип действия электроста­тического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Ограничение движения (как и в других электромеханических системах) осуществляется за счет пружинки. Электростатические приборы по принципу действия механизма являются вольтметрами. Достоинствами таких приборов являются широкий частотный диапазон (до 10 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют действующее значение напряжения.

Магнитоэлектрические приборы с преобразователями переменного тока в постоянный. Описанные выше приборы не решают многих проблем, возникающих при измерении на переменном токе: электромагнитный и электродинамический — низкочастотны, электростатический обладает низкой чувствительностью.

Применение магнитоэлектрического механизма в сочетании с преобразователем позволяет существенно расширить возможности измерений на переменном токе.

Аналоговые вольтметры со стрелочным отсчетом. Упрощенные струк­турные схемы аналоговых вольтметров представлены на рис. 8.

Рисунок 8 - Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров: а — постоянного тока; б — напряжений большого уровня; в — милливольтметра,

УПТ— усилитель постоянного тока; > — усилитель переменного тока;

МЭС — магнито-электрическая система.

В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока(рис. 8, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам постоянного тока и практически вытесняются последними. Поэтому дальше рассматриваются только аналоговые вольтметры переменного тока.

Изображенная на рис. 8, б структурная схема, используется в вольтметрах для измерения напряжений значительного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно. Зато частотный диапазон таких усилителей может составлять сотни мегагерц. Структурная схема, представленная на рис. 8, в, применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью. Последнее связано с наличием дополнительного усилителя, однако частотный диапазон такой схемы ниже (до сотен килогерц), так как возникают трудности при создании широкополосного усилителя переменного тока.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим на момент создания вольтметра уровнем техники (от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков идентично. При этом особенно важную функцию несут преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы).

Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: амплитудные (пиковые), действующего и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами действующего значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Электронные цифровые измерительные приборы будут рассмотрены на отдельной лекции.