Учебное пособие

Профессия СБОРЩИК РЭА

§ 69. Измерение постоянных тока и напряжения

В цепях постоянного тока ток измеряют сравнительно редко, так как миллиамперметр должен быть включен последовательно в разрыв цепи, что не всегда возможно. Чаще измеряют напряжение на участке схемы, сопротивление которого известно, и затем рассчитывают ток.

Для непрерывного отсчета используют индикатор — электромеханическое устройство, в котором угол отклонения подвижной системы и стрелочного указателя пропорционален изменению тока.

Основное применение при измерениях в электронной аппаратуре находят индикаторы магнитоэлектрической системы. Индикаторы других систем применяются редко, так как они имеют низкую точность, неравномерный характер шкалы и, что. особенно важно, низкую чувствительность.

Для дискретного отсчета используются цифровые приборы. Основные их достоинства — удобство в работе, высокая точность измерений, быстродействие, возможность подключения записывающих устройств. Но эти приборы сложны по схеме и дороги.

Магнитоэлектрический индикатор служит для измерения постоянных тока и напряжения. Кроме того, его применяют в качестве стрелочного указателя в разнообразной измерительной аппаратуре для отсчета почти всех измеряемых параметров. Принцип действия магнитоэлектрического индикатора основан на взаимодействии магнитного поля измеряемого тока с сильным магнитным полем магнитной системы. Прибор имеет высокую точность, равномерную шкалу, малое время успокоения и не подвержен влиянию внешних магнитных полей. Важным свойством магнитоэлектрического индикатора является высокая чувствительность. Оценку чувствительности можно производить по току I_и, который вызывает полное отклонение стрелки на всю шкалу. Чем выше индукция постоянного магнита, больше число витков катушки, ее площадь и меньше противодействующий момент, тем выше чувствительность индикатора, т. е. меньше ток I_и. Наиболее распространены индикаторы, имеющие ток полного отклонения I_и = 200±50 мкА (индикаторы М24, М93 и др.).

Для измерения постоянного тока магнитоэлектрический индикатор включают последовательно в цепь. Индикатор служит амперметром с пределом измерения, равным току полного отклонения I_и. Для расширения предела измерения токов, т. е. снижения чувствительности, используют шунт — малое сопротивление R_ш, включенное последовательно в цепь измеряемого тока /изм, который проходит через сопротивление нагрузки R_ш. Шунт подключают параллельно индикатору (рис. 144).

Рис. 144. Схема измерения постоянного тока

В качестве шунтов используются проволочные резисторы из высокоомного сплава, размещенные внутри футляра прибора. Для расчета сопротивления шунта нужно знать параметры индикатора I_и, R_и, а также выбрать наибольший предел измеряемого тока I_изм:

Многопредельные амперметры имеют несколько шунтов для измерения различных токов. Переключать шунты в процессе работы нельзя, так как при разрыве цепи шунта измеряемый ток, полностью протекая через индикатор, может его повредить. В технике измерений применяется универсальный шунт, постоянно подключенный к индикатору. При переключении пределов измерения цепь шунта не разрывается, при этом на любом пределе измерений некоторые резисторы оказываются последовательно подключенными к индикатору, а остальные служат шунтом.

Для измерения постоянного напряжения предназначен магнитоэлектрический индикатор. Он включается параллельно контролируемому участку цепи. Индикатор служит вольтметром с пределом измерения, равным напряжению полного отклонения U_н = I_иR_и. Для расширения предела измерения используют добавочный резистор R_доб большого сопротивления, включенный последовательно с индикатором (рис. 145).

Рис. 145. Схема измерения постоянного напряжения

Важным параметром вольтметра является входное сопротивление R_вх — отношение предела измеряемого напряжения к току полного отклонения индикатора (R_вх = U/I_и). Чем больше предел измеряемого сопротивления, тем больше сопротивление R_доб и выше входное сопротивление вольтметра. Вольтметры с индикаторами большой чувствительности имеют большие входные сопротивления.

Точность показаний вольтметра зависит от точности подбора сопротивлений добавочных резисторов и их стабильности. Используются специальные микропроволочные манганиновые резисторы в стеклянной изоляции (МВС, МВСТ), а также непроволочные резисторы (MЛT, OMЛT, УЛИ, КЛМ), недостаток которых — нестабильность сопротивления при воздействии температуры, влаги, времени.

В практике измерений для оценки индикатора и расчета R_доб удобнее пользоваться величиной, обратной току полного отклонения, — удельным входным сопротивлением. Входное сопротивление вольтметра определяется произведением удельного входного сопротивления на предел измеряемого напряжения.

При измерении напряжений показания прибора будут близки к действительности только в том случае, если входное сопротивление вольтметра намного превышает сопротивление участка схемы R, на котором напряжение измеряется. При подключении вольтметр своим входным сопротивлением шунтирует участок схемы, т. е. сопротивление этого участка снижается, уменьшается падение напряжения на нем и вольтметр покажет напряжение меньше действительного. Уменьшение напряжения при подключении вольтметра будет незначительно при Rвх = (15×20)R. Точность измерения вольтметром тем выше, чем больше его удельное сопротивление (меньше ток полного отклонения индикатора). В электронных схемах следует применять вольтметры с удельным входным сопротивлением не менее 10—20 кОм/В, т. е. с Iи = 100±50 мкА.

Многопредельные вольтметры имеют несколько добавочных резисторов. Используются две схемы многопредельных вольтметров: схема с последовательным включением добавочных резисторов, где при увеличении предела измерения сопротивления резисторов суммируют, и схема с переключением добавочных резисторов, в которой на каждом пределе измерений включен один добавочный резистор. Первая схема более проста в подборе добавочных резисторов, но нестабильность сопротивления одного из добавочных резисторов увеличивает погрешность измерений на верхних пределах. В выпускаемых промышленностью вольтметрах применяют оба варианта схем, причем первый вариант обычно используют для измерения больших напряжений, а второй — для сравнительно небольших напряжений (150—200 В).

Магнитоэлектрические вольтметры широко распространены, но имеют существенный недостаток: их входное сопротивление недостаточно велико и различно на разных пределах измерений.

На основе магнитоэлектрического индикатора невысокой чувствительности получают прибор с большим входным сопротивлением (десятки мегаомов), которое сохраняется неизменным при переключении пределов измерений. Такой прибор называют электронным вольтметром. При работе с электронными вольтметрами можно не учитывать шунтирующее влияние подключения прибора на исследуемую схему, так как входное сопротивление вольтметра обычно значительно превышает сопротивление участка схемы.

Электронные вольтметры постоянного тока совместно с входными делителями и добавочными резисторами в схеме применяют для измерения напряжений 0,1—1000 В и выше. Схема электронного вольтметра включает входной делитель напряжения, электронный усилитель постоянного тока и магнитоэлектрический индикатор с добавочным резистором. Для расширения пределов измерения используются многопредельные электронные вольтметры. Пределы измерений изменяют с помощью многопредельного высокоомного делителя на входе прибора или переключением добавочных резисторов в измерительной диагонали моста. При использовании высокоомных делителей нестабильность сопротивления вызывает дополнительную погрешность измерения. Наиболее широко используют непроволочные резисторы ПТМН, КИМ, KЛM, MЛT, для которых, особенно высокоомных, характерно значительное изменение сопротивления в результате естественного старения (до 4—8% за полгода хранения) и воздействия климатических условий. Для повышения стабильности сопротивления и уменьшения погрешности непроволочные резисторы подвергают электрической тренировке и искусственному старению.