Погрешности измерений. Измерение токов и напряжений. Приборы анализа электрических сигналов. Измерение напряженности поля и помех, страница 6

4.  Электростатические (ЭС).

2.1 Магнитоэлектрические приборы

            Магнитоэлектрические приборы состоят из постоянного магнита и подвижной рамки с током (рисунок 2.1), на которой укреплена стрелка, отклоняющаяся на угол α под воздействием постоянного тока – I.

При этом угол отклонения α определяется как

,           (2.1)          где N – число витков в рамке,

Рисунок 2.1

       В – магнитная индукция в воздушном зазоре,

S – площадь рамки,

W – упругая сила спиральной пружины для возврата стрелки в нулевое положение.

Видно, что все входящие величины являются постоянными и могут быть обозначены:  - постоянная гальванометра. Можно записать .

МЭ прибор – прямопоказывающий с линейной шкалой, но предназначен только для измерения постоянного тока.

За счет большой запасенной индукции в МЭ приборы наиболее чувствительны, но обладают большим весом (постоянный магнит), не выдерживают тряски и вибрации, чувствительны к внешним магнитным полям. Эти достоинства и недостатки обусловили их использование в лабораторных условиях.

Если сопротивление рамки прибора равно R_пр, то для расширения его диапазона тока в n раз необходимо подвести шунтирующее сопротивление , то есть для расширения пределов измерения тока в 2 раза необходимо подключить параллельно R_ш=R_пр.

При последовательном включении добавочного сопротивления R_д амперметр превратится в вольтметр с общим сопротивлением R_v=(R_д+R_пр).

При этом для расширения пределов вольтметра  n раз можно последовательно добавлять .

Класс точности МЭ приборов достигает 0.1 ().

            Электромагнитные приборы (ЭМ) представляют собой неподвижную катушку с током (рисунок 2.2), в которую втягивается ферромагнитный сердечник, связанный со стрелкой α. При этом угловое перемещение α будет пропорционально энергии, запасенной в катушке

, где L – индуктивность катушки,

Рисунок 2.2

       - изменение индуктивности от положения  сердечника.

Конструктивно изготавливают ЭМ приборы так, чтобы  и тогда . ЭМ прибор имеет квадратичную (нелинейную) шкалу, что плохо для измерения токов (или напряжений), но удобно для измерения мощности. Диапазон рабочих частот ЭМ – (0 – 12 кГц), то есть это приборы как постоянного, так и переменного тока, но менее чувствительные и худшей точности (класс  0.1), чем МЭ. Однако эти приборы не боятся ударов, вибраций и поэтому широко используются на подвижных объектах (автомобили, самолеты).

            Электродинамические приборы (ЭД) имеют две катушки: неподвижную, формирующую магнитное поле – L₁ и внутри нее подвижную рамку – L₂ (рисунок 2.3). Если обе катушки включить последовательно, то перемещение подвижной катушки на угол α будет , где M – коэффициент взаимоиндукции катушек.

Конструктивно изменение взаимоиндукции – , поэтому .

            Рисунок 2.3

ЭД приборы квадратичные, нелинейные и работают в диапазоне (0 – 20 кГц), с классом точности до 0.1. Но чаще всего эти приборы включаются так, чтобы выводы 1 – 2 были последовательны с нагрузкой, а 3 – 4 с добавочным сопротивлением включались параллельно (рисунок 2.4). При этом L₁ носит название токовой катушки (мотается толстым проводом, малое число витков), а L₂ – катушка напряжений.

Рисунок 2.4

Благодаря такому включению отклонение  (мощность нагрузки).

Основное использование ЭД приборов – ваттметры низких частот.

Электростатические приборы (ЭС) – это конденсатор, одна из обкладок которого перемещается на угол .  Если , то ЭС прибор превратится в высокоточный киловольтметр постоянного тока с нелинейной шкалой, так как силы электростатического взаимодействия меньше Фарадеевских.

Все вышеперечисленные приборы ЭМП типа используются в диапазоне низких частот (или постоянного тока), что для техники связи не является актуальным. Поэтому уделим большее внимание измерению высокочастотных напряжений с помощью электронных вольтметров.