Энергия электрического поля . При движении подвижной пластины емкость С между ними изменяется. Формула вращающего момента будет иметь вид

и отклонение указателя

. (19)

Противодействующий момент создается спиральной пружиной (рис.12, а) или весом подвижной пластины (рис.12, б). Из уравнения (19) следует, что электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.

К достоинствам электростатических приборов относятся: большие пределы напряжений (до 1МВ); широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30Мгц). Недостатки: малая чувствительность; малая надежность; нелинейность шкалы; влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля.

Электростатические приборы выполняются в виде щитовых и переносных вольтметров и киловольтметров для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 20 Гц до 30 МГц.

2.6 Термоэлектрические приборы

Приборы с термопреобразованием предназначены для работы в цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя магнитоэлектрического милли – или микроамперметра (рис.13, а).

Преобразователь (рис.13, б) представляет собой нагреватель 1, по которому протекает измеряемый ток I , и связанную с ним термопару. Во время измерения температура места соединения нагревателя и термопары приобретают значение Т₁ , а свободные концы термопары имеют температуру окружающего пространства T₂ . Разность температур вызывает термоЭДС , где а – коэффициент пропорциональности, зависящий от материала термопары и ее конструкции. В установившемся состоянии вследствие тепловой инерции температура нагревателя T₁ постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью. Запишем такое выражение , где k – коэффициент теплоотдачи. Исключив разность температур из выражения и выражения для термоЭДС, запишем

,

где -- коэффициент пропорциональности; R_н – сопротивление нагревателя; I – среднеквадратичное значение измеряемого тока.

Нагреватель включают последовательно в разрыв измеряемой цепи, а возникающую термоЭДС измеряют микроамперметром, работающим как милливольметр. Шкалу последнего градуируют в среднеквадратических значениях измеряемого тока.

Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные (рис.13,б) и (рис.13, в) и вакуумные (рис.13, г). В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары стеклянной или керамической бусинкой, так что между ними существует только незначительная емкостная связь. Чувствительность и бесконтактного преобразователя ниже чем у контактного. В вакуумного термопреобразователя ниже, чем у контактного. В вакуумном термопреобразователе нагреватель и термопара помещены в стеклянный баллончик.

Нагреватель представляет собой тонкую проволочку из манганина или нихрома. Термопара состоит из разнородных материалов и сплавов, устойчивых при высоких температурах.

Максимальное значение измеряемого тока определяется сечением нагревателя и составляет от единиц миллиампер до десятков ампер. При необходимости измерения токов больших значений применяют трансформаторы тока. Максимальная частота измеряемого тока зависит от сечения нагревателя и его длины и при минимальных размерах достигает сотен мегагерц.

К достоинства термоэлектрических приборов следует отнести независимость показаний от формы кривой измеряемого тока; к недостаткам – малую чувствительность; неравномерность шкалы, недопустимую перегрузку.

Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно в качестве амперметров и миллиамперметров. Термоэлектрические вольтметры применяются редко вследствии малого входного сопротивления и низкой чувствительности.

2.7 Выпрямительные приборы

Для измерения тока и в цепях повышенной частоты широко применяют выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра (рис.14, а). В качестве выпрямительных элементов используются полупроводниковые (германиевые или кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентом выпрямления

где I_пр и I_об – прямой и обратный токи; R_пр и R_об – прямое и обратное сопротивление диода.

Коэффициент выпрямления зависит от частоты и значения преобразуемой электрической величины и от температуры окружающей среды. С повышением частоты часть тока ответвляется через внутреннюю емкость диода и коэффициент выпрямления уменьшается.

Выпрямительные приборы работают по схемам одно- или двухполупериодного выпрямления (рис.14, б) ток в течении положительного полупериода проходит по измерительной ветви (открыт диод Д₁ и витки катушки миллиамперметра), в течении отрицательного полупериода – по защитной ветки (диод Д₂ и резистор R ). Обе ветви идентичны, сопротивление резистора R равно сопротивлению катушки миллиамперметра R_a . Через диод Д₁ проходит пульсирующий ток i (рис.14, в), а показания миллиампертметра пропорционально постоянной составляющей тока или среднему значению I_ср . Если измеряемый ток синусоидальной формы, то

В схеме с двухполупериодного выпрямления (рис.14, г) измеряемый ток в течении положительного полупериода проходит по цепи Д₁ – миллиамперметр – Д₃ , а в течении отрицательного – Д₂ – миллиамперметр – Д₄ . Показания миллиамперметра пропорционально средневыпрямленному значению переменного тока. Для синусоидального тока (рис.14, д)

Шкалу выпрямительного прибора всегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы. Значит, все оцифрованные деления шкалы умножают на коэффициент формы : . Главными источниками погрешностей выпрямительных приборов являются: погрешность градуировки миллиамперметра; емкость диодов; изменение температуры окружающей среды; выход частоты за пределы рабочего диапазона; отклонение формы кривой измеряемого тока от синусоидальной.

Для измерения больших токов применяют приборы со схемой, представленной на рис. 15, а. Здесь резисторы R являются шунтами для каждого полупериода тока. В многопредельных амперметрах набор таких шунтов помещают внутри корпуса и переключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит из миллиамперметра и добавочного резистора R_д (рис.15, а). Добавочные резисторы располагаются внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключают их при изменении предела измерения.

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения. Снабженные источником постоянного напряжения, они могут использоваться для измерения электрического сопротивления.

Заключение.

В результате изучения курса «Метрологии и радиоизмерения» удалось усвоить основные принципы и методы измерений токов и напряжений с учетом их частоты и уметь выбрать наиболее подходящий для данных условий метод и средство измерения, выполнить измерение и оценить погрешность результата измерения.