Особенности измерения токов высоких частот

В приборах с контактными  Тп максимальная рабочая частота  понижается из-за ответвления части  измеряемого тока через цепь термопары  и ёмкость Си между измерителем  и землёй (рис. 5, а). Этот ёмкостный  ток, возрастающий с частотой, дополнительно  нагревает проводники термопары  и может привести к их перегоранию. Поэтому контактные Тп применяют  лишь со щитовыми малогабаритными измерителями, хорошо изолированными от земли. В приборах с бесконтактными Тп электрическая  связь между нагревателем и термопарой ослаблена и определяется ёмкостью не более 1 пФ, что позволяет повысить верхнюю границу их частотного диапазона.

Для устранения влияния внешних  полей термоприбор в целом  или его Тп помещается в металлический  экран (корпус), имеющий зажим для  заземления.

С течением времени основная погрешность термоприборов возрастает из-за необратимых изменений электрических  параметров термопреобразователей, имеющих  ограниченный срок службы даже в нормальных условиях эксплуатации.

Расширение  пределов измерения термомиллиамперметров

Термоприборы по традиционной схеме: термопреобразователь - магнитоэлектрический измеритель удаётся изготовить с  верхним пределом измерения не менее 1 мА. Однако, если малую термо-э.д.с, развиваемую на выходе Тп, подвергать калиброванному усилению, то создаётся  возможность измерения в широком  диапазоне частот весьма малых токов, равных примерно микроамперам. Схема  компоновки термомикроамперметра представлена на рис. 6. Такой прибор легко превратить в многопредельный микромиллиамперметр (первые три положения переключателя  В) посредством использования шунтов к нагревателю. Компенсационный  резистор Rк повышает стабильность коэффициентов шунтирования. Если усилитель  имеет достаточный запас усиления, то рационально предусмотреть достижение полного отклонения стрелки измерителя при токе через нагреватель равном, например, 10% его номинального значения. В этом случае для прибора становится безопасной даже 10-кратная перегрузка. Кроме того, использование начального участка вольт-амперной характеристики Тп приводит к квадратичной зависимости  угла отклонения стрелки измерителя от значения измеряемого тока и тем  самым устраняется влияние формы  кривой этого тока на результаты измерений.

Рис. 6. Схема компоновки термомикроамперметра - высокоомного термовольтметра

Рассмотренный принцип реализован в термомикроамперметре типа Т133 класса точности 1,5, имеющем четыре предела  измерений: 100,250,500 и 1000 мкА, первому  из которых соответствует работа без шунта. При отклонении стрелки  измерителя на всю шкалу падение  напряжения на входных зажимах составляет всего 60 мВ. В приборе использован  вакуумный бесконтактный Тп типа ТВБ-1 и фотоэлектрический усилитель  постоянного тока типа Ф117/7 с высокостабильным коэффициентом усиления. Применение на входе переключателя, повышающего  входную ёмкость до 15 пФ, и резистивных  шунтов, обладающих некоторой индуктивностью, ограничивает диапазон рабочих частот прибора значениями 20 Гц- 0,5 МГц.

Изготавливать к термоприборам  термопреобразователи или резистивные  шунты на большие номинальные  токи (более 1 А) не всегда целесообразно, поскольку с повышением предела  измерений заметно возрастает потребляемая Тп или шунтом мощность и понижается верхняя граница рабочего диапазона  частот. Поэтому в качестве измерителей  больших высокочастотных токов  часто применяют термомиллиамперметры, предел измерений которых расширяют  до требуемого значения с помощью  измерительных трансформаторов  тока.

Устройство термоамперметра  с трансформатором тока схематически показано на рис. 7. Первичной обмоткой трансформатора является провод, по которому протекает измеряемый ток I₁ например провод антенны. Однослойная вторичная обмотка равномерно намотана на тороидальном ферритовом сердечнике и замкнута на нагреватель Тп. Ток во вторичной обмотке

I₂ = I₁ωM/(R²+(ω*L)²)^0,5,

где ω = 2πf - угловая частота  тока, М - взаимоиндуктивность между  обмотками трансформатора, a R и L - активное сопротивление и индуктивность  вторичной обмотки. При частотах порядка килогерц и выше, R << ωL и первым членом знаменателя можно  пренебречь. Тогда I₂ ≈ I₁*M/L. Следовательно, между токами I₂ и I₁ существует линейная зависимость, характеризуемая коэффициентом трансформации n = I₁/I₂ ≈ L/M, который приближённо равен числу витков вторичной обмотки.

Трансформатор тока вместе с Тп часто помещают в заземляемый  электростатический экран. Особенностью последнего является отсутствие больших  замкнутых цепей для вихревых токов, поскольку он выполняется  из листового материала с рядом  воздушных зазоров или в виде сетки из проводников, имеющих электрический  контакт лишь на одном из концов. Электростатический экран ослабляет  ёмкостную связь между токонесущим  проводом и вторичной обмоткой трансформатора при сохранении между ними индуктивной  связи. Это устраняет ответвление  части измеряемого тока через  ёмкость Си между измерителем  и землёй (рис. 5, а) и повышает предельную рабочую частоту трансформатора fмаКс; значение последней ограничивается лишь индуктивностью и ёмкостью вторичной  обмотки в соответствии с формулами (1) и (2).

Термоамперметры с высокочастотными трансформаторами тока изготовляются  классов точности 2,5 и 4,0 и применяются  для измерений на частотах до сотен  мегагерц. При включении трансформатора тока в цепь пульсирующего тока (рис. 2) термоамперметр будет измерять лишь переменную составляющую его. При хорошей  изоляции по высокой частоте между  токонесущим проводом и трансформатором  прибор можно включать в высоковольтные точки исследуемой цепи, например в точке 3.

Измерительные трансформаторы тока широко применяются и на низких частотах для расширения пределов измерений  по току электромагнитных, электродинамических  и, реже, выпрямительных приборов. При  этом уменьшается потребляемая прибором мощность и падение напряжения на нем, а также создаётся возможность  измерения токов в высоковольтных цепях.

Трансформаторы тока нормально  работают в режиме, близком к короткому  замыканию вторичной обмотки. Поэтому  приборы, включаемые в цепь вторичной  обмотки, должны иметь малое внутреннее сопротивление, не превышающее единиц ом. Если разомкнуть цепь вторичной  обмотки трансформатора, то при включённой в цепь тока первичной обмотке  магнитный поток в сердечнике сильно возрастёт. Это приведёт к  чрезмерному разогреву сердечника и намагничиванию его, а также  к резкому повышению э.д.с, индуцируемой во вторичной обмотке, результатом  чего может явиться пробой изоляции. Поэтому режим холостого хода опасен как для трансформатора, так  и для оператора, работающего  с ним. Для обеспечения безопасности работы с трансформатором тока его  корпус (экран) и один из зажимов  вторичной обмотки заземляют.

Рис. 7. Схема термоамперметра  с измерительным трансформатором  тока

Из-за наличия потерь в  сердечнике и обмотках трансформатора тока его коэффициент трансформации  п не является строго постоянным, а  зависит от силы и частоты измеряемого  тока. Вызываемую этим погрешность  измерений можно уменьшить улучшением качества материала сердечника, который  должен иметь высокую магнитную  проницаемость и малые потери на гистерезис и вихревые токи. Низкочастотные трансформаторы тока высоких классов  точности имеют сердечники из сплавов типа пермаллой. Сердечники высокочастотных трансформаторов тока изготовляют из магнитодиэлектриков.

Рис. 8. Схема термоамперметра  с ёмкостным шунтом

Верхний предел измерений  термоприбора можно повысить и более  простым способом - с помощью ёмкостного шунта, состоящего из двух конденсаторов, включаемых по схеме на рис. 8. Если ёмкостные  сопротивления конденсаторов во всем рабочем диапазоне частот значительно  превышают полное внутреннее сопротивление  термомиллиамперметра mА, то коэффициент  шунтирования будет определяться формулой

N = I_x/I₁ = (C₁ + C₂)/C₁

и градуировочная характеристика прибора практически не будет  зависеть от частоты.

Ёмкостный шунт не потребляет мощности от исследуемой цепи, но он заметно увеличивает падение  напряжения на измерительном устройстве. Кроме того, его нельзя использовать в цепях с пульсирующим током.

Термоэлектрические  вольтметры

Любой термоэлектрический миллиамперметр может быть применён в качестве милливольтметра  постоянного и переменного тока с пределом измерения (примерно десятые  доли вольта), равным падению напряжения на нагревателе при отклонении стрелки  измерителя до конца шкалы. Для повышения  верхнего предела измеряемых напряжений последовательно с нагревателем включают добавочный резистор Rд (рис. 3, б). При использовании нескольких переключаемых резисторов вольтметр  становится многопредельным.

Поскольку наиболее чувствительные термоприборы (с вакуумными Тп) имеют  ток полного отклонения не менее 1 мА, то относительное входное сопротивление  обычных термовольтметров не превышает 300-1000 Ом/В. Если же в качестве базы использовать термомикроамперметр с усилителем постоянного тока (рис. 6), имеющий, например, ток полного отклонения 100 мкА, то многопредельный вольтметр (образуемый в положениях 4-6 переключателя В) будет обладать относительным входным сопротивлением 10 кОм/В. Данный принцип реализован, в частности, в термоприборах типов Т131, Т132, Т140, Т141.

Верхняя граница частотной  применимости термовольтметров в основном ограничивается реактивными параметрами  добавочных резисторов Rд. Чем больше сопротивление резистора Rд, тем  труднее выполнить его безындукционным  и безъёмкостным. Довольно стабильно  на высоких частотах работают углеродистые резисторы типов БЛП, УЛИ, ВС. Вольтметры, у которых сопротивление Rд не превышает нескольких килоом, удаётся  применять при частотах измеряемых напряжений до 20-40 МГц; при больших  значениях Rд предельная рабочая  частота снижается до 1 МГц и  менее.

Рис. 9. Схема измерения  напряжения СВЧ термовольтметром с  четвертьволновой линией

Термовольтметрами измеряют напряжения в несимметричных цепях, один полюс которых имеет по высокой  частоте потенциал земли или  близок к нему; при этом их включают так, чтобы нагреватель оказался присоединённым к точке наименьшего  потенциала (рис. 2). К цепям пульсирующего  напряжения термовольтметры подключают через разделительные конденсаторы (С2).

В метровом и дециметровом диапазонах волн вольтметром с относительно высоким входным сопротивлением, достигающим десятков или сотен  килоом, может служить обычный  термомиллиамперметр соответствующего диапазона частот, присоединённый к  исследуемому участку цепи посредством  четвертьволновой линии (рис. 9). Входное  сопротивление такого вольтметра (между  точками а и б)

Rв ≈ ρ²/Rма»

где ρ - волновое сопротивление  четвертьволновой линии, а Rма - внутреннее сопротивление термомиллиамперметра, определяемое активным сопротивлением его нагревателя. При токе полного  отклонения термомиллиамперметра Iп  верхний предел измеряемых напряжений

Uп = Iи*ρ.

Кроме измерения напряжений и токов, термоэлектрические приборы  применяются и для непосредственного  измерения электрической мощности в широком диапазоне низких и  высоких частот.

Особенности градуировки термоэлектрических приборов

Термоприборы по принципу своего действия пригодны для измерения  как переменных, так и постоянных токов и напряжений. Однако для  последней цели применять их нецелесообразно.

Температура нагрева горячего спая термопары, а следовательно, и  термо-э.д.с, примерно пропорциональна  квадрату среднеквадратического значения тока, протекающего по нагревателю. Поэтому  у термоприборов шкала имеет  квадратичный характер, а диапазон измерений ограничивается областью показаний от 20-30 до 100% верхнего предела  измерений. Отсчёт по этой шкале, производимый в среднеквадратических значениях  измеряемой электрической величины, остаётся примерно справедливым при  любой форме её кривой. Следует, однако, учитывать, что достаточно строгая  квадратичная зависимость между  измеряемым током и углом отклонения стрелки измерителя имеет место  лишь в первой половине шкалы, к концу  шкалы эта зависимость приближается к линейной из-за возрастания потерь тепла нагревателем в окружающую среду.