АМПЕРМЕТР

Настоящая полезная модель относится к области электроизмерительной техники, в частности, к амперметрам переменного тока, основанным на преобразовании измеряемого переменного тока в постоянный ток с помощью выпрямителя и последующим его измерением прибором постоянного тока.
Известны амперметры выпрямительной системы, содержащие трансформатор тока, первичная обмотка которого служит входом амперметра, а во вторичную обмотку включен амперметр (миллиамперметр) электромагнитной системы, см. например, Алукер Ш.М., Электроизмерительные приборы, М. Высшая школа, 1976, с.115-116, рис.77.
Преимущества таких амперметров состоят в том, что они позволяют измерять большие токи (десятки и сотни килоампер), а недостатки заключаются в нелинейной шкале, а также в том, что приборы электромагнитной системы имеют зону нечувствительности на начальном участке шкалы, т.е. такие приборы позволяют измерять токи в диапазоне от 20 до 100% шкалы.
Для получения линейной шкалы применяют приборы выпрямительной системы, которые содержат трансформатор тока, первичная обмотка которого служит входом амперметра, вторичная обмотка нагружена на резистор. К резистору через дополнительное сопротивление подключена одна диагональ выпрямительного моста, а во вторую диагональ моста включен амперметр (миллиамперметр) магнитоэлектрической системы, см. например, Шкурин Г.П., Справочник по новым электроизмерительным приборам, М. Военное издательство Министерства обороны СССР, 1964, с.305-306, рис.381.
Такие амперметры позволяют измерять большие токи и не имеют зоны нечувствительности в начальном участке шкалы.
Недостатки этих приборов состоят в том, что они имеют погрешность порядка 2.5-4%, что объясняется нелинейностью и температурной нестабильностью характеристик полупроводниковых диодов, применяемых в выпрямительных мостах.
Для уменьшения температурной погрешности используют термозависимые элементы, включаемые либо последовательно с выпрямительным мостом, либо параллельно мосту, либо включают последовательно с измерительным прибором (микроамперметром) сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом (Таранюк В.А., Переносные многопредельные комбинированные приборы. М., "Энергия", 1970, с.25-27, рис.16).
Известные способы компенсации температурной погрешности таких схем уменьшают ее до уровня порядка 1.5-2.0% на 10°С, что не всегда приемлемо.
Наиболее близким к заявленному является амперметр, содержащий трансформатор тока с несколькими первичными обмотками (по числу пределов измерения), нагрузочный резистор, включенный параллельно вторичной обмотке трансформатора тока, выпрямитель, вход которого через переключатель пределов измерения и дополнительное сопротивление подключен к нагрузочному резистору, а к выходу выпрямителя подключен амперметр (миллиамперметр) магнитоэлектрической системы - см. Шкурин Г.П., Справочник по электроизмерительным и радиоизмерительным приборам, М., Военное издательство Министерства обороны СССР, 1956, с.310-312, рис.221.
Достоинства прототипа состоят в том, что у него отсутствует зона нечувствительности на начальном участке шкалы, а также имеется возможность расширять динамический диапазон измеряемых токов за счет переключения пределов измерения.
Недостатки прототипа состоят в недостаточной точности измерения и в низкой температурной стабильности. Эти недостатки объясняются тем, что в прототипе ток вторичной обмотки трансформатора тока преобразуется в напряжение (с помощью резистора, подключенного к вторичной обмотке трансформатора), а затем полученное напряжение измеряется выпрямительным милливольтметром (дополнительное сопротивление, выпрямитель и миллиамперметр магнитоэлектрической системы образуют выпрямительный милливольтметр). В таком режиме работы погрешность измерения зависит от нелинейности вольтамперных характеристик полупроводниковых выпрямительных диодов, а температурная погрешность зависит от температурной нестабильности вольтамперных характеристик полупроводниковых выпрямительных диодов.
Целью настоящего технического решения является повышение точности измерения амперметра, а также уменьшение его температурной погрешности.
Поставленная цель достигается тем, что амперметр переменного, содержащий трансформатор тока, вход которого служит входом амперметра, выпрямитель, переключатель пределов измерения на N-положений (где N - число пределов измерения амперметра), нагрузочный резистор и измерительный прибор, дополнительно снабжен ограничителем напряжения и N-1 дополнительными нагрузочными резисторами.
В предложенном амперметре измерительный прибор выполнен в виде вольтметра постоянного тока с N-входами. Вторичная обмотка трансформатора тока соединена с входом выпрямителя, выход которого подключен к входу переключателя, выходы переключателя соединены с соответствующими нагрузочными резисторами и с соответствующими входами вольтметра постоянного тока, к выходу выпрямителя подключен ограничитель напряжения.
Предложенное выполнение амперметра позволяет повысить точность измерения переменного тока за счет подключения выпрямителя непосредственно к вторичной обмотке трансформатора тока, чем обеспечивается работа полупроводниковых диодов выпрямителя в режиме заданного тока, что увеличивает линейность характеристики амперметра и повышает его температурную стабильность.
Применение в качестве измерительного прибора вольтметра постоянного тока (взамен вольтметра переменного тока в прототипе) также повышает точность работы амперметра, так как вольтметры постоянного тока всегда более точны в сравнении с миллиамперметром постоянного тока с выпрямителем на входе.
Введение ограничителя напряжения, включенного на выходе выпрямителя, обеспечивает работоспособность амперметра, так как ограничитель предохраняет полупроводниковые диоды выпрямителя, а также трансформатор тока от повреждения в случае возникновения выбросов напряжения и тока в различного рода переходных режимах работы, в частности, при переключении переключателя из одного положения в другое.
На фиг.1 показан пример реализации предложенного амперметра с двумя пределами измерения.
Амперметр содержит (см. фиг.1) трансформатор тока 1, выпрямитель 2, ограничитель напряжения 3, переключатель 4 пределов измерения, нагрузочные резисторы 5 и 6, вольтметр 7 постоянного тока.
Первичная обмотка 8 трансформатора тока 1 служит входом амперметра (клеммы 9 и 10), вторичная обмотка 11 трансформатора тока 1 соединена с входом выпрямителя 2, выход которого подключен к входу переключателя 4. Кроме того, выход выпрямителя 2 подключен к ограничителю напряжения 3.
Выходы переключателя 4 соединены соответственно с нагрузочными резисторами 5 и 6 и с входами вольтметра 7, т.е. первый выход переключателя 4 соединен с нагрузочным резистором 5 и с первым входом вольтметра 7, второй выход переключателя 4 соединен с нагрузочным резистором бис вторым входом вольтметра 7 (в общем случае при выполнении амперметра с N пределами измерения - выход N переключателя 4 соединен с нагрузочным резистором N и с входом N вольтметра 7).
Трансформатор тока 1 выполнен в виде стандартного измерительного трансформатора тока, например, в виде тороидального сердечника, на котором намотаны первичная обмотка 8 и вторичная обмотка 11.
Выпрямитель 2 выполнен по одной из стандартных схем на полупроводниковых диодах, например, в виде мостового выпрямителя.
Ограничитель напряжения 3 может быть выполнен в виде последовательно соединенных полупроводниковых диодов, включенных в прямом направлении по отношению к полярности выходного тока выпрямителя 2. Количество диодов в ограничителе 3 определяет величину порога ограничения напряжения на выходе выпрямителя 2 (и на выходе трансформатора тока 1). Ограничитель напряжения 3 может быть выполнен также в виде стабилитрона, включенного обратном направлении относительно полярности выходного сигнала выпрямителя 2.
Кроме того, ограничитель напряжения 3 может быть выполнен в виде варистора, сопротивление которого резко изменяется при превышении напряжением порогового значения.
В качестве переключателя 4 пределов измерения может быть использован стандартный переключатель галетного типа или стандартный переключатель клавишного (кнопочного) типа. При этом общий контакт переключателя служит его входом, а изолированные друг от друга контакты - его выходами. Количество положений переключателя 4 и количество его выходных контактов определяется количеством пределов измерения амперметра. В общем случае переключатель имеет N-положений и соответственно N-выходов, где N - число пределов измерения амперметра
Нагрузочные резисторы 5 и 6 представляют собой стандартные резисторы, например, типа С2-29. Количество нагрузочных резисторов равно количеству пределов измерения амперметра и количеству выходных контактов переключателя 4, т.е. в общем случае количество нагрузочных резисторов равно N.
Вольтметр 7 постоянного тока может быть выполнен в виде измерительного прибора 12 магнитоэлектрического типа (миллиамперметра, микроамперметра) постоянного тока и резисторов 13, 14, одни из выводов которых подключены к первому входу измерительного прибора 12, а вторые выводы этих резисторов служат входами вольтметра 7. Второй вход измерительного прибора 12 соединен с общей шиной амперметра. В общем случае число входов вольтметра 7 равно N.
Вольтметр 7 может быть выполнен также в виде цифрового измерительного прибора (милливольтметра) постоянного тока интегрирующего типа, который по принципу действия реагирует на среднее значение измеряемого сигнала.
Амперметр работает следующим образом. Измеряемый переменный ток подается на клеммы 9 и 10 трансформатора тока 1, т.е. на первичную обмотку трансформатора тока. Ток вторичной обмотки трансформатора тока 1, уменьшенный соответственно коэффициенту трансформации, поступает на выпрямитель 2, с выхода выпрямителя 2 через переключатель 4 постоянный ток проходит на один из резисторов 5 или 6 (в зависимости от того, в каком положении находится переключатель 4). Падение напряжения на резисторе 5 (или 6) приложено к одному из входов вольтметра 7 постоянного тока. Для того чтобы показания вольтметра 7 соответствовали величине измеряемого тока, производится калибровка амперметра, которая может выполняться изменением номинальных сопротивлений резисторов 5, 6 и 13, 14.
Ограничитель напряжения 3 в установившемся режиме не принимает участия в функционировании амперметра, для чего порог ограничения выбирается выше, чем напряжение на выходе выпрямителя 2 при максимальном значении измеряемого тока. Это осуществляется либо выбором числа диодов в ограничителе 3 (при выполнении ограничителя в виде последовательно включенных диодов), либо выбором напряжения пробоя стабилитрона (в случае выполнения ограничителя в виде полупроводникового стабилитрона), либо выбором соответствующего варистора, номинальное напряжение срабатывания которого выше, чем напряжение на выходе выпрямителя 2 (в случае выполнения ограничителя в виде варистора).
При переключении, переключателя 4 из одного положения в другое происходит кратковременный разрыв цепи между выходом выпрямителя и одним из резисторов 5 или 6. В момент разрыва этой цепи во вторичной обмотке 11 трансформатора тока может возникнуть кратковременный бросок напряжения, при этом срабатывает ограничитель напряжения, через который начинает протекать ток.
Поэтому амплитуда броска напряжения не превышает порога срабатывания ограничителя напряжения 3. Этим обеспечивается защита трансформатора тока и выпрямителя от нежелательных перенапряжений в переходных режимах.
Предложенное выполнение амперметра позволяет повысить точность измерения переменного тока за счет подключения выпрямителя непосредственно к вторичной обмотке трансформатора тока, чем обеспечивается работа полупроводниковых диодов выпрямителя в режиме заданного тока, что увеличивает линейность характеристики амперметра.
Применение в качестве измерительного прибора вольтметра постоянного тока (взамен вольтметра переменного тока в прототипе) также повышает точность работы амперметра, так как вольтметры постоянного тока всегда более точны в сравнении с микроамперметром постоянного тока с выпрямителем на входе.
Работа выпрямителя в режиме заданного тока, а также применение измерительного прибора в виде вольтметра постоянного тока, обеспечивает снижение температурной погрешности предложенного амперметра.
Введение ограничителя напряжения, включенного на выходе выпрямителя, обеспечивает работоспособность амперметра, так как ограничитель предохраняет полупроводниковые диоды выпрямителя, а также трансформатор тока от повреждения в случае возникновения выбросов напряжения и тока в различного рода переходных режимах работы, в частности, при переключении переключателя из одного положения в другое.
Дополнительным преимуществом предложенного амперметра является также то, в нем трансформатор тока имеет только одну первичную обмотку, т.е. один вход, поэтому при переключении с одного предела измерения на другой нет необходимости производить переключения в цепи измеряемого тока. Это особенно важно при измерении токов в высоковольтных цепях, а также при измерении больших токов (порядка сотен и тысяч ампер). В прототипе же число первичных обмоток равно числу пределов измерения, поэтому при переходе от одного предела измерения к другому необходимо отключить источник измеряемого тока, затем производить переключение в цепи первичных обмоток, после чего необходимо включить источник тока и производить измерение.
Известные амперметры выпрямительной системы обеспечивают погрешность измерения порядка 1.5%, температурная погрешность таких приборов составляет 1.5%/10°С.
Реализованный по предложенной схеме амперметр имеет погрешность измерения менее 0.1%, температурную погрешность менее 0.1%/10°С.