Главная » Архивы » Методы измерения больших токов и напряжений. Измерение токов, напряжений и сопротивлений

Методы измерения больших токов и напряжений. Измерение токов, напряжений и сопротивлений

Страница 5 из 19

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ, МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
Напряжение и ток в цепях постоянного тока измеряют приборами магнитоэлектрической системы. Чтобы стрелка таких приборов отклонялась в нужную сторону, ток от положительного полюса источника питания должен попадать на зажим «+» амперметра. Простейшим способом измерения постоянного тока является непосредственное прямое включение амперметра (рис. 10, а) При этом необходимо соблюдать три условия: предел измерения амперметра должен быть больше или равен максимальному рабочему току цепи lu>IVmax испытательное напряжение амперметра должно быть больше напряжения сети Ua > Uс:, сопротивление амперметра должно быть больше сопротивления приемника RA > Rnp.
Для расширения пределов измерения постоянного тока применяют измерительные шунты, которые характеризуются номинальным первичным током /ш, падением напряжения AUm, создаваемым между их измерительными зажимами при этом токе, и классом точности. Стандартные токоизмерительные шунты рассчитаны на падение напряжения 45 и 75 мВ. Схема подключения милливольтметра показана на рис. 10, б. Чем меньше номинальный ток шунта, тем больше его внутреннее сопротивление. При подключении нескольких приборов параллельно шунту может возникнуть погрешность, превышающая допустимую для его класса точности. Поэтому при токах шунта в несколько десятков ампер к нему подключают один измерительный прибор.

Напряжение в цепях постоянного тока может измеряться приборами различных систем. При использовании вольтметров PV магнитоэлектрической системы следует соблюдать полярность включения (рис. 11, а).
Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные резисторы (рис. II, б). В этом случае предел измерения

Рис 11. Схемы включения вольтметров в цепи постоянного тока:

а - непосредственное включение, б - с добавочным резистором
где UPVx - расширенный предел вольтметра; R, - сопротивление добавочного резистора; K - коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения прибора при использовании добавочного резистора.
Выпускаются различные шунты и добавочные резисторы для расширения пределов измерения приборов постоянного тока.
Переменные напряжение и ток можно измерять приборами любой системы, за исключением магнитоэлектрической. При измерении больших токов в низковольтных установках, а также напряжений и токов в высоковольтных установках применяют приборы электромагнитной системы, включаемые через специальные трансформаторы тока и напряжения. В практике наладочных работ используют различные измерительные трансформаторы, при этом следует помнить, что они вносят в результат измерений дополнительную погрешность. Чтобы погрешность не превышала допустимой, определенной классом точности применяемого измерительного трансформатора, его вторичную обмотку необходимо включать на номинальное сопротивление. Номинальным сопротивлением вторичной обмотки цепи трансформатора тока является то наибольшее, а трансформатора напряжения - то наименьшее сопротивление, на которое можно включить эту обмотку, не превысив погрешность выше допустимой.
Схемы включения вольтметров с добавочными резисторами в цепях постоянного тока и однофазных сетях переменного тока одинаковы (рис. 11,6). Схемы включения амперметров и вольтметров при использовании измерительных трансформаторов показаны на рис. 12, а, б.
В цепи однофазного переменного тока мощность измеряют непосредственно с помощью электродинамического ваттметра или косвенно методом амперметра и вольтметра. Схема включения приборов показана на рис. 13. Зная напряжение U, приложенное к нагрузке, силу тока /, проходящего по ней, и угол <р сдвига между током и напряжением, можно определить активную, реактивную и полную мощность:

Рис 12. Схемы включения измерительных приборов переменного тока
а - с трансформатором тока, б - с трансформатором напряжения
Р = Wcosϕ; Q = UIsinϕ; S = t//.
Угол ф или cosϕ определяют с помощью фазометра. При отсутствии фазометра полную мощность находят по показаниям вольтметра и амперметра: S = UI. С помощью ваттметра измеряют активную мощность, отсюда: cosϕ = Р/S; ф = arccosP/S\ Q = UIX X эшф.
При включении вольтметра в измеряемую цепь учитывают полярность его выводов (начала токовой обмотки и обмотки напряжения). При равномерной нагрузке мощность в трехфазной сети можно измерить одним ваттметром. Схемы измерения для трехфазной четырехпроводной и трехпроводной сетей показаны на рис. 14, а, б. Когда нулевая точка сети недоступна, создается искусственная нулевая точка, при этом сопротивления должны быть равны:

Рис 13 Схема включения приборов для измерения мощности:
R„ - резистор нагрузки, - добавочный резистор к обмотке напряжения ваттметра

Рис. 14. Схемы включения ваттметров дли измерения активной мощности
трехфазного тока а - непосредственное, б - с добавочным резистором

Рис. 15 Схемы включения двух ваттметров для измерения мощности трехфазного
тока
R\a = Rдд = Rдс. Мощность определяют суммированием показаний всех трех ваттметров.
Для измерения мощности цепи трехфазного тока чаще всего используют два ваттметра как при симметричной, так и несимметричной загрузке фаз. Три равноценных варианта включения ваттметров при измерении активной мощности показаны на рис. 15. Активную мощность определяют как сумму показаний двух ваттметров. Реактивную мощность в трехфазной цепи при равномерной загрузке всех трех фаз можно измерить с помощью одного ваттметра (рис. 16, а). Для получения полной реактивной мощности показания одного ваттметра умножают на 3. При равномерной и неравномерной нагрузке реактивную мощность в трех- и четырехпроводной сети определяют с помощью трех ваттметров (рис. 16,6):

Рис 16. Схемы измерения реактивной мощности в трехфазной сети: а - с помощью одного ваттметра, б - с помощью трех ваттметров
где РАг PBi Рс - показания ваттметров, включенных соответственно в фазы А, В, С.
Для измерения мощности в трехфазных цепях с симметричной нагрузкой используют ваттметровые токоизмерительные клещи (рис. 17). Чаще всего их применяют для определения нагрузки трехфазных двигателей М напряжением 380 и 660 В с доступной нейтралью (рис. 17). В процессе измерения охватывают клещами один из подводящих проводов, причем зажим напряжения, отмеченный звездочкой, соединяют с этим проводом, а зажим «220 В» (в цепи 660 В зажим «380 В») - с нейтралью статорной обмотки. Если показания прибора отрицательные, клещи при охвате провода следует повернуть на 180° либо поменять местами провода цепи напряжения.
В сетях переменного тока учет вырабатываемой и потребляемой электроэнергии осуществляется с помощью счетчиков индукционной системы, которые изготовляют в одно- и трехфазном исполнении.

Рис 17 Измерение мощности трехфазного двигателя с помощью ваттметровых измерительных клещей
Последние бывают двух модификаций - для трех- и четырехпроводной сети. Для учета расхода активной и реактивной энергии выпускаются специальные счетчики. Для измерения в трехфазных сетях активной энергии служат счетчики САЗ, СА4, СА4У, реактивной энергии - СРЗ, СР4, СР4У (цифра 3 в обозначении типа счетчика указывает, что он предназначен для трехпроводной сети, 4 - для четырехпроводной). Счетчики СА4У и СР4У выпускаются только для включения с измерительными трансформаторами тока и напряжения, счетчики остальных типов - для прямого включения и с трансформаторами. Для учета энергии в цепях однофазного тока используют счетчики СО. Счетчики активной энергии изготовляют классов точности 1,0; 2,0; 2,5, счетчики реактивной энергии-2,0; 2,5; 4,0. Класс точности счетчиков и измерительных трансформаторов, предназначенных для цепей коммерческого и технического учета, должен соответствовать требованиям ПУЭ.
Схемы внутренних соединений трехфазных счетчиков приведены на рис. 18.о - д. Индексами Г и Я обозначены выводы обмоток счетчиков, подключаемые соответственно к питающей стороне схемы и нагрузке.
Схемы включения трехпроводных счетчиков активной энергии типа САЗ и САЗУ и счетчиков реактивной энергии тина СРЗ и СРЗУ приведены на рис. 19, а - в, а схемы включения четырехпроводных счетчиков активной энергии СА4 и СА4У и реактивной энергии СР4 и СР4У - на рис. 20, а - г.

Рис 18 Схемы внутренних соединений трехфазных счетчиков а - активной энергии типа САЗ и САЗУ, б - реактивной энергии типа СРЗ и СРЗУ. в - активной энергии типа СА4 и СА4У. г - реактивной энергии типа СР4 и СР4У с дополнительной последовательной обмоткой, д - реактивной энергии типа СР4 И676 и СР4У-И676, /-№ номера зажимов

Рис 19 Схемы включения счетчика активной энергии типа САЗ и САЗУ и счётчика реактивной энергии типа СРЗ, СРЗУ- а - непосредственное включение, б - е трансформаторами тока, в с трансформаторами тока и напряжения

Рис 20 Схемы включения счетчика активной энергии типа СА4 и СА4У и счетчика реактивной энергии типа СР4, СР4У, СР4-И676 и СР4У-И676 а - непосредственное включение, б - с трансформаторами тока, в - с трансформаторами тока и напряжения в трехпроводной цепи, г -с трансформаторами тока и напряжения и четырехпроводной цепи (в реактивных счетчиках зажимы 10 отсутствуют)

Иногда при наладочных работах счетчики используют для измерения мощности. Рассмотрим пример определения мощности, потребляемой двигателем, с помощью трехфазного счетчика. Отсчитываем число оборотов диска за промежуток времени t (обычно достаточно 20-40 с, отсчитанных по секундомеру); нагрузка двигателя за этот промежуток не должна меняться. Если на табличке счетчика, например типа САЗУ, указано 1 кВт- ч = п оборотов диска, то мощность, кВт,

где кгт и кг„ - соответственно коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения.

Измерение силы тока (сокращено - измерение тока) полезное умение, которое не раз пригодится в жизни. Знать величину силы тока надо, когда следует определить потребляемую мощность. Для измерения тока применяется прибор под названием Амперметр.

Есть ток переменный и ток постоянный , следовательно, для их измерения применяются различные измерительные приборы. Ток всегда обозначается буквой I, а его сила измеряется в Амперах и обозначается буквой А. Например, I=2 А показывает, что сила тока в проверяемой цепи равняется 2 Амперам.

Рассмотрим подробно, как маркируются различные измерительные приборы для измерения разных видов токов.

На измерительном приборе для измерения постоянного тока перед буквой А наносится символ "-".
На измерительном приборе для измерения переменного тока, в том же месте наносится символ "~".

~А прибор для измерения переменного тока.
-А прибор для измерения постоянного тока.

Вот фотография амперметра, предназначенного для измерения постоянного тока .

Соответственно закону, сила тока протекающего в замкнутой цепи, в любой его точке равна одной и той же величине. В итоге, чтобы измерить ток, надо разъединить цепь на любом участке удобным для подсоединения измерительного прибора.

Следует помнить, что величина напряжения присутствующего в электрической цепи , не оказывает никакого влияния на измерение тока . Источником тока может быть, как и бытовая электросеть на 220 В, так и батарейка на 1,5 В и т.д.

Собираясь измерять силу тока в цепи обратите тщательное внимание, какой ток протекает в цепи, постоянный или переменный. Возьмите соответствующий измерительный прибор и если не знаете предполагаемую силу тока в цепи, поставьте переключатель измерения силы тока в максимальное положение.

Рассмотрим подробно как измерить силу тока электроприбором.

Для безопасности измерения потребляемого тока электроприборами сделаем самодельный удлинитель с двумя розетками. После сборки получим удлинитель очень похожий на стандартный магазинный удлинитель.

Но если разобрать и сравнить между собой, самодельный и магазинный удлинитель, то во внутренней структуре четко увидим отличия. Выводы внутри розеток самодельного удлинителя соединены последовательно, а в магазином соединены параллельно.

На фотографии прекрасно видно, что верхние выводы соединены между собой проводом желтого цвета, а на нижние клеммы розеток подается сетевое напряжение.

Теперь приступаем к измерению тока, для этого вставляем в одну из розеток вилку электроприбора, а в другую розетку, щупы амперметры. Перед измерением тока , не забываем прочитанную информацию про то, как надо правильно и безопасно измерять ток.

Теперь рассмотрим как правильно интерпретировать показания стрелочного амперметра. При измерении потребляемого тока прибора стрелка амперметра остановилась на делении 50, переключатель был установлен на максимальный предел измерения в 3 Ампера. Шкала моего амперметра имеет 100 делений. Значит, легко определить измеренную силу тока по формуле (3/100) Х 50=1,5 Ампера.

Формула расчета мощности прибора по потребляемой силе тока.

Обладая данными о размере силы тока потребляемым любым электроприбором (телевизор, холодильник, утюг, сварка и т.д.), можно с легкостью определить, какая у этого электроприбора потребляемая мощность. В мире существует физическая закономерность, которому всегда подчиняется электричество. Первооткрыватели этой закономерности Эмиль Ленц и Джеймс Джоуль и в честь них, она теперь называется Закон Джоуля - Ленца.

I - сила тока, измеряемая в Амперах (А);
U - напряжение, измеряемое в Вольтах (В);
P - мощность, измеряемая в Ваттах (Вт).

Проведем один из расчетов тока.

Измерил ток потребления холодильника и он равняется 7 Амперам. Напряжение в сети равно 220 В. Следовательно, потребляемая мощность холодильника равняется 220 В Х 7 А=1540 Вт.

ЛЕКЦИЯ 11.

Измерение параметров сигналов электрических цепей.

Методы измерения напряжения и тока.

Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот и импульсных цепях.

В цепях постоянного тока наиболее высокая точность измерений, в цепях переменного тока она понижается с повышением частоты; здесь кроме оценки среднеквадратического, средневыпрямленного и максимального значений иногда требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжения.

Измерители тока и напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю готовность к работе и высокую надежность.

Выбор приборов, выполняющих измерения тока и напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых:

род измеряемого тока;

примерные диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон;

форма кривой измеряемого напряжения (тока);

мощность цепи, в которой осуществляется измерение;

мощность потребления прибора;

возможная погрешность измерения.

Измерение напряжения выполняют методами непосредственной оценки и сравнения.

Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжение с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения, в частности, на методе противопоставления.

Измерение тока возможно прямое – методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами и косвенное. При этом напряжение измеряется на резисторе с известным сопротивлением. Для исследования формы и определения мгновенных значений напряжения и тока применяют осциллографы.

Измерение напряжения в цепях постоянного тока.

Метод непосредственной оценки.

При использовании данного метода вольтметр подключают параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которогоЕ и внутреннее сопротивлениеR 0 , вольтметр включают параллельно нагрузке (рис. 11.1.).

Если внутреннее сопротивление вольтметра R V , то относительная погрешность измерения напряжения

где U – действительное значение напряжения на нагрузке R до включения вольтметра; U x – измеренное значение напряжения на нагрузке R .

Отношение сопротивления R / R V обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра P V к мощности цепи Р , поэтому

Для уменьшения погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико (R V

).

Напряжение в цепях постоянного тока можно измерить любым измерителем напряжения, работающим на постоянном токе (аналоговыми магнитоэлектрическим, электродинамическим, электромагнитным, электростатическим, аналоговым и цифровым электронными вольтметрами). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измерения мощный, используют электромеханические вольтметры и мощность потребления ими не учитывается; если же объект измерения маломощный, то мощность потребления нужно учитывать либо использовать электронные вольтметры.

Методы сравнения.

Компенсационный метод (метод противопоставления) обеспечивает высокую точность измерения. Это метод сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсаторами или потенциометрами .

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям нуль-индикатора.

Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рис. 11.2. Схема содержит источник образцовой ЭДС Е 0 , образцовый резистор R 0 , вспомогательный источник питания Е всп, переменный резистор R K , регулировочный реостат R р и нуль-индикатор. Нуль-индикатором служит обычно гальванометр с нулем по середине шкалы. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент – изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20 о С известно с точностью до пятого знака и равно Е н = 1.0186 В . Образцовый резистор представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением.

Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: установления рабочего тока и уравновешивания измеряемого напряжения. Для установления рабочего тока переключатель П ставят в положение 1 и, регулируя сопротивление R р, добиваются отсутствия тока в гальванометре. Это будет иметь место в том случае, когда падение напряжения на резисторе R 0 станет равным ЭДС нормального элемента:

IR 0 = E 0 .

При этом рабочий ток в цепи R р, R 0 , R K I = E всп / (R р + R 0 + R K ).

После установки рабочего тока переключатель П устанавливается в положение 2 и, не изменяя рабочего тока, устанавливают такое значение сопротивления R K = R x , при котором измеряемое напряжение U x будет уравновешено падением напряжения IR x и ток в цепи гальванометра снова будет отсутствовать. Отсюда

Е 0 / R 0 = U x / R x и U х = (R x / R 0)E 0 .

При постоянстве значений Е 0 и R 0 шкала сопротивления R K может быть проградуирована непосредственно в единицах напряжения постоянного тока.

Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление R вх компенсатора (со стороны измеряемого напряжения) равно бесконечности, т.е. R вх = . Отсюда следует одно из основных достоинств компенсатора – отсутствие потребления мощности от объекта измерения.

Современные компенсаторы постоянного тока выпускаются классов точности от 0.0005 до 0.2. Верхний предел измерения до 1 …2.5 В. При достаточной чувствительности индикатора нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.

Компенсационные методы используются также для измерения на переменном токе.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и известным напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 11.3.

Высокоомный электронный вольтметр V 1 с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым U x и известным U к напряжениями. Аналоговый магнитоэлектрический или цифровой вольтметр V 2 используется для измерения напряжения U к. Рекомендуется при U к =0 измерить вольтметром V 1 ориентировочное значение U x , а уж затем установить по вольтметру V 2 удобное для отсчета напряжение U к. Измеряемое напряжение U x при указанной полярности включения вольтметра V 1 определяется как U x = U к + U .

При измерении напряжений в высокоомных цепях входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим. Дифференциальный метод измерения позволяет увеличить входное сопротивление схемы до необходимых значений, которые определяются из следующей формулы:

Чем <

, тем>

.

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего U к.

Для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10 -8 В ) используют гальванометрические компенсаторы.

Измерение постоянного тока.

Прямое измерение тока. Амперметр включается последовательно в разрыв исследуемой цепи.

Последовательное включение амперметра с внутренним сопротивлением R A в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) приводит к возрастанию общего сопротивления и уменьшению протекающего в цепи тока. Относительная погрешность  I измерения тока I x определяется как

где I – действительное значение тока в цепи до включения амперметра; I x - измеренное значение тока в цепи R .

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощностей Р А и Р потребления соответственно амперметра и самой цепи:

 I = - (Р А / P ) / (1+ Р А / P ).

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра Р А по сравнению с мощностью потребления цепи Р , в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т.е. R A

0.

Диапазон значений постоянных токов, с измерением которых приходится встречаться в различных областях, чрезвычайно велик (от токов 10 -17 А до десятков и сотен тысяч ампер). Поэтому, естественно, методы и средства измерения их различны.

Измерение постоянного тока можно выполнить любым измерителем постоянного тока: аналоговыми магнитоэлектрическими, электродинамическими; аналоговыми и цифровыми электронными амперметрами. При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших тока полного отклонения I и магнитоэлектрического измерителя, этот измеритель принимают совместно с УПТ.

Токи 10 -9 –10 -6 А можно измерить непосредственно с помощью высокочувствительных магнитоэлектрических зеркальных гальванометров и гальванометрических компенсаторов.

Косвенное измерение тока.

Кроме прямого измерения тока амперметрами возможно косвенное измерение токов с помощью резисторов с известным сопротивлением R 0 , включаемых в разрыв цепи, и высокочувствительных измерителей напряжения. Измеряемый ток определяется как I x = U 0 / R 0 , где U 0 –падение напряжения на резисторе R 0 , измеренное вольтметром либо компенсатором постоянного тока.

Для получения минимальных погрешностей измерения тока сопротивление резистора R 0 должно быть много меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток.

Косвенный способ реализован в электронных аналоговых и цифровых измерителях тока.

Измерение напряжения и тока промышленной частоты .

Измерение напряжения и тока промышленной частоты можно выполнить любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц. Когда объект измерения мощный, то измерения выполняют электромагнитными и электродинамическими вольтметрами и амперметрами.

Для измерения напряжений промышленной частоты в таких цепях, в которых включение обычного прибора непосредственной оценки может нарушить режим этой цепи вследствие потребления мощности и тем самым исказить результаты измерений, применяют компенсаторы переменного тока . Чтобы уравновесить измеряемое напряжение

компенсирующим напряжением

, необходимо выполнение следующих условий: равенство напряжений U x и U к по модулю; противоположность их фаз ( х -  к = 180 о); равенство частот; одинаковая форма измеряемого и компенсирующего напряжений. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока.

Измерение тока и напряжения в трехфазных системах .

В трехфазных системах ток и напряжение измеряют теми же приборами, что и в однофазных. В симметричной трехфазной системе для контроля линейных токов и напряжений можно использовать один амперметр или вольтметр. В несимметричных системах для контроля линейных напряжений часто применяют один вольтметр с переключателем.

При измерении линейных токов в трехпроводных системах и для изоляции приборов от высоковольтных участков цепи применяют схему с двумя трансформаторами тока (рис. 11.4).

Рис.11.4. Схема включения амперметров для измерения линейных токов в трехфазных

системах.

Использование такой схемы возможно вследствие свойств трехфазных систем, так как

. Поэтому амперметр можно включить в линию С без трансформатора тока. В этом случае три амперметра включают через два трансформатора. Аналогичные предпосылки при измерении линейных напряжений [в данном случае

] дают возможность использовать для включения три вольтметра через два измерительных трансформатора напряжения (рис. 11.5).

Применение этих схем включения приборов возможно при условии использования трансформаторов с одинаковыми параметрами (в том числе и с одинаковыми знаками погрешностей). Если такое условие не соблюдается, возникают дополнительные погрешности измерений. В том и другом случае значения тока и напряжений определяют произведением показаний приборов на коэффициент трансформации.

Рис.11.5. Схема включения вольтметров для измерения линейных

напряжений в трехфазных системах.

При измерении фазных токов в трехфазных системах для преобразования токов и разделения цепей высокого и низкого напряжений используют три трансформатора тока. Для подключения вольтметров при измерении фазных напряжений в таких системах применяют также три трансформатора напряжения.

Методы измерения мощности.

Измерение мощности осуществляется в процессе эксплуатации различной измерительной и электротехнической аппаратуры. Диапазон измеряемых мощностей 10 -16 – 10 +9 Вт в цепях постоянного и переменного токов высокой частоты.

Методы измерения существенно отличаются друг от друга в зависимости от параметров цепи, в которой производится измерение мощности, предела изменения мощности и частотного диапазона.

Измерение мощности в цепях постоянного тока.

Мощность в цепях постоянного тока можно определить косвенным путем по показаниям вольтметра и амперметра (рис. 11.6).

При таком измерении мощности возникает значительная погрешность измерения, так как погрешности приборов суммируются и, кроме того, возникает погрешность за счет собственной мощности потребления этими приборами.

Мощность потребления нагрузки P = UI .

Мощность Р х , вычисленная по показаниям приборов (рис. 11.6, а),

P x = U V I A = U(I V + I) = UI V + UI = P V + P

P V потребления вольтметра (I V – ток в цепи вольтметра). Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра.

Мощность Р х , вычисленная по показаниям приборов (рис. 11.6, б),

P x = U V I A = (U A + U)I = U A I + UI = P A + P

больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности Р А потребления амперметра (U A – падение напряжения на амперметре). Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра. Поэтому схему, изображенную на рис. 11.6,а, применяют для измерения мощности при малых сопротивлениях нагрузки, а схему, изображенную на рис. 11.6,б – при больших сопротивлениях.

Если известны входные сопротивления приборов, то можно внести к их показаниям соответствующие поправки и уменьшить погрешность определения мощности, т.е. получить более точный результат измерения.

Несмотря на кажущуюся простоту и доступность, метод амперметра и вольтметра для измерения мощности Р на практике применяется крайне редко. Это объясняется тем, что названный метод требует одновременного отсчета показаний двух приборов и последующего вычисления Р .

Наиболее просто и с необходимой точностью измерение мощности производится непосредственно с помощью одного одноэлементного электродинамического ваттметра . Включение такого ваттметра в цепь постоянного тока необходимо осуществлять с соблюдением правильности соединения генераторных зажимов обмотки цепи тока и напряжения. На рис.11.7 показано включение ваттметра PW для измерения мощности Р .

Генераторный зажим токовой обмотки ваттметра всегда включается в сторону источника питания. Генераторный зажим обмотки напряжения, в целях уменьшения методической погрешности, может быть включен так, как это показано на рис.11.7, а или б.

Схема рис.11.7,а применяется при относительно большом значении сопротивления нагрузки R наг, а схема рис.11.7,б – при относительно малом значении сопротивления нагрузки R наг. (Сопротивление нагрузки соизмеримо с сопротивлением токовой цепи. Значение сопротивления токовой цепи всегда указывается на циферблате прибора).

В большинстве случаев применения ваттметров сопротивление нагрузки R наг относительно велико (значение сопротивления нагрузки намного больше сопротивления последовательной токовой цепи ваттметра) и, следовательно, ваттметр необходимо включать по схеме рис.11.5,а.

Совершенно очевидно, что несоблюдение правильности включения генераторного зажима любой из обмоток ваттметра приводит к изменению направления вращающего момента и выходу указателя ваттметра за пределы шкалы.

Измерение активной мощности в цепях переменного тока.

Измерение активной мощности в однофазной цепи производится одноэлементными ваттметрами. Расширение диапазонов измерения в цепях переменного тока осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Измерение мощности методом одного прибора. При использовании метода одного прибора измерение мощности осуществляется с помощью одноэлементного ваттметра. Метод применяется при измерении мощности в однофазных цепях и симметричных трехфазных цепях (комплексные сопротивления фаз одинаковы). И в том и в другом случае обмотка напряжения ваттметра включается на фазное напряжение, а обмотка тока включается в рассечку провода какой-либо фазы. На рис. 11.8 показано включение одноэлементного ваттметра в однофазную цепь переменного тока. Пренебрегая методической погрешностью, запишем показания ваттметра:

P PW = UI cos  ,

где U и I – действующие значения напряжения и тока нагрузки;  =

(U , I ).

Показание ваттметра в этом случае будет соответствовать мощности одной фазы. Для получения мощности всей трехфазной цепи необходимо показание ваттметра утроить, т.е. P = 3 P PW .

Включение неподвижной катушки ваттметра последовательно с нагрузкой возможно только при токах нагрузки 10-20 А . При больших токах нагрузки неподвижную катушку ваттметра включают через трансформатор тока (ТА ). При измерении в цепях высокого напряжения (свыше 600В ) подвижную катушку ваттметра включают не непосредственно в измерительную цепь, а через трансформатор напряжения (Т V ), а неподвижную катушку ваттметра – черезТА (независимо от значения тока нагрузки).

Значение измеряемой мощности определяют по показанию ваттметра, умноженному на произведение коэффициентов трансформации Т V и ТА :

Р х = Р Р W K U ном K I ном,

где Р х – измеренное значение активной мощности в цепи нагрузки;Р Р W – показание ваттметра;K U ном,K I ном – номинальные коэффициенты трансформации, соответственно,Т V иТА .

Измеренное значение мощности будет отличаться от действительного значением

погрешности в передаче значений напряжения и тока, а также угловых погрешностей трансформаторов. Электродинамические ваттметры изготовляют многопредельными, высоких классов точности (0.1; 0.2) с диапазоном измеряемых мощностей от десятых долей Вт до 3 – 6 кВт . При грубых измерениях в качестве щитовых приборов применяют ферродинамические ваттметры.

Следует отметить, что измерение активной мощности одноэлементными ваттметрами осуществляется только в лабораторной практике. При технических измерениях в промышленных условиях для измерения активной мощности в трехфазных трехпроводных цепях применяют двухэлементные ваттметры, а в четырехпроводных цепях – трехэлементные.

Кроме электродинамических ваттметров для измерения мощности применяются электронные выпрямительные, термоэлектрические, цифровые и др. ваттметры.

Измерение мощности методом двух приборов. Метод двух приборов используется при измерении мощности в трехфазной трехпроводной сети с помощью двух одноэлементных ваттметров. Метод дает правильные результаты независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Кроме того, метод двух приборов применяется для включения элементов двухэлементного ваттметра при измерении с помощью его мощности в трехфазной трехпроводной сети

На рис. 11.9 изображена схема включения двух одноэлементных ваттметров. Обычно токовая обмотка одного ваттметра, например, PW 1, включается в фазу А , а токовая обмотка другого ваттметра – PW 2 – в фазу С . Обмотки напряжения ваттметров включаются на линейные напряжения так, как это показано на рис. 11.9. При измерении мощности с использованием метода двух приборов общая мощность цепи равна алгебраической сумме показаний ваттметров

P = P W 1 + P W 2 ,

где P W 1 = U A В I A cos  1 ; P W 2 = U C В I С cos  2 , ( 1 - фазовый сдвиг между векторами U A В и I A ;  2 – фазовый сдвиг между векторами U C В и I С ). Или

P W 1 = U Л I Л cos (30 o -);

P W 2 = U Л I Л cos (30 o +),

где  - фазовый сдвиг между напряжением и током в фазе.

Мощность любой 3-х фазной системы вычисляется по формуле:

Таким образом, сумма показаний ваттметров PW 1 и PW 2 есть не что иное, как мощность трехфазной цепи.

Измерение мощности методом трех приборов. Метод трех приборов применяется при измерении мощности в трехфазной четырехпроводной цепи (при этом используются три одноэлементных ваттметра, включаемые в каждую фазу). Так же как и метод двух приборов, метод трех приборов дает правильные результаты независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. По схеме, реализующей метод трех приборов, включаются также элементы трехэлементных трехфазных ваттметров. Очевидно, что для нахождения мощности 3-х фазной четырехпроводной цепи необходимо взять алгебраическую сумму всех ваттметров.

ЛЕКЦИЯ 11.

Измерение параметров сигналов электрических цепей.

Методы измерения напряжения и тока.

род измеряемого тока;

примерные диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон;

форма кривой измеряемого напряжения (тока);

мощность цепи, в которой осуществляется измерение;

мощность потребления прибора;

возможная погрешность измерения.

Измерение напряжения выполняют методами непосредственной оценки и сравнения.

Измерение напряжения в цепях постоянного тока.

Метод непосредственной оценки.

Если внутреннее сопротивление вольтметра R V , то относительная погрешность измерения напряжения

Методы сравнения.

IR 0 = E 0 .

При этом рабочий ток в цепи R р, R 0 , R K I = E всп / (R р + R 0 + R K ).

Е 0 / R 0 = U x / R x и U х = (R x / R 0)E 0 .

Компенсационные методы используются также для измерения на переменном токе.

Чем <

, тем>

.

Для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10 -8 В ) используют гальванометрические компенсаторы.

Измерение постоянного тока.

Прямое измерение тока. Амперметр включается последовательно в разрыв исследуемой цепи.

где I – действительное значение тока в цепи до включения амперметра; I x - измеренное значение тока в цепи R .

 I = - (Р А / P ) / (1+ Р А / P ).

Косвенное измерение тока.

Косвенный способ реализован в электронных аналоговых и цифровых измерителях тока.

Измерение напряжения и тока промышленной частоты .

Измерение тока и напряжения в трехфазных системах .

Рис.11.4. Схема включения амперметров для измерения линейных токов в трехфазных

системах.

Рис.11.5. Схема включения вольтметров для измерения линейных

напряжений в трехфазных системах.

Методы измерения мощности.

Измерение мощности в цепях постоянного тока.

Мощность потребления нагрузки P = UI .

Мощность Р х , вычисленная по показаниям приборов (рис. 11.6, а),

P x = U V I A = U(I V + I) = UI V + UI = P V + P

Мощность Р х , вычисленная по показаниям приборов (рис. 11.6, б),

P x = U V I A = (U A + U)I = U A I + UI = P A + P

Измерение активной мощности в цепях переменного тока.

P PW = UI cos  ,

где U и I – действующие значения напряжения и тока нагрузки;  =

(U , I ).

Р х = Р Р W K U ном K I ном,

Измеренное значение мощности будет отличаться от действительного значением

P = P W 1 + P W 2 ,

P W 1 = U Л I Л cos (30 o -);

P W 2 = U Л I Л cos (30 o +),

где  - фазовый сдвиг между напряжением и током в фазе.

Мощность любой 3-х фазной системы вычисляется по формуле:

Таким образом, сумма показаний ваттметров PW 1 и PW 2 есть не что иное, как мощность трехфазной цепи.

Методика измерений в электрических цепях

Измерение постоянного и переменного напряжения

Измерение как постоянного, так и переменного напряжения может производиться непосредственно вольтметрами, рассчитанными для работы соответствующего типа напряжения. В тех случаях, когда необходимо измерить напряжение больше того, на которое рассчитан вольтметр, необходимо последовательно с ним включить добавочный резистор. Тогда часть измеряемого напряжения будет падать на добавочный резистор, а часть - на прибор. Подбирая величину сопротивления добавочного резистора, можно в широких пределах расширять возможности измерения больших напряжений. Известно сопротивление вольтметра R пp и выбран коэффициент расширения пределов расширения:

где U x - максимальное напряжение на входе схемы, подлежащее измерению; U пp - максимальные пределы измерения непосредственно вольтметром.

Величина сопротивления добавочного резистора может быть найдена по следующей формуле:

R доб = R пр (n-1)

Обычно для удобства производства отсчетов коэффициент п выбирают кратным 2, 5 или 10.

Для измерения высоких значений переменных напряжений могут быть использованы так называемые измерительные трансформаторы напряжения.

Они представляют собой понижающие трансформаторы, т. е. такие, у которых число витков вторичной обмотки W 2 , к которой подключается вольтметр, меньше числа витков W 1 первичной обмотки. Коэффициент расширения пределов измерения n = W 1 /W 2 . Схемы подключения вольтметров для измерения напряжения приведены на рис. 1.

Рис. 1.

Измерение электродвижущей силы (ЭДС)

Измерение Е имеет свои особенности. При подключении вольтметра к источнику ЭДС для ее измерения через него всегда будет проходить ток, а так как любой источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением R вн, то напряжение на таком источнике и вольтметр будет измерять величину меньшую, чем ЭДС Е.

U = E – IR вн

Если нет требований к высокой точности измерения ЭДС, то для уменьшения тока можно воспользоваться вольтметром с большим внутренним сопротивлением, например электронным. В этом случае можно считать, что измеренное напряжение U ~ Е. Более точные методы измерения ЭДС связаны с использованием компенсационных схем (рис. 2).

Рис. 2.

В них напряжение, измеряемое вольтметром PV, снимаемое с переменного резистора R, сравнивается с напряжением на источнике ЭДС.

Изменяя напряжение на выходе переменного резистора (потенциометра), можно добиться такого условия, когда измерительный прибор Р покажет отсутствие тока через источник ЭДС. В этом случае показания вольтметра будут точно соответствовать величине ЭДС источника, т. е. U = Е.

Измерение тока

Можно производить измерение тока непосредственно амперметром, включенным в разрыв измеряемой цепи (рис. 3, а).

Рис. 3.

При необходимости расширить пределы измерения амперметра необходимо параллельно амперметру включить резистор (рис. 3, б), который чаще всего называют шунтом . Тогда через амперметр будет проходить только часть тока, а остальная - через шунт. Так как сопротивление амперметров обычно небольшое, то для существенного расширения пределов измерения сопротивление шунта должно быть очень небольшим. Существуют формулы для расчета сопротивления шунта, но обычно на практике приходится вручную подгонять его сопротивление, контролируя ток эталонным амперметром.

Для измерения больших переменных токов часто используют измерительные трансформаторы токов (рис. 3, в). У них первичная обмотка, включаемая в разрыв измеряемой цепи, имеет число витков W 1 меньшее, чем число витков W 2 вторичной обмотки, т. е. трансформатор является повышающим по напряжению, но по току он понижающий. Амперметр подключается к выходу вторичной обмотки трансформатора тока. Часто лабораторные трансформаторы тока вообще не имеют изготовленной заранее первичной обмотки, а в их корпусе имеется широкое сквозное отверстие, через которое сам экспериментатор наматывает необходимое число витков (рис. 3, г). Зная число витков вторичной обмотки (оно обычно указано на корпусе трансформатора тока), можно выбрать коэффициент трансформации n = W 1 /W 2 и определить измеряемый ток I х по показаниям амперметра I пр по следующей формуле:

I х = I пр /n

Совершенно по-иному производят измерение токов в электронных схемах, которые обычно спаяны, изготовлены на печатных платах; произвести какой-либо разрыв в них практически невозможно. Для измерения токов в этих случаях используют вольтметры (обычно электронные с большим внутренним сопротивлением для устранения влияния прибора на работу электронной схемы), подключая их к резисторам схемы, величины которых либо известны, либо могут быть предварительно измерены. Воспользовавшись законом Ома, можно определить силу тока:

Измерение сопротивлений

Часто при работе с электрическими установками или при наладке электронных схем необходимо производить измерение различных сопротивлений. Простейший способ измерения сопротивлений заключается в использовании двух измерительных приборов: амперметра и вольтметра. С их помощью измеряют напряжение и ток в сопротивлении R, подключенном к источнику питания, и по закону Ома находят величину искомого сопротивления:

Однако этот способ измерения сопротивлений не позволяет получить результаты измерения с высокой точностью, так как на результаты измерения оказывают влияние собственные внутренние сопротивления амперметра и вольтметра. Так, на изображенной на рис. 4, а схеме амперметр измеряет не только ток, проходящий через сопротивление, но и ток, проходящий через вольтметр, чем вносится методическая погрешность измерений.

Рис. 4. Схема для измерения сопротивлений методом амперметра и вольтметра (а) и схема омметра (б)

Этим способом производят измерение обычно в тех случаях, когда нет специальных приборов - омметров. Одна из возможных схем омметра (рис. 4, б) - последовательная. Она состоит из автономного источника питания Е, переменного резистора R и миллиамперметра магнитоэлектрического типа РА. В качестве источника питания обычно используют сухие элементы или батареи напряжением 1,4...4,5 В. Если к выводам прибора подключить сопротивление R x , величину которого необходимо определить, то по цепи пойдет ток, величина которого будет зависеть от величины сопротивления. Так как миллиамперметр измеряет этот ток, то его шкала может быть непосредственно отградуирована в омах. Шкала у такого омметра обратная, т. е. нуль находится в правой части шкалы, так как при сопротивлении на входе, равном нулю (режим короткого замыкания), через амперметр будет протекать максимальный ток. Если внешняя цепь разорвана, что соответствует бесконечно большому сопротивлению на входе, то стрелка миллиамперметра будет находиться в самой левой части шкалы, где стоит знак х. Шкала такого омметра резко нелинейная, что в какой-то мере затрудняет считывание результатов. Переменный резистор омметра служит для установки прибора на нуль перед началом работы с ним. Для этого замыкают выводы омметра накоротко и, вращая ручку переменного резистора, добиваются нулевых показаний прибора. Так как ЭДС элемента питания с течением времени за счет разряда уменьшается, такую установку нуля необходимо периодически контролировать. С помощью подобных омметров можно измерять сопротивления от нескольких омов до сотен килоомов.

Рис. 5. Схемы мегометра (а) и электрического моста (б)

Измерение больших сопротивлений до 100 МОм обычно производят с помощью мегометров (рис. 5, а). В своем классическом виде он представляет собой комбинацию автономного источника питания и измерительного прибора - логометра. Логометр - разновидность магнитоэлектрического прибора, у которого вместо одной рамки имеются две, соединенные жестко между собой под некоторым утлом. Так же, как и в обычном магнитоэлектрическом приборе, с ними связана стрелка прибора и находятся они в магнитном поле постоянного магнита. При пропускании тока через обмотки рамок они создают вращающие моменты противоположных знаков, в результате чего положение стрелки будет зависеть от отношения токов в рамках. В цепь одной из рамок включен резистор R, а в цепь другой - сопротивление R x , величина которого должна быть определена. Применение логометра объясняется тем, что его показания определяются только отношением токов в рамках и не зависят от изменения питающего напряжения U пит. В качестве источника напряжения для мегометра используют либо индуктор, приводимый во вращение рукой оператора, либо аккумуляторную батарею с электронным преобразователем напряжения. Такая система питания определяется тем, что для работы прибора требуются большие напряжения - порядка 500 В, так как при меньших напряжениях токи в обмотках прибора были бы слишком малыми для его нормальной работы. Использование автономного источника питания диктуется тем, что мегометром часто измеряют сопротивление изоляции кабелей; при этом, естественно, напряжение в них бывает отключенным. Кроме того, с его помощью часто проводят измерения вне помещений, где нет электрической сети.

Измерение малых сопротивлений (меньше 1 Ом), а также измерения других сопротивлений в широком диапазоне значений с высокой точностью могут проводиться с помощью электрических мостов.

Электрический мост (рис. 5, б) представляет собой четыре сопротивления (одно из них - R x подлежит измерению), включенные по кольцевой схеме. Каждое из сопротивлений образует плечо моста. В одну диагональ моста подают постоянное напряжение питания U пит, а к другой подключают измерительный прибор - гальванометр Р. Он представляет собой высокочувствительный магнитоэлектрический прибор с нулем посередине шкалы. Его назначение - фиксировать момент, когда ток будет отсутствовать. Приборы подобного типа часто называются нуль-индикаторами. Одно или два сопротивления в плечах моста делаются переменными, и именно ими добиваются нулевых показаний прибора. Мост при этом считается сбалансированным. Как показывает теория электрических мостов, условие баланса достигается при равенстве произведения сопротивлений противоположных плеч, т. е. при условии R 1 R x = R 2 R 3 . Следовательно, после балансировки моста можно, зная величины всех сопротивлений, определить значение неизвестного сопротивления

где N = R 2 /R 1 - множитель.

Точность измерения с помощью мостов постоянного тока может быть очень велика. Результирующие значения сопротивлений могут иметь более пяти значащих цифр. В то же время мост не позволяет оперативно производить измерения, так как процесс балансировки требует определенного времени и навыка оператора.

Измерение емкостей

Определение емкости конденсатора или других устройств емкостного характера также может осуществляться различными способами. Простейший из них - метод амперметра-вольтметра (рис. 6, а).

Рис. 6.

Он во многом аналогичен такому же методу измерения сопротивлений, с той только разницей, что схема питается переменным синусоидальным напряжением от генератора низкой или высокой частоты (или от сети). Емкостное сопротивление конденсатора определяется по следующей формуле:

где f - частота переменного напряжения.

Емкостное сопротивление находится по закону Ома по показаниям приборов

Измерение малых по величине емкостей удобнее производить методом резонанса (рис. 6, б). Измеряемый конденсатор С х подключается к известной индуктивности L, образуя колебательный контур. На контур подается синусоидальное напряжение от генератора. С помощью электронного вольтметра измеряют напряжение на контуре. При резонансе оно достигает максимума.

Известно, что резонансная частота контура может быть выражена следующей формулой:

Следовательно, при известной величине индуктивности в контуре и определенной по максимальным показаниям вольтметра частоте резонанса можно найти искомое значение емкости С х.

Измерение больших емкостей (например, электролитических конденсаторов) проще всего производить путем разряда конденсатора на известное сопротивление R. Известно, что за время, равное постоянной времени цепи разряда конденсатора, его напряжение уменьшается в е раз, где е = 2,71... - основание натурального логарифма. Постоянная времени цепи разряда конденсатора на резистор определяется соотношением

Схема измерения емкости этим методом (рис. 6, в) состоит из источника постоянного напряжения питания, известного по величине сопротивления резистора R, электронного вольтметра PV, переключателя S и клемм для подключения конденсатора. С помощью переключателя S конденсатор С х заряжается до напряжения источника питания, а после переключения конденсатора на разряд с помощью секундомера измеряют время t, по истечении которого конденсатор разрядится до напряжения U пит /е. Емкость конденсатора определяется по формуле

Емкости конденсаторов можно измерять также с помощью мостов переменного тока.

Измерение индуктивностей

Измерение индуктивностей несколько сложнее. Это связано с тем, что любая катушка (обмотка трансформатора и т. п.) имеет кроме индуктивности еще и резистивное сопротивление. Поэтому во многих случаях измеряют предварительно полное сопротивление катушки индуктивности:

Оно может быть определено методом амперметра и вольтметра путем измерения напряжения и тока измерительными приборами схемы на переменном напряжении (рис. 7, a) z = U/I. При подаче на схему постоянного напряжения (рис. 7, б), как уже рассматривалось выше, можно определить резистивное сопротивление катушки R.

Рис. 7.

В свою очередь, индуктивное сопротивление

При известном значении частоты / напряжения питания легко найти величину искомого значения индуктивности

При малых значениях индуктивности (например, контурных катушек радиоэлектронных устройств) можно воспользоваться резонансной схемой, аналогичной схеме определения емкости резонансным методом.

Для измерения индуктивности можно использовать также мосты переменного тока, специальные измерительные приборы - ку- метры, позволяющие определять не только величину индуктивности, но и такую характеристику, как добротность катушки, характеризующие качество работы катушки в электронных схемах.

Измерение мощности

В электрических цепях измерение мощности удобнее рассматривать отдельно для цепей постоянного и переменного тока.

На постоянном токе основные формулы для определения мощности следующие:

В соответствии с приведенными формулами мощность в каком-то сопротивлении нагрузки R можно измерить тремя способами: с помощью вольтметра и амперметра (рис. 8, а), только вольтметром (рис. 8, б) и только амперметром (рис. 8, в). Во всех случаях после снятия показаний с приборов необходимо провести математические расчеты для определения собственно мощности.

Рис. 8.

Этого можно избежать, если для измерения мощности воспользоваться специальным прибором ваттметром (рис. 8, г). Как правило, выпускаемые промышленностью ваттметры изготавливаются на базе ферродинамического прибора (см. рис. 2.105). У ваттметров имеются две обмотки и соответственно четыре вывода. Одна из обмоток является токовой, через нее проходит ток к нагрузке, расходуемая мощность в которой подлежит измерению, а вторая - обмоткой напряжения. Она подключается непосредственно к источнику питания.

Измерение мощности на переменном токе имеет свои особенности. Во-первых, здесь существуют три различные мощности:

полная мощность, В * А,

активная мощность, Вт,

реактивная мощность, вар,

В этих формулах (φ - угол сдвига по фазе между током и напряжением.

Чаще всего интересуются полной и активной мощностями. Знание полной мощности необходимо для расчета токов в нагрузке, выбора сечения проводов и предохранителей. Активная мощность важна потому, что именно она характеризует ту мощность, которая в нагрузке преобразуется в теплоту, свет, звук и т.д.

Измерение полной мощности обычно производят, измеряя напряжение и ток вольтметром и амперметром и перемножая полученные значения. Активную мощность чаще всего измеряют с помощью ферродинамических ваттметров, которые кроме напряжения и тока учитывают и так называемый коэффициент мощности cosφ.

При подключении обмоток ваттметра к нагрузке, так же как и при постоянном напряжении, ваттметр непосредственно произведет измерение активной мощности.

На переменном токе достаточно часто приходится решать задачу измерения активной мощности в трехфазных цепях. Трехфазные цепи могут быть двух типов: трехпроводные и четырехпроводные. В трехпроводных цепях к нагрузке подходят три провода, обозначаемые буквами А, В, С. Для измерения активной мощности в такой цепи при любом варианте подключения элементов нагрузки к проводам достаточно подключить только два ваттметра так, как это показано на рис. 9.

Рис. 9. : а - трехпроводная система; б - четырехпроводная система

При этом необходимо соблюсти определенные правила подключения ваттметров. Выводы обмоток ваттметра, обозначенные на его корпусе звездочками, должны быть обращены в сторону источника энергии. Поэтому эти выводы получили название генераторные (подключаются к проводам, идущим от генератора). Суммарная активная мощность такой трехфазной системы находится как алгебраическая сумма показаний двух ваттметров. При этом возможен вариант, когда показания одного из ваттметров могут быть отрицательными, т. е. его стрелка уйдет влево. Для снятия показаний с такого ваттметра необходимо поменять местами провода, подходящие к любой из обмоток, прочесть результат измерения, но в формулу подставить с отрицательным знаком.

Измерение активной мощности в четырехпроводных цепях требует использования трех ваттметров. Один из выводов каждого ваттметра здесь подключается к четвертому проводу, обычно называемому нулевым. Показания всех ваттметров могут быть только положительными, и суммарная активная мощность, потребляемая трехфазной цепью, будет равна сумме мощностей, измеряемых каждым из ваттметров:

Р е = Р 1 + Р 2 + Р 3 .

Один из наиболее простых методов измерения количества электричества - метод измерения с помощью так называемого баллистического гальванометра. Он представляет собой прибор магнитоэлектрической системы (см. рис. 2.103) с умышленно утяжеленной подвижной частью (с большим моментом инерции). Если на вход такого баллистического гальванометра подать кратковременный импульс напряжения, то подвижная часть прибора, получив как бы импульсный вращающий момент, начнет движение, причем уже после окончания входного импульса это движение еще будет продолжаться и стрелка прибора, двигаясь по инерции, отклонится до какого-то значения шкалы, а затем возвратится в исходное нулевое положение. В качестве отсчета на таком приборе необходимо отметить то максимальное отклонение стрелки α mах от нулевого значения, которое наблюдалось во время ее движения по «баллистической траектории». Теория такого баллистического гальванометра показывает, что этот отсчет по максимальному отклонению стрелки оказывается пропорциональным количеству электричества, прошедшего через рамку такого прибора, т. е.

α mах = Q/С 6 ,

где С б -баллистическая постоянная, зависящая от конструктивных особенностей гальванометра.

Измерение количества электричества Q на обкладках предварительно заряженного конденсатора можно осуществить, разрядив его через баллистический гальванометр, и по максимальному отклонению его стрелки найти искомое значение количества электричества:

Q = С 6 α mах

При разработке новых сплавов, предназначенных для использования в электротехнических цепях, возникает необходимость в определении их удельного сопротивления. Под удельным сопротивлением понимают сопротивление проводника сечением 1 мм 2

и длиной 1м. Соответственно такое удельное сопротивление р измеряется в единицах Ом - (мм 2 /м). Для его измерения выбирают отрезок проводника, желательно небольшого сечения, и измеряют его сопротивление любым из рассмотренных выше методов. После этого расчетным путем приводят величину этого сопротивления к сечению 1 мм2 и длине 1 м, что не представляет каких- либо трудностей, и получают значение удельного сопротивления. Для получения большей точности измерения желательно длину проводника брать по возможности большей.

Для многих изоляционных материалов представляет определенную ценность определение их диэлектрической проницаемости ε. Одним из простейших способов ее измерения является способ косвенного измерения с последующим расчетом величины диэлектрической проницаемости. Известно, что емкость простейшего конденсатора, состоящего из двух одинаковых пластин площадью S, расположенных на расстоянии δ друг от друга, с диэлектриком, заполняющим все пространство между пластинами, определяется по формуле

где ε - диэлектрическая проницаемость материала между пластинами.

Рис. 10. Схема для измерения диэлектрической постоянной изоляционных материалов

Измерение диэлектрической проницаемости материала производят с помощью конденсатора (рис. 10), между пластинами которого помещают испытуемый материал, а также измерения емкости такого элементарного конденсатора любым из описанных выше методов. Численную величину диэлектрической проницаемости определяют по формуле

Развитие радиоэлектроники и установок для высокочастотного воздействия на материалы машиностроения привело к тому, что практически все пространство заполнено электромагнитными волнами.

В мире работают миллионы передающих радиостанций, многие из которых излучают значительные мощности (например, радиолокационные станции дальнего обнаружения, вещательные радиостанции и т. п.). Для оценки электромагнитных волн часто возникает необходимость определения их уровня. Обычно об уровне электромагнитных волн судят по напряженности электрического поля, величина которого аналитически может быть пересчитана в мощность электромагнитного поля. Напряженность электрического поля наиболее часто измеряют с помощью рамочной антенны (рис. 11), которая представляет собой плоскую катушку, намотанную на каркас Е из какого- либо диэлектрика. (На рис. 11 для простоты изображен только один виток.)

Рис. 11.

Диаграмма направленности такой антенны показывает, что максимум принимаемого излучения идет со стороны, лежащей в плоскости витков катушки. Это позволяет не только производить измерение напряженности электрического поля, но и определять направление на источник высокочастотных излучений по максимальной величине напряжения на выходе рамки при ее поворотах относительно вертикальной оси. Напряженность электрического поля определяется по величине напряжения на выходе рамки по следующей формуле, В/м:

где U - напряжение на выходе рамки, В; f - частота принимаемого сигнала, Гц; n - число витков в рамке; S- площадь рамки, м 2 .

Обычно на геометрические размеры рамки в зависимости от частоты сигнала напряженность поля которого определяется, накладываются определенные ограничения. В частности, на частотах более 30 МГц более точные результаты получаются, если вместо рамочной антенны использовать полуволновый диполь, представляющий собой проводник длиной в половину длины волны, разрезанный посередине. Напряжение с диполя снимается с центральной разрезанной части. Значение напряженности электрического поля можно определить по следующей формуле:

где f- частота, Гц; U- напряжение на выходе диполя, В.

Диполь, так же как и рамка, позволяет определять направление, с которого приходит сигнал, так как обладает определенной направленностью, что видно из диаграммы направленности. Максимум принимаемых сигналов определяется перпендикуляром к плоскости диполя. Именно так ориентированы телевизионные антенны по отношению к телевизионной вышке.

Напряжение на выходе рамки или диполя можно измерять с помощью электронного вольтметра непосредственно при сильных сигналах или применяя электронные усилители. В этом случае, используя селективные свойства усилителей, можно определить уровень напряженности электрического поля определенной частоты. Нужно учесть, что уровень сигнала на выходе рамки и частично диполя складывается из большого числа электромагнитных полей, существующих в пространстве в районе расположения приемного устройства от различных источников (передатчиков).

При необходимости определить частоту высокочастотного сигнала можно, если он сильный, используя непосредственное включение электронного частотомера на выход рамки или диполя. При слабых сигналах и использовании усилителей можно по их частотной настройке определять частоты сигналов, наведенные в рамке или диполе, т. е. так, как обычно по шкале радиоприемника можно определить длину волны или частоту принимаемой станции.