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 таких параметров как напряжение, сила тока, сопротивление для систем сигнализации не отличается от методов измерения перечисленных величин в других электрических цепях. Для дальнейшего рассмотрения темы нам понадобятся:

• схема измерения,
• закон Ома,
• минимальные навыки пользования мультиметром (тестером).

Несколько небольших уточнений:

• рассматриваемые методы измерений применимы к цепям, не содержащим емкостей и индуктивностей,
• измерения электрических величин напряжения, тока, сопротивления производятся для участка цепи, имеющего активное сопротивление, поэтому приемлимы как для постоянного напряжения (тока) так и для переменного,
• сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Вопросы влияния сопротивления соединений на значения параметров электрических цепей рассмотрены на странице "питание сигнализации, видеонаблюдения".
• участки цепи, обозначенные на схемах как резистор (R), можете рассматривать как отдельный элемент или совокупность элементов электрической цепи, имеющих общее сопротивление R.

Измерение напряжения.

Это измерение производится путем подключения вольтметра (мультиметра в режиме "измерение электрического напряжения") параллельно измеряемому участку (схема на рис.1). Следует отметить, что измерение между точками 1-5 даст значение напряжения на всей цепи, остальные случаи - для соответствующих участков.

Эту схему мы еще используем, рассматривая вопросы измерения силы электрического тока и сопротивления при помощи вольтметра.

Измерение силы тока.

Используется амперметр или мультиметр (тестер) в режиме "измерение тока", подключаемые последовательно измеряемой цепи. Значение силы электрического тока измеряется для всей цепи (схема - рис.2).

Измерение сопротивления.

Наиболее трудоемкий процесс. Во первых, при непосредственном подключении тестера (мультиметра) (схема рис.3) напряжение и ток в цепи должны отсутствовать, во вторых, (схема рис.4) другие элементы (участки) цепи будут оказывать влияние на результат, поэтому их придется отключить, чтобы схема измерения соответствовала рисунку 3.

Выход, однако, есть. Его рассмотрим ниже.

Косвенные измерения электрических величин.

Для этого самое время вспомнить закон Ома. Формула, а также ее производные, которые нам понадобятся выглядят следующим образом:

I=U/R (формула 1),

U=I*R (формула 2),

R=U/I (формула 3), где

I - электрический ток
U - напряжение
R - сопротивление.

Единицы измерения (размерность) указанных величин соответственно:

А - ампер,
В - вольт,
Ом - ом.

На практике (для слаботочных цепей) они не всегда удобны, поэтому можно использовать:

мА - милиампер (1000 мА=1А),
В - вольт,
кОм - килоом. (1000 Ом=1кОм).

Внимание! Одновременно используйте единицы измерения из одного ряда. Если Вы подставляете в формулу закона Ома значения силы тока в мА, то сопротивление получите в кОм и никак иначе.

Как можно видеть из приведенных выше формул, зная значения двух величин, можно вычислить третью. Рассмотрим практическое применение закона Ома при проведении измерений электрических величин. Из схемы измерения напряжения видно, что оно не требует нарушения электрической цепи, поэтому осуществляется наиболее просто. Измерение силы тока в последовательной цепи можно произвести один раз поскольку он будет одинаков во всех участках. Однако, следует быть внимательным, ибо, если схема цепи имеет вид, приведенный на рисунке слева, то суммарный ток распределится по участкам цепи, согласно закона Кирхгофа: I=I1+I2+In.

Завершая тему, продемонстрирую как на практике выглядит применение закона Ома при проведении электрических измерений.

Возьмем схему на рисунке 1. Предположим, что в результате измерений мы получили следующие значения:

Общая сила тока для цепи- I=0,5 A,
Напряжения U1=10 B, U2=5 B.

Тогда значения сопротивлений будут:

R1=U1/I=10/0,5=20 Ом
R2=U2/I=5/0,5=10 Ом.

Как видите, все просто.

© 2010-2017 г.г.. Все права защищены.
Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов

Наиболее распространенными видами электрических измерений являются измерения силы тока и напряжения.

В зависимости от вида тока (напряжения), его величины, частоты, формы, требуемой точности измерения, сопротивления цепи, в которой производится измерение, используются различные типы приборов.

При измерении силы тока на участке цепи сопротивлением R последовательно с R в разрыв цепи включается амперметр (рис 7а). Тогда сила тока, текущего через измерительный прибор и участок с сопротивлением R, будет одинаковой.

Вольтметр подсоединяется параллельно участку цепи с сопротивлением R, напряжение на котором измеряется (рис 7б). При параллельном подключении напряжение на измерительном приборе и участке цепи R одинаково. Подключение в электрическую цепь измерительного прибора оказывает влияние на режим работы этой цепи, что приводит к ошибкам в измерениях.

Рис. 7. Подключение амперметра (а) и вольтметра (б)

Последовательное подключение амперметра с сопротивлением r а увеличивает общее сопротивление участка цепи до значения R + r а , что больше R . В результате ток уменьшится. Чтобы изменение тока было незначительным, необходимо, чтобы выполнялось условие: r а << R .

При параллельном подключении вольтметра с сопротивлением r v общее сопротивление становится равным

что меньше R . Измеренное напряжение будет заниженным. Чтобы вольтметр не вносил больших искажений в режим работы цепи, должно выполняться условие: r v >> R .

Шунты к амперметру

Ток, вызывающий отклонение подвижной части прибора на всю шкалу, называется током полного отклонения I 0 . Если с помощью амперметра необходимо измерить силу тока I больше, чем I 0 , к нему параллельно подключается дополнительное сопротивление R ш , называемое шунтом (рис 8)

Рис. 8. Подключение шунта к амперметру.

Измеряемый ток разветвляется и только часть его проходит через измерительный прибор. Так достигается расширение предела измерений амперметра. По первому правилу Кирхгофа величины токов связаны соотношением:

где I – сила измеряемого тока, I p – сила тока, текущего через измерительный механизм (рамку) прибора, I ш – сила тока, текущего через шунт.

По второму правилу Кирхгофа имеем:

где r - сопротивление рамки амперметра, R ш – сопротивление шунта. Из (12) и (13) следует, что

. (14)

Выражение (14) позволяет определить R ш , при котором отклонение стрелки измерительного прибора на всю шкалу будет соответствовать требуемому пределу измерения силы тока I пр . Иначе говоря, при I = I пр ток через амперметр I р будет равен току полного отклонения: I р = I 0 . В таком случае выражение (14) принимает вид:

. (15)

На практике используют коэффициент шунтирования (или коэффициент растяжения предела измерений) n для данного значения I пр , который равен

Тогда выражение (15) принимает вид:

С данным шунтом цена деления амперметра также возрастет в n раз.

Добавочные сопротивления к вольтметру

Предел измерения вольтметра зависит от силы тока полного отклонения подвижной части прибора I о и его внутреннего сопротивления r . Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с измерительным механизмом прибора подключают добавочное сопротивление (рис 9).

Напряжение на измерительном механизме U р меньше измеряемого напряжения U и связано с ним соотношением:

где – напряжение на добавочном сопротивлении . По такой цепи течет ток

Из последней формулы следует, что

Рис. 9. Подключение добавочного сопротивления к вольтметру.

Из (18) можно определить величину , при котором отклонение стрелки на всю шкалу (I = I 0 ) будет соответствовать требуемому пределу измерения напряжения U = U пр

. (19)

Набор добавочных сопротивлений позволяет создать многопредельный вольтметр. Применяются также и наружные по отношению к прибору добавочные сопротивления.

Задание

1. Определить основные характеристики аналогового прибора.

2. Определить характеристики цифрового вольтметра.

3. По формулам (16) и (17) определить коэффициент шунтирования n и сопротивление шунта R ш для создания на основе стрелочного прибора амперметра с пределом измерения I пр = 1,5 мА. Исследовать данный амперметр.

4. По формуле (19) определить величину добавочного сопротивления для создания вольтметра постоянного тока с пределом измерения U пр = 5В. Исследовать данный вольтметр.

Контрольные вопросы.

1. Что такое аналоговые и цифровые приборы?

2. Приведите основные характеристики электроизмерительных приборов.

3. Принцип действия и устройство электромеханических измерительных приборов.

4. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров постоянного и переменного тока.

5. Каков принцип действия и устройство цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразованием?

6. Как расширить пределы измерения амперметра и вольтметра? Получите формулы для сопротивления шунта и для добавочного сопротивления.

7. Как расширить предел измерения вольтметра? Получите формулу для добавочного сопротивления.

Литература

1. Хромой Б.П., Моисеев Ю.П. Электрорадиоизмерения. – М.:Радио исвязь, 1985. – с. 30 – 70.

2. Детлаф А.А.,Яворский Б.М. Курс физики. – М.:Высш. шк., 2001, с. 293 – 296.

3. Мирский Г.Я. Электронные измерения. – М.: Радио и связь, 1986, с. 152 – 207.

4. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. – М.: Мир. 1990, с. 112 – 146.

Показания амперметра зависят от тока , идущего через него, поэтому для измерения тока в каком-либо приемнике энергии амперметр включают последовательно с этим приемником, так что (рис. 8-8).

Включение амперметра не должно плиять на измеряемый ток, поэтому сопротивление его должно быть малым по сравнению с сопротивлением приемника, последовательно с которым он включается. Малому сопротивлению амперметра соответствует и малая номинальная мощность потерь в нем

Рис. 8-8. Схема включения амперметра.

Рис. 8-9. Схема включения вольтметра.

Для измерения токов, превышающих номинальный ток амперметра (измерителя), в цепях постоянного тока применяют шунты (§ 8-4, б), а при, переменном токе - трансформаторы тока (§ 9-11).

Для измерения напряжения на каком-либо приемнике энергии зажимы вольтметра соединяют с зажимами приемника (рис. 8-9). В этом случае вольтметр покажет напряжение на своих зажимах и на зажимах приемника .

Показания вольтметра зависят от его тока Для того чтобы они однозначно зависели и от напряжения , сопротивление вольтметра должно быть постоянным, так как в этом случае .

Сопротивление медной обмотки измерителя вольтметра изменяется на 0,4% при изменении температуры на 10° С. Включая последовательно с измерителем достаточно большое добавочное сопротивление из манганина, величина которого практически неизменна, обеспечивают постоянство сопротивления вольтметра .

Включение вольтметра не должно влиять на измеряемое напряжение, поэтому сопротивление его должно быть большим относительно приемника энергии, параллельно которому он включен. При большом сопротивлении вольтметра номинальный ток его мал, мала и номинальная мощность потерь, так как

Номинальный ток вольтметра равен номинальному току его измерителя, так что

а номинальное напряжение вольтметра

пропорционально его сопротивлению.

Применяя один измеритель с различными добавочными сопротивлениями, получим различные сопротивления вольтметра и соответственно различные номинальные напряжения. Таким образом, добавочное сопротивление используют для расширения предела измерения напряжения вольтметра.

Для расширения предела измерения напряжения в цепях переменного тока, кроме добавочного сопротивления, применяют измерительные трансформаторы напряжения (§ 9-11).

Амперметры и вольтметры могут иметь измерители одинакового устройства, отличающиеся только своими параметрами, но они имеют разные внутренние измерительные схемы и по-разному включаются в измеряемую цепь.

а) Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры

Магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов - гальванометры, микроамперметры и миллиамперметры представляют собой измерительный механизм (§ 8-3, а), катушка которого присоединена к зажимам прибора, а на шкале нанесены деления, соответствующие различным значениям измеряемой величины.

Магнитоэлектрический амперметр - это измеритель (§ 8-3, а), который присоединен параллельно шунту (рис, 8-10) для увеличения номинального тока прибора.

Измеряемый ток 7 делится на ток шунта и ток измерителя Напряжение на разветвлении (рис. 8-10)

откуда измеряемый ток

При неизменных сопротивлениях измерителя и шунта между токами сохраняется постоянной отношение, что позволяет по углу поворота указательной стрелки измерителя определить ток I.

Сечение шунта должно быть достаточно большим, чтобы не было его нагревания и связанных с этим погрешностей.

Рис. 8-10. Измерительный механизм с шунтом.

Рис. 8-11. Измерительный механизм с добавочным сопротивлением.

Шунты помещаются или в кожухе прибора (встроенные) или вне его (наружные).

Магнитоэлектрический вольтметр - это измеритель (§ 8-3, а) с последовательно соединенным добавочным сопротивлением (рис. 8-11) для расширения предела измерения напряжения и для обеспечения постоянства сопротивления вольтметра. На шкале его наносятся деления, соответствующие различным значениям напряжения Между напряжением на зажимах вольтметра и напряжением на измерителе имеет место постоянное отношение

Технические вольтметры имеют однопредельные добавочные сопротивления, а образцовые и лабораторные - многопредельные, позволяющие использовать отдельные части добавочного сопротивления для получения различных номинальных напряжений.

Магнитоэлектрические приборы изготовляются классов точности 0,1-2,5.

Из свойств этих приборов отметим: пригодность для работы в цепях постоянного тока, высокую чувствительность, незначительное влияние температуры и внешних магнитных полей, равномерную шкалу, малую мощность потерь и чувствительность к перегрузкам.

б) Выпрямительные амперметры и

вольтметры

Выпрямительный амперметр состоит из магнитоэлектрического измерителя (§ 8-3, а) и нескольких полупроводниковых вентилей, соединенных по одной из выпрямительных схем (гл. 17), а выпрямительный вольтметр, кроме того, имеет добавочное сопротивление.

Рис. 8-12. Схема простейшего выпрямительного амперметра.

В простейшем случае выпрямительный амперметр (рис. 8-12) состоит из измерителя, включенного последовательно с вентилем, пропускающим ток в одном направлении, так что через измеритель в течение каждого периода проходит только одна полуволна переменного тока. Обратная полуволна тока проходит по второй параллельной ветви, в которой вентиль включен М-обратном направлении. Средний за период вращающий момент и угол поворота подвижной части амперметра зависят от среднего значения тока, проходящего через измеритель, которое при синусоидальном токе пропорционально действующему значению тока. Эти значения и наносятся на шкале амперметра. Для расширения предела измерения тока применяются шунты.

У вольтметра вследствие постоянства его сопротивления действующие значения тока пропорциональны действующим значениям напряжения на его зажимах, которые непосредственно и отсчитываются на шкале прибора.

Выпрямительные приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10 кГц. Класс точности их 1,5-2,5.

в) Термоэлектрические амперметры и вольтметры

Термоэлектрический амперметр состоит из магнитоэлектрического измерителя с контактным (а) или бесконтактным (б) термопреобразователем (рис. 8-13), а вольтметр имеет еще добавочное сопротивление.

Термопреобразователь состоит из проводника - нагревателя Н (рис. 8-13) и приваренной к нему или не соединенной с ним термопары Т. Последняя образуется двумя проводами из разных металлов, рабочие концы которых сварены вместе, а свободные концы присоединяются к магнитоэлектрическому измерителю.

Рис. 8-13. Термоэлектрические амперметры: а - с контактным преобразователем; б - с бесконтактным преобразователем.

Измеряемый переменный ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагревание и нагревание рабочих концов термопары. Вследствие этого на ее свободных концах возникает термо-э. д. с., а в подвижной рамке измерителя ток, под действием которого рамка повертывается на угол, зависящий от измеряемого тока. На шкале амперметра наносятся деления, соответствующие действующим значениям измеряемого тока, а на шкале вольтметра деления, соответствующие действующим значениям напряжения, которые вследствие постоянства сопротивления вольтметра пропорциональны действующим значениям тока.

Термоэлектрические приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10-50 МГц. Класс точности их 1,5-2,5.

г) Электромагнитные амперметры и вольтметры

Электромагнитный амперметр - это измеритель той же системы (§ 8-3, б), на шкале которого нанесены значения измеряемого тока, проходящего по его катушке. Катушку амперметра можно изготовить из провода любого сечения, на любой номинальный ток (до 300 А и выше), так как она неподвижна и масса ее не влияет на погрешность от трения.

Электромагнитный вольтметр состоит из измерителя (§ 8-3, б) на номинальный ток 20-30 мА, добавочного сопротивления из маганина и шкалы, проградуированной в значениях напряжения.

Активное добавочное сопротивление несоизмеримо больше реактивного сопротивления катушки измерителя, так что сопротивление вольтметра, практически активное, не зависит от температуры и частоты.

Угол поворота подвижной части зависит от тока в катушке и пропорционального ему напряжения на зажимах вольтметра.

Электромагнитные приборы предназначены для цепей переменного тока промышленной частоты. Класс точности их 0,5-2,5.

д) Электродинамические и ферродинамические амперметры и вольтметры

Электродинамический амперметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого соединяются последовательно или параллельно в зависимости от номинального тока, а на шкале нанесены значения тока, проходящего по амперметру.

Подвижная катушка измерителя для уменьшения погрешности от трения делается легкой из провода малого сечения.

Рис. 8-14. Схемы соединения катушек электродинамических миллиамперметра, амперметра и вольтметра.

Неподвижная катушка выполняется из провода такого же или большего сечения в зависимости от номинального тока амперметра. В миллиамперметрах катушки соединяются последовательно, в амперметрах - параллельно (рис. 8-14).

При последовательном соединении катушек в них проходит измеряемый ток и угол поворота подвижной части прибора пропорционален квадрату тока (8-7)

Электродинамические приборы изготовляются классов точности 0,1-0,5 для цепей постоянного и переменного тока стандартной и повышенной частоты до 2 кГц. Они чувствительны к перегрузкам и к внешним магнитным полям. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяются экраны и астатические измерители.

Ферродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом как самопишущие приборы для цепей переменного тока, имея те же внутренние измерительные схемы, что и электродинамические приборы. Ферродинамические приборы обладают большим вращающим моментом, прочной и надежной конструкцией. Они мало чувствительны к внешним магнитным полям. Класс точности их 1,5-2,5.

е) Цифровые приборы

Цифровой прибор представляет собой измерительное устройство, в котором непрерывно изменяющаяся измеряемая величина - оценивается дискретной величиной - числом с тремя-четырьмя значащими цифрами, отсчитываемыми на его отсчетном устройстве.

Цифровые приборы можно разделить на 2 группы: электромеханические, в которых преобразование измеряемого сигнала производится при помощи электромеханических устройств и электронные, в которых используются устройства импульсной техники.

Из приборов первой группы наиболее распространенными являются вольтметры и омметры, из приборов второй группы - вольтметры, частотомеры, фазометры.

В цифровых вольтметрах в большинестве случаев измерение производится сравнением измеряемой величины с образцовой, т. е. нулевым методом.

При включении на входные зажимы измеряемой величины она при помощи весьма сложного устройства автоматически преобразуется в цифровую форму. После этого блок цифрового устройства включает лампы, соответствующие числовым значениям измеряемой величины, которые проектируются на экран для визуального отсчета (рис. 8-15).

Цифровые вольтметры изготовляются на номинальные напряжения от 100 мкВ до 1 кВ. Время одного измерения не превышает 1 с в вольтметрах первой группы и нескольких миллисекунд у приборов второй группы.

Рис. 8-15. Внешний вид цифрового вольтметра типа Щ1411.

Использование точных цифровых приборов (погрешность 0,01-0,1%) в сочетании с печатными устройствами позволяет автоматизировать процесс измерения и регистрировать его результаты. Эти приборы в сочетании с вычислительными машинами используются для непрерывного контроля автоматизации производственных процессов.

Из недостатков отметим сложность их устройства и высокую стоимость.

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.

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 напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения.

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.

4.1. Метод непосредственной оценки

Измерение тока этим методом выполняют с помощью амперметров и вольтметров со шкалами, градуированными в единицах измеряемой величины. Амперметр включают последовательно с нагрузкой (в разрыв цепи); вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, падение напряжения на котором нужно измерить (рис. 4.1). На схеме: R н – сопротивление нагрузки; R А – внутреннее сопротивление амперметра; R V – внутреннее сопротивление вольтметра; R 0 – внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Определим относительную погрешность, возникающую при включении амперметра в электрическую цепь. Требуется измерить ток в цепи, имеющей сопротивление , к которой приложено напряжение U (рис. 4.1, а). Ток в этой цепи, до включения амперметра, равен

После включения амперметра, имеющего сопротивление , ток в цепи изменится и станет равным:

.

Амперметр измеряет именно это значение тока. Относительная погрешность измерения тока , вызванная включением амперметра, составит:

.

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощностей потребления и :

,

где – мощность, потребляемая амперметром; – мощность, потребляемая в цепи.

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра по сравнению с мощностью потребления цепи , в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т. е. 0.

Рассмотрим случай, когда надо измерить падение напряжения на сопротивлении нагрузки (рис. 4.1, б). В этом случае относительная погрешность измерения напряжения (формула дается без вывода):

,

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

Отношение сопротивлений обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра к мощности цепи , поэтому

( как при , так и при ).

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

Таким образом, включенный в цепь прибор оказывает на ее режим определенное влияние, для уменьшения которого необходимо строго выполнять следующие условия: внутреннее сопротивление амперметра R A должно быть много меньше сопротивления нагрузки R н; внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления нагрузки. Невыполнение этих условий приводит к систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадает со значениями отношений R A /R н и R н /R V . Условие R V >> R н особенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивлением в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры с входным сопротивлением до сотен мегаом.

Измерения постоянного тока выполняют с меньшими погрешностями, чем измерения переменного. С повышением частоты погрешность увеличивается.

4.2. Метод сравнения

Этот методобеспечивает более высокую точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов – компенсаторов, отличающихся тем свойством, что в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется, т. е. входное сопротивление практически бесконечно. Это свойство позволяет применять компенсаторы для измерения ЭДС. Метод сравнения реализуется также в цифровых вольтметрах дискретного действия и аналоговых компенсационных вольтметрах, благодаря чему погрешность измерения составляет десятые, сотые и даже тысячные доли процента.

4.3. Измерение сигналов напряжения и тока произвольной формы электромеханическими приборами

Наиболее распространенными средствами измерений напряжения и тока являются измерительные приборы. Они разнообразны вследствие различных измерительных задач и требований, предъявляемых к приборам. По физическим явлениям ,на которых основана работа приборов, их можно разделить на электроизмерительные и электронные приборы. По виду выдаваемой информации различают аналоговые и цифровые приборы. По схеме преобразования различают структурные схемы измерительных приборов прямого действия и сравнения. В приборах прямого действияпреобразование сигнала измерительной информации происходит только в одном направлении, а в приборах сравнения, кроме прямого преобразования, используется обратное преобразование (обратная связь). По способу выдачи измерительной информации измерительные приборы делятся на показывающие и регистрирующие.

Электромеханические приборы , в зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части, делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические и электростатические. Все перечисленные системы приборов, кроме магнитоэлектрической, пригодны для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока. Приборы магнитоэлектрической системы – только для измерения в цепях постоянного тока. Амперметры и вольтметры, в зависимости от их системы, показывают разные значения измеряемых величин. Показания приборов магнитоэлектрической системы соответствуют среднему за период значению измеряемой величины, т. е. измеряют постоянные составляющие тока или напряжения. Показания приборов электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и электростатической систем соответствуют действующему значению измеряемой величины.

В связи с этим рассмотрим, как математически описывается сигнал измерительной информации , который несет информацию о величинах тока или напряжения, измеряемых приборами.

Переменный ток (напряжение) промышленной частоты имеет синусоидальную форму и характеризуется мгновенным i (u ), среднеквадратичным (действующим) I (U ) значением, амплитудой I m (U m )и фазой ψ i (ψ u ):

или .

Синусоидальный сигнал является частным случаем несинусоидального, который можно представить рядом Фурье:

u = U 0 +

где U 0 – среднее значение сигнала за период Т (постоянная составляющая); U mk – амплитуда сигнала k- й гармоники.

На рис. 4.2 представлен несинусоидальный разнополярный периодический сигнал – напряжение (ток), характеристиками которого являются: u(t) – значение сигнала в заданный момент времени; и – пиковые значения сигнала – наибольшее мгновенное значение положительной полуволны и наименьшее мгновенное значение отрицательной полуволны сигнала (U m – амплитудное значение для синусоидального сигнала); U p (размах) – сумма модулей пиковых значений и .

Постоянная составляющая сигнала U 0 – среднее значение сигнала U cp за период Т :

Переменная составляющая сигнала за период – разность между мгновенным значением сигнала u (t )и его постоянной составляющей U 0:

.

Средневыпрямленным значением сигнала U cp .в за период является среднее значение модуля сигнала:

(вводится для сигналов, симметричных относительно оси времени).

Среднеквадратическое значение сигнала за период (время измерения)

Для синусоидального сигнала среднеквадратическое значение называют действующим значением сигнала.

Основная характеристика сложных сигналов – их спектральная функция, дающая информацию об амплитудах и фазах отдельных гармоник.

Среднеквадратическое значение периодического несинусоидального сигнала:

где – среднеквадратическое значение k- й гармоники; k – номер гармоники.

Коэффициенты амплитуды (K A)и формы (K Ф) устанавливают связь между указанными выше значениями сигнала:

Для синусоидального сигнала:

Детерминированные сигналы конечной энергии, существенно отличные от нуля в течение ограниченного интервала времени, называются импульсными сигналами . Импульсы бывают различной формы (прямоугольной, треугольной, трапецеидальной и др.), полярности, амплитуды, длительности, частоты следования. Наиболее часто в практике встречаются прямоугольные импульсы (рис. 4.3, а), у которых среднеквадратическое значение и постоянная составляющая вычисляются как

Периодическая последовательность прямоугольных импульсов (рис. 4.3) с амплитудой U m длительностью t u и периодом повторения Т характеризуется скважностью Q = T/t u . При этом . Следовательно, среднеквадратическое значение

Для некоторых часто используемых форм сигнала коэффициенты амплитуды и формы вычислены. Например, для треугольной формы (рис. 4.3, б ) (). Для меандра (рис. 4.3, в ) – ().

4.4. Типовые примеры по измерению напряжения и тока

Пример 4.1. Определить относительную методическую погрешность δ I измерения тока амперметром, внутреннее сопротивление которого . Амперметр включен последовательно в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (рис. 4.4).

Решение . Действительное значение тока в цепи до включения амперметра . Измеренное значение тока в цепи . Относительная погрешность измерения тока

Пример 4.2. Определить относительную методическую погрешность измерения δ U напряжения вольтметром с внутренним сопротивлением на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивление R 0 (рис. 4.5). Вольтметр включен параллельно нагрузке R .

Решение . Действительное значение напряжения U на нагрузке R до включения вольтметра . Измеренное значение напряжения

Относительная погрешность измерения напряжения

Пример 4.3. Определить показания амперметров электромагнитной системы, измеряющих токи, изменяющиеся по законам: 1) i (t ) = (I m + I m sin wt ) A и 2) i (t ) = (2I m + I m sin wt ) A. Что покажут в этом случае амперметры магнитоэлектрической и электродинамической систем?