Тема 5.1 Измерение напряжения и силы тока Общие сведения

Измерение напряжения и силы тока – самый распространенный вид измерений. Эти измерения производятся в широком диапазоне частот – от постоянного тока до сверхвысоких частот

Измерения постоянных напряжения и тока заключается в нахождении их значений и полярности. Целью измерения переменных напряжений и токов является нахождение их параметров: амплитудного мгновенного значения, среднеквадратического значения и т.д. Переменное напряжение (переменный ток) промышленной частоты имеет синусоидальную форму

U=Umsin(wt+), а его значения характеризуются амплитудой, частотой и фазой. Кроме того напряжение может иметь прямоугольную и треугольную форму, а также форму несинусоидальную.

Уровень переменного напряжения (тока) можно определить по амплитудному, среднеквадратическому (действующему, эффективному), среднему (постоянной составляющей) и средневыпрямленному значениям.

Мгновенные значения напряжений наблюдают на экране осциллографа или дисплея.

Амплитуда (высота, пиковое значение) Um– наибольшее мгновенное значение напряжения (тока) за интервал наблюдения. При разнополярных несимметричных формах сигналов различают два амплитудных значения: положительное и отрицательное.

Среднеквадратическое (действующее значение) напряжения равно корню квадратному из среднего квадрата его мгновенного значения за период . Если периодический сигнал несинусоидален, то квадрат среднеквадратического значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и среднеквадратическим значениям гармоник…

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения или тока равна среднему арифметическому всех мгновенных значений за период .

Средневыпрямленное значение определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период

. Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямленное значения равны, для разнополярных напряжений они отличаются. В таблице М2-1 приведены эти параметры для различных форм сигналов

Таблица М2-1. Количественные соотношения для распространенных форм сигналов

Форма сигнала	амплитуда	Средневыпрямленное значение	Среднеквадратическое Значение
синусоидальный	Um	0,637 Um	0,707 Um
прямоугольный	Um	Um	Um
треугольный	Um	0,5 Um	0,577 Um

Чаще всего измеряют напряжение, так как для него прибор подключается параллельно. Для измерения тока прибор необходимо подключать в разрыв цепи.

Для измерения напряжения или тока применяют следующие основные методы измерений:

• непосредственной оценки, при котором числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуированному в единицах этой величины;

• сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воздействия измеряемой величины на какую-либо систему с воздействием на эту же систему образцовой меры. Этот метод имеет три разновидности: нулевой, дифференциальный и замещения.

Приборы для измерения напряжения или тока делятся на два класса: непосредственной оценки, когда значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству, и сравнения , состоящие из цепи сравнения и измерителя разности измеряемой величины и меры.

Оба класса приборов делятся в свою очередь на аналоговые и цифровые.

К аналоговым приборам относятся стрелочные приборы, приборы со световым указателем, приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием и самопишущие. На рисунке М2-4 показана общая структурная схема аналогового измерительного прибора непосредственной оценки. Входное устройство и измерительный преобразователь преобразуют измеряемую величину х(t) в некоторую промежуточную величинуy(t), находящуюся в определенной зависимости от измеряемой величины. Измерительный механизм преобразует подводимую электрическую энергию в механическую энергию перемещения подвижной части механизма. При этом между перемещениями подвижной части механизма и измеряемой величиной должна существовать однозначная зависимость. Отсчетное устройство показывает величину измеряемого напряжения или тока.

Рисунок М2-4.Структурная схема аналогового измерительного прибора непосредственной оценки

К цифровым приборам относятся цифровые приборы.

Все приборы могут быть разделены на электромеханические, электротепловые, электронные и электронно-лучевые.

Электромеханические приборы. Они относятся к приборам непосредственной оценки аналогового типа. В них для перемещения подвижной части прибора используются различные электромагнитные процессы. В зависимости от физического явления, используемого для преобразования подводимой электромагнитной энергии в механическую энергию перемещения подвижной части они делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические..

Принцип работы электромеханических приборов показан в таблице М2-2

Магнитоэлектрическая система – измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током. Рамка помещена в поле постоянного магнита. Под воздействием тока рамка вращается в магнитном поле и отклоняет стрелку. На основе магнитоэлектрического механизма строятся вольтметры, амперметры. Они имеют высокую точность и высокую чувствительность, но работают только на постоянном токе.

Электромагнитная система – измерительный механизм состоит из воздушной катушки, которая втягивается в ферромагнитный сердечник при любой полярности тока. Прибор может работать на переменном токе, но является низкочастотным. (до 5 кГц). С ростом частоты индуктивное сопротивление катушки возрастает и она не может втянуть сердечник. Класс точности невысок. Часто по этому принципу делают щитовые амперметры и вольтметры на определенную частоту.

Электродинамическая система – измерительный механизм содержит две измерительные катушки (подвижную и неподвижную), электромагнитные поля которых взаимодействуют, а вращающий момент пропорционален протекающему току. Достоинством таких приборов является высокая точность на переменном токе, но частота также невысока. Приборы этого типа используются как образцовые лабораторные.

Электростатические приборы основаны на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой, перемещается за счет воздействия тока в неподвижной пластине. По принципу действия эти приборы являются вольтметрами. Достоинства – широкий диапазон частот и малая мощность, потребляемая из электрической цепи. Все указанные приборы измеряют действующее значение напряжения.

Таблица М2-2

Описанные выше приборы не решают многих проблем: магнитоэлектрические точны, но работают на постоянном токе, электромагнитный и электродинамический принцип работает на низкой частоте, электростатический обладает низкой чувствительностью. Поэтому расширяют возможности измерений на переменном токе за счет сочетания магнитоэлектрического механизма и преобразователя из переменного тока в постоянный. Таким образом можно получить точный прибор на переменном токе. Преобразователи в данных приборах применяются выпрямительные и термоэлектрические. В выпрямительных приборах основным узлом является преобразователь переменного тока в постоянный, выполненный на диодах.. Основные операции в вольтметре – переменное напряжение преобразуется в постоянное с помощью диода, выделяется постоянная составляющая и измеряется. Т.к. магнитоэлектрический измеритель реагирует на постоянный (средневыпрямленный ток), то прибор градуируется в действующих значениях синусоидального тока, т.е. на шкале показывается не то значение, которое измеряется , а умноженное на коэффициент формы синусоиды Кф=1,11 (Кф=U/Uс.в.). Поэтому при измерении негармонических сигналов возникают методические погрешности. Из-за применения диодов класс точности уменьшается и становится 1,5 – 2,5 %. По этому принципу строятся переносные амперметры и вольтметры на постоянном и переменном токе, тестер,например.

При термоэлектрическом преобразовании переменного тока в постоянный, преобразователь включает в себя нагреватель, по которому протекает измеряемый ток, и термопару, на концах которой возникает термоЭДС. В цепь термопары включен микроамперметр, измеряющий термоток.. Поскольку переменный ток преобразуется в постоянный путем превращения электрической энергии в тепло, прибор будет показывать действующее значение тока. Достоинство этих приборов – широкий диапазон часто – до 10 МГц, недостаток – невысокая чувствительность и низкий класс точности. Применяются в качестве амперметров на повышенную частоту.

Электронные приборы. Эти приборы широко используются для измерения тока и напряжения. Они представляют собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на электронных лампах или транзисторах или интегральных микросхемах и магнитоэлектрического ( для аналоговых) или цифрового измерителя (отсчетного устройства). Цифровые электронные вольтметры в отличие от аналоговых содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и устройство цифрового отсчета

Измерение силы тока

Измерение постоянного тока

Измерение тока возможно методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами, а также косвенно. Диапазон измеряемых токов от тысячных долей ампер до сотен тысяч ампер.

Метод непосредственной оценки.

Амперметр включается последовательно в разрыв цепи. Такое включение увеличивает общее сопротивление и уменьшает протекающий ток. Поэтому необходимо, чтобы внутренне сопротивление амперметра было как можно меньше.

Относительная погрешность измерения тока .

Для измерения постоянного тока могут быть использованы приборы всех электроизмерительных систем (кроме электростатической): магнитоэлектрические, электродинамические, аналоговые и цифровые электронные амперметры. Измерение малых токов осуществляется магнитоэлектрическим измерителем совместно с усилителем постоянного тока (УПТ), высокочувствительными магнитоэлектрическими зеркальными гальванометрами и гальванометрическими компенсаторами.

Магнитоэлектрические приборы просты и высокоточны и непосредственно измеряют токи от 0,1 до 300 мА. Для расширения пределов измерения применяются специальные резисторы – шунты, позволяющие в сотни раз расширить пределы измерений. На рис. М2-5. приведена схема включения миллиамперметра с шунтом и без него.

Рисунок М2-5. Схема включения миллиамперметра

Шунты – это сопротивления, включаемые параллельно измеряемому устройству и служащие для расширения пределов по измеряемому току. Ток, протекающий через прибор , гдеnкоэффициент шунтирования. Сопротивление шунта выбирается так, чтобы большая часть тока протекала через шунт, а остальная часть не превышала бы допустимого значения для данного прибора. Конструкции шунтов определяются пределами измерений. Шунты для измерения сравнительно небольших токов (до 30 А) монтируются в корпусе прибора. Токи большего значения измеряются с помощью наружных шунтов. Достоинства магнитоэлектрических приборов – высокая точность ( до класса 0,05), малое потребление мощности, отсутствие влияния внешних цепей вследствие сильного собственного магнитного поля. Недостаток – малая перегрузочная способность и зависимость от температуры окружающей среды.

Гальванометры постоянного тока применяют для измерения малых значений токов и напряжений. Они могут строиться на принципе любой электроизмерительной системы. Чаще всего применяются гальванометры магнитоэлектрической системы, обеспечивающие высокую чувствительность (до ).

Косвенное измерение тока.

Косвенное измерение тока осуществляется с помощью образцового резистора, включаемого в разрыв цепи, и высокочувствительного измерителя напряжения, измеряющего падение напряжения на образцовом резисторе. Измеряемый ток определяется Ix=U/R.Для получения минимальной погрешности сопротивление образцового резистора должно быть меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток.