Измерения тока и напряжения

Вопрос  41

Измерение напряжения в цепях постоянного тока: методы и средства измерения, схемы включения  приборов, расширение пределов измерения.

Ответ.

Электроизмерительные  приборы, предназначенные для измерения  напряжения, называются вольтметрами. Вольтметры включают параллельно участку электрической цепи, на котором измеряют напряжение. При этом вольтметр должен иметь очень большое сопротивление по сравнению с сопротивлением элемента цепи, на котором измеряется напряжение. Это необходимо для уменьшения погрешности измерения и для того, чтобы не было изменения режима работы цепи. В самом деле, чем больше сопротивление вольтметра, тем меньший ток проходит через него и тем меньше расходуется в нем энергия, а следовательно, тем меньшее влияние оказывает включение прибора на режим работы цепи. При измерениях в цепях постоянного тока целесообразно пользоваться приборами магнитоэлектрической системы.

    Для  измерения тока и напряжения  применяют метод непосредственной  оценки и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки осуществляют  с помощью прямопоказывающих приборов – 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.  Включенный  в цепь  прибор оказывает  на  ее  режим  определенное  влияние,  для  уменьшения   которого необходимо строго выполнять следующие условия:

      . внутреннее сопротивление амперметра RA  должно  быть  много меньше сопротивления нагрузки Rн;

      . внутреннее сопротивление вольтметра  RV  должно  быть  много больше сопротивления нагрузки Rн;

   Невыполнение  этих  условий  приводит  к   систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадет со значениями отношений   RA/RН и  RН/RV.  Условие RV   >   RН  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. С повышением частоты погрешность измерений тока увеличивается.

  Метод  сравнения  обеспечивает  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.

Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры)

    Электромеханические измерительные приборы относятся к приборам  прямого преобразования,   в   которых   электрическая    измеряемая    величина  непосредственно  преобразуется  в  показания  отсчетного  устройства.  Таким образом, любой  электромеханический  прибор  состоит  из  следующих  главных частей:                                                                                        . неподвижной, соединенной с корпусом прибора;                                                       .  подвижной,  механической  или оптической  связанной с отсчетным устройством.                                                                                              Отсчетное устройство предназначено для наблюдения  значений  измеряемой величины. Оно  состоит  из  шкалы  и  указателя,  располагаемых  на  лицевой стороне  прибора.  Шкалой   называется   совокупность   отметок   (штрихов), расположенных  в  определенной   последовательности,   и   проставленных   у некоторых  из  них  чисел  отсчета,  соответствующих  ряду последовательных  значений   измеряемой   величины.   Шкалы  могут   быть   равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими  и  др.).  Расстояние  между двумя  соседними  штрихами  называется  делением  шкалы.  Разность  значений измеряемой  величины,  соответствующая  двум  соседним  отметкам  называется ценой деления. Указатели делятся на  стрелочные  и  оптические.  Оптические  указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части,  и системы  зеркал  удлиняющих  путь  луча  света   и   направляющих   его   на полупрозрачную   шкалу.   Оптические    указатели    обеспечивают    большую чувствительность прибора и  меньшую  погрешность  отсчета  по  сравнению  со стрелочным. Подвижная часть прибора снабжается  осью  или   полуосями,   которые оканчиваются запрессованными в них стальными кернами. Последние опираются  на корундовые или рубиновые подпятники .  Трение  керна о подпятник снижает  чувствительность  и  точность  прибора,  поэтому  подвижную   часть устанавливают на растяжках или подвесах.                                                                                                                   По  принципу  преобразования  электромагнитной  энергии  в  механическую приборы  разделяются  на  несколько групп .  Основными   системами являются:   магнитоэлектрическая,   электромагнитная,    электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая.

1. Магнитоэлектрические приборы.

  Применяются  в   качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях  постоянного  тока,  а  в сочетании  с  преобразователями  переменного  тока  в  постоянный  –  и  для измерений в цепях переменного тока. Узел для создания вращающего момента состоит из сильного  постоянного магнита и легкой подвижной катушки,  по  которой  протекает  измеряемый  ток. Обмотка подвижной катушки состоит из витков  тонкого  провода, поэтому магнитоэлектрический  прибор  можно  применять  непосредственно   только   в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра.                                                                                   Гальванометры. Особо чувствительные  магнитоэлектрические  приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества. Гальванометры  часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих  отсутствие  тока  в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с  двухсторонней  шкалой,  т.е.  с нулевой отметкой посередине.                                                                                            Гальванометры  разделяются  на  переносные  и  стационарные.  Подвижная катушка  у  переносных  гальванометров  крепится  на  растяжках;  внутреннее отсчетное   устройство   снабжено   оптическим   указателем.    Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки)  и внешней шкалой.

   2. Электромагнитные приборы

  Узел для  создания вращающего момента состоит из  плоской или    круглой катушки,  по  которой протекает измеряемый  ток,  и   сердечника, закрепленного на оси указателя. Принцип  действия  приборов  электромагнитной  системы  заключается  во взаимодействии  магнитного   поля   катушки   с   подвижным   ферромагнитным сердечником.                               

 Достоинства  электромагнитных  приборов  –  простота  конструкции   и надежность. Недостатки:  малая  чувствительность;  Значительное  потребление мощности от измеряемой цепи (до  1  Вт);  нелинейность  шкалы;  значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей  среды,  внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока. Электромагнитные приборы благодаря простоте,  дешевизне  и  надежности широко применяют для измерения  токов  и  напряжений  в  сильноточных  цепях постоянного  и  переменного  тока  промышленной  частоты  (50  и  400   Гц). Большинство электромагнитных  амерметров  и  вольтметров  выпускают  в  виде щитовых приборов различных класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы  класса  1,5  и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000, 1500 Гц.

 3. Электродинамические приборы

Узел для создания вращающего момента состоит  из  неподвижной  катушки, внутри  которой  помещена  подвижная.  Принцип   действия   заключается   во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек,  по  которым протекают измеряемые токи.

 4. Ферродинамические приборы

Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических  стем  отличием,  что  неподвижные   катушки   заключены   в   сердечники   из ферромагнитного  материала.  Такая  конструкция  обеспечивает   значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних  магнитных  полей. Однако это приводит к увеличению погрешности прибора.

5. Электростатические приборы

    Принцип   действия  приборов  электростатической  системы   основан   на взаимодействии  двух  электрически   заряженных   тел.   Конструктивно   они выполняются в виде неподвижной и подвижной пластин к которым  прикладывается измеряемое напряжение .

 6. Термоэлектрические приборы

    Приборы   с  термопреобразованием  предназначены   для  работы  в   цепях переменного тока в диапазоне низких  и  высоких  частот.  Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя  магнитоэлектрического милли – или микроамперметра.

 7. Выпрямительные приборы

   Для измерения  тока  и  в  цепях  повышенной  частоты  широко  применяют выпрямительные  приборы,  состоящие  из  выпрямительного  преобразователя  и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра .  В качестве выпрямительных элементов  используются  полупроводниковые  (германиевые  или кремниевые) диоды.                                                                                        

Схема включения вольтметра

Для расширения пределов измерений вольтметров в цепях постоянного тока с напряжением до 1000-4500 В служат добавочные резисторы, включаемые последовательно с прибором. В цепях переменного тока напряжением свыше 1000 В для расширения пределов измерений используют измерительные трансформаторы напряжения.

Добавочные резисторы  включенные последовательно с прибором

Шкалу вольтметров  в большинстве случаев градуируют с учетом добавочного сопротивления  rд. При этом вольтметр может быть выполнен на несколько пределов измерения, для чего он снабжается несколькими добавочными сопротивлениями и соответствующим переключателем шкалы на лицевой стороне прибора.