Методы измерения тока и напряжения

 

,

 

где I₁ и I₂ - действующие значения тока; j - фазовый сдвиг между ними.

Значит уравнение (15) для  переменного тока примет вид:

 

                                                                                    (16)

 

Из формул (15) и (16) ясно, что  показания приборов электродинамической системы пропорциональны произведению токов, протекающих по катушкам; градуировка шкалы на постоянном токе справедлива и для переменных токов.

К достоинствам этих приборов относятся: возможность перемножать измеряемые величины, т.е. измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности; сложность конструкции; недопустимость перегрузки; нелинейность шкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля.

Выпускаются амперметры, вольтметры электродинамической системы для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой 50 ,400, 1000, 2000, 3000 Гц.

Амперметры. Для измерения  силы тока обе катушки соединяют параллельно или последовательно (рис.11,а). При этом один и тот же ток протекает по обеим катушкам уравнение (15) будет иметь вид:

 

                                                                                  (17)

 

где S_I - чувствительность по току.

При параллельном соединении катушек пределы измерения тока будут больше чем при последовательном.

Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают с пределами измерений от 1 до 200 А. Расширение пределов (до 6кА) осуществляется при помощи измерительных трансформаторов тока.

Вольтметры. Для измерения  обе катушки соединяют последовательно (рис.11,б). Уравнение (15) для вольтметра примет вид:

 

                                  ,                                            (18)

 

где  S_U – чувствительность по напряжению;

R_k - сопротивление обмоток катушек.

 

 

Рисунок 11 Соединение катушек электродинамического прибора для работы его в качестве: а - амперметра; б - вольтметра.

 

При измерении переменного  напряжения в цепи вольтметра будет действовать полное сопротивление , где R_k и X_k - активное и реактивное сопротивление катушек. На частотах свыше 500 Гц реактивное сопротивление X_k проявляется довольно заметно и поэтому градуировка шкалы нарушается.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносные - от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерения вплоть до 30 кВ применяют измерительные трансформаторы напряжения.

 

2.4 Ферродинамические приборы

 

Ферродинамические приборы  являются разновидностью электродинамических  с тем 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.

 

2.5 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 (рис.12).

Энергия электрического поля . При движении подвижной пластины емкость С между ними изменяется. Формула вращающего момента будет иметь вид

и отклонение указателя

                                                   .           (19)

 

Противодействующий момент создается спиральной пружиной (рис.12,а) или весом подвижной пластины (рис.12,б). Из уравнения (19) следует, что электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.

К достоинствам электростатических приборов относятся: большие пределы напряжений (до 1 МВ); широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30 МГц). Недостатки: малая чувствительность; малая надежность; нелинейность шкалы; влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля.

Электростатические приборы  выполняются в виде щитовых и переносных вольтметров и киловольтметров для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 20 Гц до 30 МГц.

 

 

Рисунок 12 Устройство электростатических приборов: а – с изменяющейся рабочей площадью пластин; б - с изменяющимся расстоянием между пластинами; в - высоковольтного. 1 и 2 - неподвижная и подвижная пластины; 3 - высоковольтный электрод; 4 - заземленный электрод; 5 - металлическая труба; 6 - изолятор

 

2.6 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 (рис.13,а).

Преобразователь (рис.13,б) представляет собой нагреватель 1, по которому протекает измеряемый ток I, и связанную с ним термопару. Во время измерения температура места соединения нагревателя и термопары приобретают значение Т₁, а свободные концы термопары имеют температуру окружающего пространства T₂. Разность температур вызывает термоЭДС , где а - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала термопары и ее конструкции. В установившемся состоянии вследствие тепловой инерции температура нагревателя T₁ постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью. Запишем такое выражение , где k – коэффициент теплоотдачи.

Исключив разность температур из выражения и выражения для  термоЭДС, запишем

,

где - коэффициент пропорциональности;

R_н - сопротивление нагревателя;

I - среднеквадратичное значение измеряемого тока.

Нагреватель включают последовательно  в разрыв измеряемой цепи, а возникающую термоЭДС измеряют микроамперметром, работающим как милливольтметр. Шкалу последнего градуируют в среднеквадратических значениях измеряемого тока.

Термоэлектрические преобразователи  разделяются на контактные (рис.13,б) и (рис.13,в) и вакуумные (рис.13,г). В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары стеклянной или керамической бусинкой, так что между ними существует только незначительная емкостная связь.

 

 

Чувствительность у бесконтактного преобразователя ниже чем у контактного. У вакуумного термопреобразователя ниже, чем у контактного. В вакуумном термопреобразователе нагреватель и термопара помещены в стеклянный баллончик.

Нагреватель представляет собой  тонкую проволочку из манганина или нихрома. Термопара состоит из разнородных материалов и сплавов, устойчивых при высоких температурах.

Максимальное значение измеряемого  тока определяется сечением нагревателя и составляет от единиц миллиампер до десятков ампер. При необходимости измерения токов больших значений применяют трансформаторы тока. Максимальная частота измеряемого тока зависит от сечения нагревателя и его длины и при минимальных размерах достигает сотен мегагерц.

К достоинствам термоэлектрических приборов следует отнести независимость показаний от формы кривой измеряемого тока; к недостаткам - малую чувствительность; неравномерность шкалы, недопустимую перегрузку.

Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно в качестве амперметров и миллиамперметров. Термоэлектрические вольтметры применяются редко вследствие малого входного сопротивления и низкой чувствительности.

 

2.7 Выпрямительные приборы

 

Для измерения тока и в  цепях повышенной частоты широко применяют выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра (рис.14,а). В качестве выпрямительных элементов используются полупроводниковые (германиевые или кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентом выпрямления

 

 

где I_пр и I_об - прямой и обратный токи;

R_пр и R_об - прямое и обратное сопротивление диода.

Коэффициент выпрямления зависит от частоты и значения  преобразуемой электрической величины и от температуры окружающей среды. С повышением частоты часть тока ответвляется через внутреннюю емкость диода и коэффициент выпрямления уменьшается.

Выпрямительные приборы  работают по схемам одно- или двухполупериодного выпрямления (рис.14,б) ток в течении положительного полупериода проходит по измерительной ветви (открыт диод Д₁ и витки катушки миллиамперметра), в течении отрицательного полупериода - по защитной ветки (диод Д₂ и резистор R). Обе ветви идентичны, сопротивление резистора R равно сопротивлению катушки миллиамперметра R_А. Через диод Д₁ проходит пульсирующий ток i (рис.14,в), а показания миллиамперметра пропорционально постоянной составляющей тока или среднему значению I_ср. Если измеряемый ток синусоидальной формы, то

 

 

В схеме с двухполупериодного выпрямления (рис.14,г) измеряемый ток в течении положительного полупериода проходит по цепи Д₁ - миллиамперметр - Д₃, а в течении отрицательного - Д₂ - миллиамперметр - Д₄. Показания миллиамперметра пропорционально средневыпрямленному значению переменного тока. Для синусоидального тока (рис.14,д)

 

 

Шкалу выпрямительного прибора  всегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы. Значит, все оцифрованные деления шкалы умножают на коэффициент формы , . Главными источниками погрешностей выпрямительных приборов являются: погрешность градуировки миллиамперметра; емкость диодов; изменение температуры окружающей среды; выход частоты за пределы рабочего диапазона; отклонение формы кривой измеряемого тока от синусоидальной.

 

 

Рисунок 14 Схемы выпрямительных амперметров и графики токов и напряжений: а, б, в - при однополупериодном выпрямлении; г, д - при двухполупериодном выпрямлении

 

Для измерения больших  токов применяют приборы со схемой, представленной на (рис.15,а). Здесь резисторы R являются шунтами для каждого полупериода тока. В многопредельных амперметрах набор таких шунтов помещают внутри корпуса и переключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит из миллиамперметра и добавочного резистора R_д (рис.15,а). Добавочные резисторы располагаются внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключают их при изменении предела измерения.

 

 

Рисунок 15 Схемы выпрямительных приборов

 

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения. Снабженные источником постоянного напряжения, они могут использоваться для измерения электрического сопротивления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

В результате изучения курса  «Метрологии» удалось усвоить основные принципы и методы измерений токов и напряжений с учетом их частоты и уметь выбрать наиболее подходящий для данных условий метод и средство измерения, выполнить измерение и оценить погрешность результата измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

 

1. ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения»
2. Богданов Г.П., Кузнецов В.А., Лотонов М.А. «Метрологическое обеспечение и эксплуатация вычислительной техники». М: Радио и связь, 1990
3. Васильев Л.А. «Основы метрологии и электроизмерительная техника». Конспект телевизионных лекций: Учебное пособие. Донецк: ДонНТУ, 2004
4. Кузнецов В.А., Ялунин Г.В. «Основы метрологии». Учебное пособие. М.: Издательство стандартов, 1995
5. Кушнир Ф.В. «Электрорадиоизмерения»: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1983
6. Малинский В.Д. «Основы сертификации». Учебное пособие. М.: МГИЭМ, 2001
7. Меерсон А.М. «Радиоизмерительная техника». Л.: Энергия, 1978
8. «Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники» / Под ред. В.А.Кузнецова. М.: Радио и связь, 1990
9. «Метрология, стандартизация и измерения в технике связи». Учеб. пособие для вузов / Под ред. Б.П.Хромого. М.: Радио и связь, 1986
10. «Справочная книга радиолюбителя - конструктора»./Под ред. Чистякова Н.И. М.: Радио и связь,1990