Измерение силы токов и напряжений

Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного тока широкого диапазона частот и в 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, 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, быструю готовность к работе и высокую надежность.

Выбор приборов, выполняющих измерение тока и напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых: род измеряемого тока; 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 электронными цифровыми и аналоговыми вольтметрами. Если необходимо измерить напряжение 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.

 Измерение напряжения в цепях постоянного тока.

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивление R0, вольтметр включают параллельно нагрузке (рис. 14.1).

                Рис. 14.1 Схема включения вольтметра

Если внутреннее сопротивление вольтметра Rу, то относительная погрешность измерения напряжения

δu   = (Ux – U) / U = - (R / RV) / (1 + R / RV + R / R0)

где U — действительное значение напряжения на нагрузке R до включения вольтметра; Ux — измеренное значение напряжения на нагрузке R.

Отношение сопротивлений R / RV  обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра Ру к мощности  цепи Р, поэтому

δu = - (PV / P) / (1 + PV / P + R / R0)

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

Напряжение в цепях постоянного тока можно измерить любым измерителем напряжения, работающим на постоянном токе (аналоговыми магнитоэлектрическим, электродинамическим, электромагнитным, электростатическим 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 обладает большой мощностью, используют электромеханические вольтметры, мощность, потребляемую измерительными приборами, не учитывают; если же объект измерения маломощный, то мощность, потребляемую измерительными приборами, нужно учитывать либо использовать электронные вольтметры.

Методы сравнения. Нулевой метод заключается в уравновешивании, достигаемом при подключении к прибору сравнения либо двух электрически не связанных между собой, но противоположных по знаку напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Разница, полученная в результате такого воздействия, доводится до нуля. Нулевой метод реализуется в схемах компенсации напряжений или ЭДС (рис. 14.2, а) и токов (рис. 14.2, б).'

                            а)                                                       б)

Рис. 14.2. Схемы компенсации напряжений (а) и токов (б)

Наибольшее распространение получила схема, показанная на рис. 14.2, а. В ней измеряемое напряжение Ux компенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжением UК. Падение напряжения UК  создается током на регулируемом компенсирующем сопротивлении Rk. Изменение Rk происходит до тех пор,   пока UК  не окажется равным Ux. Момент компенсации определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектрического гальванометра G; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Устройства, служащие для выполнения измерений компенсационным методом, называют потенциометрами или компенсаторами. В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерения ток в рабочей цепи определяют не амперметром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС - нормального элемента. Нормальные элементы обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865В при 20 °С, внутреннем сопротивлении 500—10000м, токе перегрузки 1 мкА.

Схемные решения и конструкции компенсаторов постоянного тока могут быть различны.

Высокоомные компенсаторы используют для поверки магнитоэлектрических, электродинамических вольтметров. Для расширения пределов измерения напряжения в компенсаторах применяют высокоомные резисторные делители напряжения, позволяющие уменьшать измеряемое напряжение в п раз (10, 100, 1000) до значения, близкого к верхнему пределу измерения компенсатора. При использовании делителя напряжения от объекта измерения потребляется некоторая мощность, т. е. теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода.

При измерении ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях, входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим, поэтому целесообразно использовать дифференциальный или компенсационный метод.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и известным напряжениями при их неполной компенсации.

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения.

Для измерения малых постоянных напряжений используют гальванометрические компенсаторы. Основные их элементы: измерительный механизм магнитоэлектрического зеркального гальванометра, образцовый резистор обратной связи, фоторезисторы и источники постоянного напряжения, магнитоэлектрический микроамперметр.

Гальванометрический компенсатор имеет высокую чувствительность при высоком входном сопротивлении.

При прямом измерении постоянного тока амперметр включается последовательно в разрыв исследуемой цепи.

Последовательное включение амперметра с внутренним сопротивлением RА 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 δI измерения тока 1Х

δI = (Ix – I) / I =[E/(R + RA) – E / R = -(RA  / R )/(1 +   RA  / R)

где / — действительное значение тока в цепи до включения амперметра; 1Х — измеренное значение тока в цепи  R.

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

δI =  -(РА/Р)/(1 + РА/Р).

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра РA по сравнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т. е. RA → 0. Диапазон значений постоянных токов, с измерением которых приходится встречаться в различных областях техники, чрезвычайно велик (от токов 10-17 А до десятков и сотен тысяч ампер). Поэтому методы и средства измерения их различны.

Измерение постоянного тока можно выполнить любым измерителем постоянного тока: аналоговым магнитоэлектрическим, электродинамическим, аналоговым и цифровым электронным амперметром. При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших тока полного отклонения /и магнитоэлектрического измерителя, последний применяют совместно с усилителем постоянного тока. Усиления тока можно добиться при включении биполярных транзисторов по схеме с общим эмиттером, которая обеспечивает малое входное сопротивление усилителя.

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

Кроме прямого измерения токов амперметрами возможно косвенное измерение токов с помощью резисторов с известным сопротивлением R0, включаемых в разрыв цепи, и высокочувствительных измерителей напряжения. Измеряемый ток 1Х = U0/R0, где Uо — падение напряжения на резисторе R0, измеренное вольтметром либо компенсатором постоянного тока.

Для получения минимальных погрешностей измерения тока сопротивление резистора R0  должно быть много меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток. Косвенный способ реализован в электронных аналоговых и цифровых измерителях тока.

Измерение малых токов. Предельная чувствительность любого измерителя тока зависит от тока тепловых шумов, который тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление измерителя. Для снижения этого тока до уровня 10~17—10~16 А в полосе частот от О до 0,01—0,1 Гц необходимо применять приборы с внутренним сопротивлением не менее 1011—1012Ом, поэтому магнитоэлектрические гальванометры, гальванометрические компенсаторы, усилители на биполярных транзисторах относят к сравнительно низкоомным измерительным устройствам и, следовательно, они не могут использоваться при измерении токов менее 10~10—10~9 А. Для измерения малых постоянных и медленно изменяющихся токов применяют пассивные преобразователи тока в напряжение в сочетании с чувствительным измерителем напряжения, имеющим очень высокое входное сопротивление (до 1016Ом) и малый уровень шумов. Максимально должны быть уменьшены также паразитные токи. К пассивным преобразователям относят преобразователи резистивные, емкостные, логарифмирующие.

Измерение переменного напряжения и тока на промышленной частоте. Измерение 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 напряжения на промышленной частоте применяют компенсаторы переменного тока. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока, так как отсутствует эталон ЭДС переменного тока.

Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах. С увеличением частоты точность измерения переменного тока электромагнитными и электродинамическими амперметрами падает. Приборы специального исполнения имеют расширенный диапазон частот (примерно до 8—10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях.

В маломощных цепях повышенной и высокой частоты ток измеряют выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми амперметрами, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением. Амперметр должен обладать минимальными значениями входных величин — сопротивления, индуктивности и емкости. С увеличением частоты в цепи измерения тока влияние паразитных емкостей возрастает, поэтому для уменьшения погрешностей от токов утечки амперметр следует включать на участке с потенциалами, наиболее близкими к потенциалу земли.

В цепях высокой частоты токи преимущественно измеряют термоэлектрическим амперметром (термоамперметром), представляющим собой сочетание термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихрома, константана и др.), выделяется теплота, под действием которой нагревается горячий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС — ЕТ, зависящая от материала проводников термопары и пропорциональная разности температур горячего и холодного ее концов, т. е. пропорциональная температуре перегрева. Примерно .Ет =  30—40 мкВ на 1 °С перегрева. По способу нагрева горячего спая термопары термопреообразователи делят на контактные и бесконтактные. В контактных термопреобразователях горячий спай термопары приварен непосредственно к нагревателю. В бесконтактных термопреобразователях горячий спай термопары отделен от нагревателя изоляционным материалом (каплей стекла), что ухудшает условия теплопередачи, увеличивает тепловую инерцию, уменьшает чувствительность, но позволяет последовательно соединять несколько термопар, уменьшать влияние паразитных емкостей (между измеряемой и измерительной цепями). В некоторых бесконтактных преобразователях термопару протягивают внутри тонкой стеклянной трубочки, на которую намотан нагреватель.

Для увеличения чувствительности и более эффективного использования преобразователи соединяют в мостовую схему.

В зависимости от типа преобразователя эти приборы используют для измерения как постоянного, так и переменного токов в диапазоне частот 50 Гц— 200 МГц. Но основное назначение термоамперметров — измерение тока в цепях высокой частоты. На высоких частотах проявляются паразитные параметры термопреобразователя и поверхностный эффект в нагревателе. Поэтому каждый прибор рассчитывают на работу до определенной частоты измеряемого тока. Термоэлектрические амперметры выпускают для измерения токов от 100 мкА до десятков ампер.

Для измерения малых токов до 1 А применяют вакуумные термопреобразователи. Их помещают в специальные стеклянные баллоны, из которых выкачан воздух; при этом благодаря уменьшению потерь на излучение теплоты в окружающую среду чувствительность вакуумных преобразователей повышается. Вакуумные термопреобразователи бывают контактные и бесконтактные. Для измерения токов 1—50 А используют воздушные термопреобразователи.

К достоинствам термоамперметров относят то, что их показания не зависят от частоты и формы переменного тока, к недостаткам — малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не более чем на 50%), значительную мощность потребления (на 5 А примерно 1 Вт), ограниченный срок службы, невысокую точность (с изменением температуры изменяется сопротивление нагревателя, с увеличением частоты — паразитные параметры). Классы точности термоэлектрических амперметров — 1,5; 2,5; 4. В термоэлектрических амперметрах, предназначенных для больших токов, в результате выделения значительного количества теплоты подводящие колодки сильно разогреваются. Чтобы устранить влияние перегрева, применяют кроме основной еще и компенсационную термопару, горячий спай которой укреплен на одной из колодок, а термо-ЭДС направлена навстречу термо-ЭДС основной термопары. Расширение пределов измерения осуществляют с помощью трансформатора тока с ферритовым тороидальным сердечником. Термоамперметры бывают щитовые и переносные.

Для усиления постоянного тока термопары в термоамперметах применяют фотоусилители.

Процесс определения амплитудных и временных параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа длителен и выполняется с большой погрешностью. Воспроизведение импульсов малой длительности и с фронтами порядка единиц наносекунд без искажений сопряжено с тщательным выбором осциллографа по диапазону частот, экранировкой соединительных проводов, согласованием с соединительным кабелем и др. Более высокую точность измерения амплитуды импульса при удобной и быстрой индикации обеспечивают аналоговые и цифровые импульсные вольтметры.