Методы измерений электрических величин

5.4.1. Измерение напряжений и токов.

5.4.1.1. Общие сведения.

При выборе средства измерений электрических напряжений и токов необходимо, прежде всего, учитывать:

- род измеряемой физической величины (напряжение или ток);

- наличие и характер зависимости измеряемой величины от времени на интервале наблюдения (зависит или нет, зависимость представляет собой периодическую или непериодическую функцию и т.д.);

- диапазон возможных значений измеряемой величины;

- измеряемый параметр (среднее значение, действующее значение, максимальное значение на интервале наблюдения, множество мгновенных значений на интервале наблюдения и т.п.);

- частотный диапазон;

- требуемую точность измерений;

- максимальный интервал времени наблюдения.

Кроме того, приходится учитывать диапазоны значений влияющих величин (температуры окружающего воздуха, напряжения питания средства измерений, выходного сопротивления источника сигнала, электромагнитных помех, вибраций, влажности и т.д.), зависящие от условий проведения измерительного эксперимента.

Диапазоны возможных значений напряжений и токов весьма широки. Например, токи могут быть порядка 10^-16 А при измерениях в космосе и порядка 10⁵ А - в цепях мощных энергетических установках. В данном разделе рассматриваются, в основном, измерения напряжений и токов в наиболее часто встречающихся на практике диапазонах: от 10^-6 до 10³ В и от 10^-6 до 10⁴ А.

Для измерения напряжений используют аналоговые (электромеханические и электронные) и цифровые вольтметры {2К1}, компенсаторы (потенциометры) постоянного и переменного тока, аналоговые и цифровые осциллографы и измерительные системы.

Для измерений токов используют электромеханические амперметры {2К2}, а также мультиметры и измерительные системы, в которых измеряемый ток преобразуется предварительно в пропорциональное ему напряжение. Кроме того, для экспериментального определения токов используют косвенный метод, измеряя напряжение, вызванное прохождением тока через резистор с известным сопротивлением.

5.4.1.2. Измерение постоянных напряжений электромеханическими приборами.

Для создания вольтметров используют следующие измерительные механизмы {2К3}: магнитоэлектрический {2К4}, электромагнитный {2К5}, электродинамический {2К6}, ферродинамический {2К7} и электростатический {2К8}.

В магнитоэлектрическом измерительном механизме вращающий момент пропорционален току в подвижной катушке. Для построения вольтметра последовательно с обмоткой катушки включают добавочное сопротивление. Измеряемое напряжение, подаваемое на это последовательное соединение, пропорционально току в обмотке; поэтому шкалу прибора можно градуировать в единицах напряжения. Направление вращающего момента зависит от направления тока, поэтому необходимо обращать внимание на полярность подаваемого на вольтметр напряжения.

Входное сопротивление R _вх магнитоэлектрического вольтметра зависит от конечного значения U _к, диапазона измерений и тока полного отклонения I _по – тока в обмотке катушки, при котором стрелка прибора отклонится на всю шкалу (установится на отметке U _к). Очевидно, что

R _вх = U _к/ I _по. (5.1)

В многопредельных приборах часто нормируют не значение R _вх, а ток I _по. Зная напряжение U _к для используемого в данном эксперименте диапазона измерений, значение R _вх можно рассчитать по формуле (5.1). Например, для вольтметра с U _к = 100 В и I _по = 1 мА R _вх = 10⁵ Ом.

Для построения электромагнитных, электродинамических и ферродинамических вольтметров используют аналогичную схему, только добавочное сопротивление включают последовательно с обмоткой неподвижной катушки электромагнитного измерительного механизма или с предварительно последовательно соединенными обмотками подвижной и неподвижной катушек электродинамического или ферродинамического измерительных механизмов. Токи полного отклонения для этих измерительных механизмов обычно существенно больше, чем для магнитоэлектрического, поэтому входные сопротивления вольтметров меньше.

В электростатических вольтметрах используют электростатический измерительный механизм. Измеряемое напряжение подают между изолированными друг от друга неподвижными и подвижными пластинами. Входное сопротивление определяется сопротивлением изоляции (порядка 10⁹ Ом).

Наиболее распространенные электромеханические вольтметры с классами точности 0,2. 0,5, 1,0, 1,5 позволяют измерять постоянные напряжения в диапазоне от 0,1 до 10⁴ В. Для измерения больших напряжений (обычно более 10³ В) используют делители напряжения {2К9}. Для измерения напряжений менее 0,1 В можно применять магнитоэлектрические гальванометры {2К10} и приборы на их основе (например, фотогальванометрические приборы), однако целесообразнее использовать цифровые вольтметры.

5.4 .1.3. Измерение постоянных токов электромеханическими приборами.

Для создания амперметров используют следующие измерительные механизмы {2К3}: магнитоэлектрический {2К4}, электромагнитный {2К5}, электродинамический {2К6} и ферродинамический {2К7}.

В простейших однопредельных амперметрах цепь измеряемого тока состоит из обмотки подвижной катушки (для магнитоэлектрического измерительного механизма), обмотки неподвижной катушки (для электромагнитного измерительного механизма) или последовательно включенных обмоток подвижной и неподвижной катушек (для электродинамического и ферродинамического измерительных механизмов). Таким образом, в отличие от цепей вольтметров, в них отсутствуют добавочные сопротивления.

Многопредельные амперметры строят на базе однопредельных, используя различные приемы для уменьшения чувствительности. Например, пропуская измеряемый ток через часть обмотки катушки или включая обмотки катушек параллельно. Используют также шунты – резисторы с относительно малыми сопротивлениями, включаемые параллельно обмоткам.

Наиболее распространенные электромеханические амперметры с классами точности 0,2. 0,5, 1,0, 1,5 позволяют измерять постоянные токи в диапазоне от 10^-6 до 10⁴ А. Для измерения токов менее 10^-6 А можно применять магнитоэлектрические гальванометры {2К10} и приборы на их основе (например, фотогальванометрические приборы).

---

Дата добавления: 2015-08-02