Измерение электрических величин

Измерение тока и напряжения. Приборы для измерения тока называют амперметрами, для измерения напряжения – вольтметрами.

Выбор приборов для измерения тока и напряжения определяется совокупностью факторов, важнейшие из которых:

-род измеряемого тока;

-примерный диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон;

-форма кривой измеряемого тока/напряжения; мощность цепи, в которой выполняются измерения;

-мощность потребления прибора;

-допустимая погрешность измерения.

Измерение тока возможно прямое – методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами и косвенное, измерением напряжения на резисторе, сопротивление которого известно.

Измерение напряжения выполняют методами непосредственной оценки и сравнения.

Если необходимая точность измерений, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены электромеханическими амперметрами и вольтметрами, то следует предпочесть этот простой метод непосредственной оценки. В маломощных цепях постоянного и переменного тока для измерения напряжения обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжение с более высокой точностью, следует использовать метод сравнения (нулевой или дифференциальный).

Измерение напряжения в цепях постоянного тока.

Метод непосредственной оценки. Напряжение в цепях постоянного тока можно измерять любым измерителем напряжения, работающем на постоянном токе. Диапазон измеряемых напряжений от микровольт до десятков киловольт. Если объект измерений мощный, используют электромеханические вольтметры и мощность потребления ими не учитывается. Если объект измерения маломощный, то мощность потребления надо учитывать, либо использовать электронные вольтметры.

Рис.18. Схема включения вольтметра

При измерении методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение (рис. 18). Относительная погрешность измерения (методическая погрешность), обусловленная схемой подключения, будет равна

δ_U=-(R/R_V)/(1+ R/R_V + R/R₀)

где R – сопротивление и мощность потребления участка цепи;

R_V - сопротивление и мощность потребления вольтметра;

R₀ - внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Для уменьшения погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление по возможности велико. (Данная погрешность является систематической и может быть учтена в результате измерения введением поправки).

Метод сравнения (противопоставления). Метод измерения заключается в уравновешивании либо двух электрически не связанных между собой, но противоположных по знаку напряжений, либо двух раздельно регулируемых токов. Применяют схемы компенсации напряжений или ЭДС и токов. Наиболее распространенной является схема компенсации напряжений (рис 19а).

Рис. 19. Схемы компенсации: а – напряжений, б - токов

В ней измеряемое напряжение U компенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжением U_k. Падение напряжения U_k создается током I на изменяемом по значению компенсирующем сопротивлении R_k. Изменение сопротивления R_k производят до тех пор, пока показание гальванометра G не будет равным нулю, что соответствует равенству U= U_k. Значение измеряемого напряжения U определяют умножением показания амперметра на сопротивление R_k. Изменением R_p обеспечивают нормированное значение тока (показания амперметра).

Повышение точности результата измерений достигается за счет того, что мощность от объекта измерения не отнимается.

Приборы, реализующие рассмотренный принцип действия, называют компенсаторами или, чаще, потенциометрами.

Рис. 20. Схема измерения постоянного напряжения дифференциальным методом

Дифференциальный метод измерения напряжения основан на измерении разности между измеряемым напряжением и известным напряжением при их неполной компенсации (рис.20). Высокоомный электронный вольтметр V1 измеряет разность ΔU между известным напряжением U_k и измеряемым напряжением U_x. Вольтметр V2 используется для задания и контроля напряжения U_k. Снижение погрешности измерения достигается минимизацией мощности потребления вольтметра при измерении малой разности напряжений.

Измерение постоянного тока.

Метод непосредственной оценки. Для измерения весьма малых токов используют магнитоэлектрические приборы совместно с усилителями постоянного тока. Токи 10^-9…10^-6 А можно измерить непосредственно с помощью высокочувствительных зеркальных гальванометров и гальванических компенсаторов.

Амперметр включают последовательно в разрыв исследуемой цепи. Поскольку в этом случае общее сопротивление цепи увеличивается, а ток уменьшается, необходимо чтобы амперметр имел минимальное сопротивление. Относительная погрешность измерения тока, обусловленная подключением амперметра, будет равна

Δ_I= - (R_A/R)/(1+ R_A/R)

где R– сопротивление и мощность потребления участка цепи (нагрузки и источника энергии);

R_A - сопротивление и мощность потребления амперметра.

(Данная методическая погрешность может быть учтена введением поправки в результат измерения).

Косвенное измерение тока. При реализации косвенного метода в разрыв цепи включается резистор R с известным сопротивлением. Падение напряжения U на резисторе измеряется высокочувствительным вольтметром ил компенсатором постоянного тока. Значение измеряемого тока вычисляется в соответствии с законом Ома.

Для получения минимальных погрешностей измерения тока сопротивление резистора должно быть намного меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток.

Косвенный способ измерения реализован в электронных аналоговых и цифровых измерителях тока.

Измерение тока и напряжения в цепях переменного тока. Амперметры и вольтметры для измерений в электрических цепях переменного тока выбираются с учетом частоты переменного тока и рабочего диапазона частот измерительного прибора. В случае промышленной частоты 50 Гц и мощных объектов измерения применяют приборы электромагнитной и электродинамической систем.

Для измерения напряжения на промышленной частоте методом сравнения применяют компенсаторы переменного тока.

Для измерения переменных токов и напряжений используют многопредельные выпрямительные магнитоэлектрические амперметры и вольтметры, представляющие собой сочетание шунтов и добавочных резисторов, полупроводниковых одно или двухполупериодных выпрямителей и магнитоэлектрического амперметра. Отклонение подвижной части прибора в этом случае соответствует средневыпрямленному значению тока или напряжения, так как подвижная часть прибора при частоте тока 20 Гц и выше не успевает следовать за его изменением. Однако, с учетом известной зависимости между среднеквадратическим I и средневыпрямленным I_ср значениями тока для синусоидального сигнала (I/I_ср=1,11), шкалу прибора градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях. (Амплитудное значение тока I_A=1,41·I). Частотный диапазон применения выпрямительных приборов определяется характеристиками диодов и составляет от 10 Гц до сотен мегагерц.

Таблица 3. Приборы, используемые для измерения тока и напряжения

Рис.21. Схема включения измерительного механизма с выпрямителем: а – однополупериодным, б – двухполупериодным.

Достоинства выпрямительных приборов: высокая чувствительность по току и напряжению, малая собственная мощность потребления, малые габаритные размеры, широкий частотный диапазон.

Недостатки: зависимость сопротивления диодов от температуры, нелинейность шкалы, невысокая точность (классы точности 1,5; 2,5; 4), зависимость показаний от формы кривой исследуемого сигнала.

Диапазон измерений: по току 3 мА…6 А, по напряжению 75 мВ…600 В.

Измерение мощности. Методы измерения мощности существенно различаются в зависимости от параметров цепи, в которой производится измерение, предела измерения и частотного диапазона.

В цепях постоянного тока значение мощности потребления определяется произведением тока в нагрузке на падение напряжения в ней: P=U·I.

В цепях переменного тока мгновенное значение мощности потребления

p(t)=u(t) · i(t)

Если u(t) и i(t) – периодические функции времени с периодом Т, то среднее значение мощности потребления за указанный период называют мощностью или активной мощностью.

В цепях однофазного синусоидального тока измеряют активную P=U·I· cos φ, реактивную Q= U·I· sin φ и полную S=U·I мощности. Активная мощность измеряется в ваттах, реактивная – в вольт – амперах реактивных (варах), полная в вольт-амперах.

Мощность в цепях постоянного тока можно измерить косвенным путем по показаниям амперметра и вольтметра. При этом погрешность измерения значительна, так как погрешности измерения каждым из приборов суммируются.

Для измерения мощности методом непосредственной оценки в цепях постоянного и переменного токов применяют электродинамические и ферродинамические ваттметры. Неподвижную катушку измерительного механизма включают последовательно с нагрузкой, мощность которой необходимо измерить, а подвижную катушку – параллельно нагрузке (рис. 22а).

Рис.22 Схема включения электродинамического ваттметра:

а – при небольших токах нагрузки, б – при больших токах

Непосредственное включение катушек в цепь ограничивается значением тока (10 – 20) А для токовой катушки и 600 В – для подвижной катушки. При больших значениях параметров подвижную катушку подключают через трансформатор напряжения, а неподвижную катушку через трансформатор тока (рис. 22б). Значение мощности получают умножением показания ваттметра на произведение коэффициентов трансформации.

Электродинамические ваттметры изготовляют многопредельными, высоких классов точности (0,1; 0,2) с диапазоном измеряемых мощностей от десятых долей ватта до (3…6) кВт и используют как лабораторные приборы. При грубых измерениях в качестве щитовых приборов применяют ферродинамические ваттметры.

Для измерения мощности в цепях повышенной и высокой частот применяют электронные выпрямительные ваттметры, термоэлектрические ваттметры, ваттметрами с преобразователем Холла и цифровые ваттметры.

Измерение мощности в трехфазной сети может выполняться одним ваттметром (рис.23а), если нагрузка симметричная (равномерная по фазам). При неравномерной нагрузке измерения выполняют двумя ваттметрами в схеме без нулевого провода (рис. 23б) и тремя ваттметрами в схеме с нулевым проводом (рис. 23в).

а) б) в)

Рис. 23. Схемы измерения мощности в трехфазной сети: а – одним ваттметром с искусственной нулевой точкой; б – двумя ваттметрами; в – тремя ваттметрами

Приборы для измерения реактивной мощности конструктивно не отличаются от ваттметров, однако схема подключения прибора другая.

Измерение сопротивлений, индуктивностей, емкостей. Измерение параметров цепей и элементов, входящих в цепи, может быть прямое и косвенное. Прямое измерение выполняют аналоговым или цифровым омметром или с помощью мостов, косвенное измерение - с помощью амперметра и вольтметра (искомое сопротивление определяют на основании закона Ома по данным измерений напряжения и тока – рис. 24).

Рис. 24. Схемы измерения сопротивления амперметром и вольтметром.

Действительное значение сопротивления: схема а) для больших R_x - R _x =(U_V -I_A·R_A)/I_A; схема б) для малых R_x - R _x =U_V /(I_A - U_A/R_V). где U_V и I_A - измеренные значения напряжения и тока; R_V, R_A - внутренние сопротивления вольтметра и амперметра.

Приборы непосредственной оценки используют для измерений с относительно невысокой точностью. Точные измерения выполняют с помощью мостов, компенсаторов постоянного тока (потенциометров), цифровых и микропроцессорных приборов.

Сопротивление постоянному току измеряют электромеханическим омметром последовательным включением в цепь (рис. 25а), если сопротивление большое, и параллельным включением, если сопротивление относительно небольшое (рис.25б). Если напряжение U в процессе измерения поддерживать постоянным, то показания приборов будут пропорциональны значению сопротивления, связанному с током в соответствии с законом Ома. Основной недостаток указанных омметров – зависимость показания от значения напряжения, которое перед измерением следует контролировать и, при необходимости, корректировать.

Рис. 25. Принципиальная схема аналоговых омметров Рис. 26. Схема логометрического омметра.

для измерения а – больших и б – малых сопротивлений.

Схема а: I=U/(R₀+R_И+R_X); схема б: I=U/[R₀+R_И·R_X/(R_X+R_И)].

(Ключ В размыкают при установке начального показания прибора с помощью шунта – нуль или бесконечность).

Отмеченного недостатка лишены логометрические омметры магнитоэлектрической системы – их показания не зависят от значения напряжения. В таких омметрах измеряемое сопротивление включается последовательно (рис.26) или параллельно одной из катушек (рамок) прибора. Как было указано ранее, отклонение подвижной части логометра пропорционально отношению токов в катушках и, в нашем случае, отношению сопротивлений, подключенным к катушкам α=f(R₁/R₂). При известных значениях сопротивления катушек и добавочного сопротивления, отклонение стрелки прибора будет зависеть только от значения измеряемого сопротивления.

Логометрические омметры – приборы невысокого класса точности (1,5; 2,5; 4). Погрешность омметра указывают в процентах от длины шкалы.

В электронных омметрах и мегомметрах схема (рис.27) питается от стабилизированного источника питания. При измерении малых сопротивлений прибор подключают параллельно измеряемому сопротивлению R_X, при измерении больших сопротивлений - параллельно добавочному сопротивлению R₀.

Рис. 27. Схема электронного омметра. Рис. 28. Схема одинарного моста

Измерения методом сравнения с мерой реализуются, главным образом, с помощью измерительных мостов. Измерительные мосты различают по роду тока источника питания и схемному исполнению.

Схема одинарного моста постоянного тока показана на рисунке 28. Мост называют уравновешенным, если показание гальванометра равно нулю. Для этого должно выполняться соотношение R₁/R₂ = R₄/R₃. При измерении неизвестное сопротивление R_X устанавливается в одно из плеч моста, например, R_X= R₁. Изменяя отношение R₄/R₃ (мосты с переменным отношением) или значение R₂ (мосты с постоянным отношением), добиваются нулевого показания гальванометра. Искомое значение сопротивления R_X = R₁= R₂R₄/R₃. Диапазон измерений одинарного моста 10 Ом…100 кОм. При измерении малых сопротивлений (10 ^-8…10) Ом используют двойной мост. Высокоомные мосты постоянного тока применяют для измерения сопротивлений (10¹⁰…10¹⁶)Ом.

Измерение индуктивностей, емкостей и сопротивлений выполняют одинарными мостами переменного тока (рис. 29 и 30). Для удобства регулирования мосты конструируют таким образом, чтобы регулируемыми элементами являлись резисторы.

Рис.29. Схемы мостов для измерения индуктивности Рис.30. Схема моста для измерения ёмкости

катушек: а – при добротности менее 30,

б – при добротности более 30

На рис. 29а показана схема моста для измерения индуктивности катушек. Катушка характеризуется активным сопротивлением R_X, индуктивностью L_X и добротностью Q_X =ω· L_X / R_X. Уравновешивание моста производится изменением сопротивления R₃. Искомые значения параметров катушки вычисляются по формулам R_X = R₂ R₄ /R₃, L_X = R₂ R₄ C₃, Q_X =ω· C₃ R₃. Указанная схема применяется при добротности катушек до 30. При большей добротности сопротивление R₃ соединяют последовательно с емкостью C₃ (рис.29б). При этом расчетные зависимости изменятся.

Для схемы, показанной на рисунке 30, измеряемые параметры найдем из соотношений C_X = C₄ R₃ /R₂ и R_X = R₂ R₄ /R₃.

Расширение диапазона измеряемых параметров достигается использованием трансформаторных мостов.

Наибольшей универсальностью и простотой применения обладают цифровые мосты, в которых после подключения измеряемого сопротивления все процессы выполняются автоматически, и результат измерения выдается на показывающее устройство.

Схема измерения индуктивности с помощью амперметра и вольтметра приведена на рис. 31.

а б

Рис. 31. Измерение а - индуктивности и б - емкости вольтметром и амперметром.

Схема а: L= 1/(2πf) ·[(U/I)² – R_p²]^1/2, схема б: C=I/(2πfU).

Электрические счетчики. В конструкции электрических счетчиков для преобразования электрической энергии в механическую используется индукционный механизм. Принципиальное конструктивное исполнение такого счетчика показано на рис. 32 .

Рис. 32. Принципиальное конструктивное исполнение Рис. 33. Схема включения однофазного счетчика:

индукционного измерительного прибора на примере Г –генераторные зажимы, Н – нагрузка

счетчика электрической энергии

Работа индукционных приборов основана на взаимодействии магнитных полей, создаваемых катушками, и вихревых токов, индуцируемых в диске подвижной части измерительного механизма. Катушки подключаются к измерительной цепи как у ваттметров, т.е одна катушка токовая, а вторая катушка – катушка напряжения. Вследствие указанного взаимодействия на диск будет действовать вращающий момент (назовем его активным моментом), пропорциональный мощности в измеряемой цепи. Вихревые токи, возникающие при вращении алюминиевого диска 4 между полюсами постоянного магнита 2, взаимодействуют с магнитным полем и создают тормозящий момент. Значение тормозящего момента возрастает с увеличением частоты вращения диска. Равновесие подвижной системы достигается при частоте вращения (угловой скорости), соответствующей равенству активного и тормозного моментов.

При этом угловая скорость равна ∂α/∂t=S·U_н·I_н·cos φ=S·P.

Таким образом частота вращения диска пропорциональна мощности, а число оборотов диска за определенный промежуток времени пропорционален расходу электрической энергии.

Промышленность выпускает счетчики непосредственного включения, трансформаторные счетчики и счетчики трансформаторные универсальные.

Схема включения однофазного счетчика показана на рис. 33.

Наибольшее распространение получили счетчики, класс точности которых 1,0 – 2,5, сила тока до 100 А, напряжение 220 В и 380 В.

Основные свойства счетчиков нормирует ГОСТ 6570—96 «Счетчики электрической активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия».

Для измерения частоты переменного тока применяют приборы вибрационной системы. Действие вибрационных приборов основано на использовании явлений электромагнетизма и механического резонанса. При резонансе, т. е. при совпадении частот собственных колебаний системы и колебаний внешнего источника, амплитуда колебаний данной механической системы резко увеличивается. Это свойство используют в измерительных приборах вибрационной системы. Цифра на шкале, стоящая против вибратора, колеблющегося с наибольшей амплитудой, указывает частоту тока в сети.

Поиск по сайту: