Главная > Задача


ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И СИЛЫ ТОКА

Измерения напряжения и силы тока (в литературе и на практике принято гово­рить об измерении тока, но в принципе измеряют силу тока) в радиотехнических цепях существенно отличаются от подобных измерений в электротехнических цепях, что объясняется спецификой радиотехнических сигналов. Несмотря на ограниченное применение таких характеристик сигналов, как напряжение и сила тока, вольтметры и амперметры являются достаточно востребованными типами приборов.

Общие сведения

Измерения напряжения и силы тока в электрических цепях относятся к наиболее распространенным видам измерений. При этом преобладающее значение имеет измерение напряжения, так как чаще всего этой величиной принято характеризовать режимы работы различных радиотехнических це­пей и устройств. К тому же параллельный метод подключения вольтметра к участку цепи, как правило, не приводит к нарушению электрических процес­сов в ней, поскольку входное сопротивление прибора выбирается достаточно большим. При измерениях же тока приходится размыкать исследуемую цепь и в ее разрыв последовательно включать амперметр, внутреннее сопротивле­ние которого отлично от нуля. Однако в ряде случаев необходимы или пря­мые или косвенные измерения силы тока, поэтому вопросы измерения на­пряжения и силы тока в этой главе рассматриваются совместно.,

Задача измерения постоянных напряжения и силы тока заключается в на­хождении их значения и полярности. Целью измерения переменных напря­жения и силы тока является определение какого-либо их параметра.

Так как напряжение и сила тока связаны, согласно закону Ома, линейной зависимостью, чаще проводят измерение напряжения и по его значению ана­литически вычисляют силу тока.

Из курса физики известно, что напряжение между точками А и В есть ска­лярная величина, определяемая выражением

где — напряженность электрического поля; — расстояние между точками.

Современные методы и средства измерений позволяют измерять напря­жения в диапазоне 10-10... 106 В и силу тока в диапазоне 10-18... 105 А. Вместе с тем данные измерения должны осуществляться в очень широкой полосе частот,— от постоянного тока до сверхвысоких частот. Такие крайние зна­чения величин требуют уникальных методов измерения.

Измерение параметров переменного напряжения — сложная метрологи­ческая задача, связанная с обеспечением требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого сигнала. Переменное напряжение (пере­менный ток) промышленной частоты имеет синусоидальную форму

и его мгновенное значение u(t) характеризуется несколькими основными па­раметрами: амплитудой Um, круговой частотой со и начальной фазой .

Уровень переменного напряжения может быть определен по амплитуд­ному, среднему квадратическому (часто в технической литературе употреб­ляется термины «среднеквадратическое», «действующее» и «эффективное», которые соответствующим ГОСТом относятся к нерегламентируемым), сред­нему (постоянной составляющей) или средневыпрямленному значениям.

Мгновенные значения напряжения u(t) наблюдают на экране осциллогра­фа или другого индикаторного устройства и определяют в каждый момент времени (рис. 5.1).

Амплитуда (высота; устаревшее — пиковое значение) Um — наибольшее мгновенное значение напряжения за время наблюдения или за период.

Измеряемые напряжения могут иметь различный вид, например, форму им­пульсов, гармонического или негармонических колебаний — суммы синусоиды с постоянной составляющей и т.д. (рис. 5.1, а, б, в). При разнополярных несиммет­ричных кривых формы напряжения различают два амплитудных значения (рис. 5.1, г): положительное и отрицательное .

Рис. 5.1. Иллюстрации к понятию амплитуда напряжения:

а _ импульсы положительной полярности; 6 — синусоидальное напряжение;

в — сумма синусоиды и постоянной составляющей; г — несинусоидальное колебание

Среднее квадратическое значение напряжения определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напряжения за время измерения (или за период):

Если периодический сигнал несинусоидален, то квадрат среднего квадратического значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и средних квадратических значений гармоник:

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения равно сред­нему арифметическому всех мгновенных значений за период:

Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее арифметиче­ское абсолютных мгновенных значений за период:

Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямленное значе­ния равны. В случае разнополярных напряжений эти два значения могут су­щественно отличаться друг от друга. Так, для гармонического напряжения Uсp=0, Ucp=0,637Um.

Наиболее часто измеряют среднее квадратическое значение напряжения, так как этот параметр связан с мощностью, нагревом, потерями. Однако проще измерить амплитудное или средневыпрямленное значение и произве­сти пересчет с применением коэффициентов амплитуды Ка и формы Кф:

В частности, для синусоидальной (гармонической) формы переменного напряжения: Ка = 1,41; Кф = 1,11.

Значения этих коэффициентов для наиболее употребляемых в радиотех­нических цепях и средствах измерения видов сигналов и соотношения между ними даны в табл. 5.1, где все величины напряжений обозначены буквой и.

5.2. Основные типы приборов, измеряющих напряжение и силу тока

Напряжение и силу тока измеряют приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсато­рами). По структурному построению всевозможные приборы, изме­ряющие напряжение и силу тока, условно можно разделить на три ос­новных типа:

• электромеханические;

• электронные аналоговые;

• цифровые.

Электромеханические приборы

По физическому принципу, положенному в основу построения и конст­руктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией из­меряемой величины.

Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее обстоятельство позволяет измерять наиболее информативные параметры сигнала без ме­тодических ошибок. Электромеханические измерительные приборы строят по обобщенной структурной схеме, показанной на рис, 5.2.

Рис. 5.2. Структурная схема электромеханического прибора

Измерительная схема электромеханического прибора состоит из совокупности сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов электрической цепи прибора и осуществляет количественное или качествен­ное преобразование входной величины х: в электрическую величину х', на которую реагирует измерительный механизм. Последний преобразует элек­трическую величину х' в механическое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается на шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x). Для этого необходимо чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно определенное отклонение α. При этом параметры схемы и измерительного механизма не должны меняться при изменении внешних условий: температуры окружающей среды, частоты питающей сети и дру­гих факторов.

Классификацию электромеханических приборов производят на основа­нии типа измерительного механизма. Наиболее распространенными в прак­тике радиотехнических измерений являются следующие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, элек­тростатическая.

Условное обозначение типа измерительной системы наносится на шкале прибора или средства измерения.

Данные измерительные системы представлены в табл. 5.2, где приведены также формулы передаточной функции (уравнения шкалы) измерительного механизма и ряд его технических характеристик.

В добавление к помещенным в табл. 5.2 сведениям и рисункам сделаем следующие пояснения.

Наименование системы, функциональная схема

Уравнение шкалы, применение

Частотный диапазон, потребление мощно­сти, класс точности

Магнитоэлектрическая:

1 - рамка с измеряемым током и стрелкой;

2 - неподвижный сердечник;

3 - полюсные наконечники

4 - возвратная пружина

где Ψ0= BSω ;

В - индукция в зазоре;

S - площадь рамки;

ω - число витков рамки;

W- удельный противодей­ству­ющий момент, создаваемый пру­жиной

В основном, используются как:

Переносные, лабораторные, мно­го­пре­дель­ные амперметры, вольтмет­ры посто­янного тока

Постоянный ток

Класс точности

0,05...0,5

Рсо6 ≈10-5...10-4Вт

Электромагнитная

L - индуктивность катушки

В основном, используются как:

Щитовые и лабораторные переносные низкочастотные амперметры; вольтметры

F=0...5 кГц

Класс точности

0,5...2,5

Рсо6 ≈1…6 Вт

Электродинамическая

1 - неподвижная катушка

2 подвижная катушка

где θ - угол между токами;

М - коэффициент взаимной индук­тив­ности катушек

В основном, используются как:

Лабораторные приборы низко­частотные высокого класса точности

F=0...5кГц

Класс точности

0,1.:. 0,2

Рсо6 ≈1 Вт

Электростатическая

С - емкость между пластинами

В основном, используются как:

Высокочастотные лабораторные и высоковольтные вольтметры

F=0...30 MГц

Класс точности

0,5...1,5

Рсо6 < 1 мВт

Таблица 2. Электромеханические приборы

Магнитоэлектрическая система. В этой системе измеритель­ный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно за счет особой конфигурации магнитопро­вода. Под воздействием тока I рамка вращается в магнитном поле, угол пово­рота α ограничивают специальной пружиной, поэтому передаточная функция (часто называемая уравнением шкалы) линейна:

где Ψ0 — удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W — удельный противодействующий момент, созда­ваемый специальной пружиной.

На основе магнитоэлектрического механизма создаются вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы, и их структурное построение главным образом определяется измерительной схемой. Измерительные приборы магнитоэлектрической системы имеют достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление энергии из измерительной цепи, высокую чувствительность, но работают лишь на по­стоянном токе.

Для расширения пределов измерения токов амперметрами и напряжений вольтметрами применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно индикаторам в схемы этих приборов.

Гальванометры. Особую группу измерителей тока составляют высоко­чувствительные магнитоэлектрические приборы — нуль-индикаторы, схемы сравнения, или указатели равновесия, называемые гальванометрами. Их за­дача показать наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны обладать большой чувствительностью. Гальванометры снабжают условной шкалой и не нормируют по классам точ­ности.

Чувствительность гальванометров выражается в мм или делениях (на­пример, Si≈109 мм/А). Такая высокая чувствительность достигается за счет особой конструкции прибора.

Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому при выпуске на производстве чувствительные гальванометры не градуируют в единицах измеряемой физической величины и им не присваивают классы точности. В качестве же метрологических ха­рактеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки.

Современные гальванометры позволяют измерять токи 10-5...10-12 А и напряжения до 10-4 В.

Электромагнитная система. Принцип действия электромагнит­ной системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердеч­ником. Ферромагнитный сердечник втягивается в катушку при любой поляр­ности протекающего по ней тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле катушки так, что поле усиливается. Следова­тельно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако электромагнитные приборы являются все-таки низкочастотны- ми, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возмож­ность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях пере­менного тока, на постоянном токе. К недостаткам приборов этой системы можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точ­ность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей.

На практике применяют амперметры электромагнитной системы с преде­лами измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры — от долей вольта до сотен вольт.

Приборы электромагнитной системы применяют в основном как щито|вые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для измерений на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц.

Пример 1. Класс точности большинства электромеханических приборов обо­значен одной цифрой ±р. Покажем, как пользоваться указанным значением класса точности на примере задачи.

При измерении напряжения сети вольтметром электромагнитной системы класса точности 1,5 со шкалой, максимальное значение которой UN= 300 В (номинальное значение), показания прибора составляли 220 В. Чему в действительности может быть равна измеренная величина напряжения?

Решение. Полагая, что наибольшая приведенная основная по­грешность составляет р = ± 1,5 %, определяем допускаемую абсолютную погреш­ность:

Следовательно, истинное значение измеряемого напряжения лежит в границах: (220 - 4,5) В < иист < (220 + 4,5) В. Данное неравенство указывает на то, что истинное значение не может отклоняться от измеренного на величину более, чем ±4,5В. В действительности это отклонение, как правило, оказывается меньшим, так как при установлении класса точности учитывается наихудшая комбинация факторов влияющих на инструментальную погрешность прибора.

Электродинамическая система — измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвижную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля кото­рых взаимодействуют в соответствии с формулой:

где Мвр — вращающий момент; I1 — ток через неподвижную катушку; I2 — ток через подвижную катушку; θ — фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М— коэффициент взаимной индуктивности катушек.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соеди­нения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. Досто­инством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может быть 0,1...0,2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измери­тельных приборов переменного тока. По другим показателям электродинамиче­ские приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы ис­пользуются как образцовые лабораторные измерительные приборы.

Электростатические приборы —принцип действия электро­статического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Ограничение движения (как и в других электромеханических системах) осуществляется за счет пружинки. Электростатические приборы по принципу действия меха­низма являются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частот­ный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения.

Магнитоэлектрические приборы с преобразователями переменного тока в постоянный.

Описанные выше приборы не решают многих проблем, возникающих при измерении на переменном токе: электромагнитный и электродинамический — низкочастотны, электростатический обладает низкой чувствительностью. Приме­нение магнитоэлектрического механизма в сочетании с преобразователем позво­ляет существенно расширить возможности измерений на переменном токе. По типу преобразователя данные приборы делятся на выпрямительные и термоэлек­трические. Описание свойств схем представлено в табл. 5.3.

Таблица 5.3. Магнитоэлектрическая система с преобразователями

Наименование системы, функциональная схема

Уравнение шкалы, применение

Частотный диапазон, класс точности, потребление мощности

Выпрямительная система

где

Переносные многопредельные амперметры-вольтметры на постоянный и переменный ток

F=0...100кГц

Класс точности

2,5...4 на переменном токе,

1,5 на постоянном токе.

Рсо6=10-4...10-3Вт

Термоэлектрическая система:

1 - нагреватель; 2 - термопара

где

A - коэффициент, учитываю­щий параметры нагревателя термопары и прибора. Амперметры на повышенную частоту.

F=0... 10МГц

Класс точности 1,5. ..4,0 Рсо6=0,01...1Вт

Выпрямительные приборы состоят из полупроводникового преобразователя переменного тока в постоянный и магнитоэлектрического прибора. Основным узлом электрической схемы выпрямительного прибора является преобразователь. Для его построения широко используются полу­проводниковые диоды. Применение полупроводниковых диодов основано на явлении нелинейной зависимости между приложенным напряжением и про­текающим через них током. Вследствие нелинейности характеристики диода спектр протекающего через него тока содержит составляющие частот, крат­ных частоте измеряемого напряжения, а также постоянную составляющую, отражающую информацию о значении измеряемой величины.

Технически удобнее выделить постоянную составляющую выходного то­ка (или напряжения), значение которой связано определенной функциональ­ной зависимостью с измеряемым напряжением, и которая может служить сигналом измерительной информации. В этом случае основные операции, выполняемые электрической схемой вольтметра — преобразование измеряе­мого напряжения с помощью нелинейного устройства, выделение постоян­ной составляющей и ее измерение показывающим измерительным прибором.

Схема преобразователя может строиться разными способами, но в резуль­тате через измерительный механизм протекает однополярный пульсирующий ток (двухполупериодный или однополупериодный).

В табл. 5.3 показан простейший двухполупериодный (двухтактный) диод­ный выпрямитель. В силу того, что магнитоэлектрическая измерительная система реагирует на постоянный (средневыпрямленный) ток, показания прибора будут пропорциональны средневыпрямленному значению перемен­ного тока или напряжения. Данное обстоятельство является очень сущест­венным, так как приборы проградуированы в средних квадратических значе­ниях синусоидального тока. Это значит, что на шкале прибора представлено не то значение, на которое реагирует прибор (т.е. средневыпрямленное), а величина, умноженная на коэффициент формы синусоиды Kф = 1,11.

При измерении параметров переменного негармонического сигнала, практически всегда возникает методическая погрешность. Например, при градуировке измерительного прибора на синусоидальном токе точке шкалы в 100 В соответствовало средневыпрямленное значение напряжения 90 В. Если на этот измерительный прибор подать напряжение, имеющее форму меандра с параметрами, изображенными на рисунке (напомним, что у такого сигнала Ка = Кф = 1, т.е. Um = U = Ucpв 90 В), его показания также будут около 100 В (1,11 С/срв) и абсолютная погрешность измерения напряжения составит: ∆ = 100-90 = 10 В.

Выпрямительные приборы при­меняются как комбинированные измерители постоянного и пере­менного тока и напряжения с пре­делами измерения тока от 1 мА до 600 А, напряжения от 0,1 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувст­вительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется применяемыми диодами. Так, использование точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений на частотах 50... 105 Гц. Основ­ными источниками погрешностей приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора. Выпрямительные приборы выполня­ются в виде многопредельных и многоцелевых лабораторных измерительных приборов. К этому типу измерительных приборов относится так называемый - тестер.

Термоэлектрическая система — приборы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического микроамперметра. Термопреобразователь включает нагреватель, по которому протекает изме­ряемый ток, и термопару, на концах которой возникает термоЭДС. В цепь термопары включен микроамперметр, измеряющий термоток. Рабочий спай термопары находится в тепловом контакте с нагревателем. Нагреватель пред­ставляет собой тонкую проволоку из металлического сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин). Еще более тонкие проволоч­ки из термоэлектродных материалов применяют для изготовления термопа­ры. При прохождении измеряемого тока через нагреватель, место его контак­та с термопарой нагревается до температуры нагрева, а холодный спай оста­ется при температуре окружающей среды. Функционирование прибора осно­вано на тепловом действии тока, и поэтому магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем измеряет среднее квадратическое значение переменного тока любой формы.

Термоэлектрические приборы применяют в основном для измерения то­ков. В качестве вольтметров они практически не используются, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало. Достоинством термоэлектриче­ских приборов является широкий частотный диапазон (до 10 МГц). Недос­татки: невысокая чувствительность, низкий класс точности (1,5...4,0), боль­шое потребление энергии из измерительной цепи.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Общие сведения (17)

    Документ
    ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Кипров Дмитрий Владимирович дата рождения: ... , изготовление наружной световой рекламы. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ Профессиональные навыки: Электромонтажные работы в НКУ ...
  2. Общие сведения (7)

    Документ
    ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Название научного направления: Молекулярно- ... и проявления пола у растений Краткие сведения об основателе и современном руководителе направления ... в селекционной работе и в решении общих проблем развития живых организмов. Разработан ...
  3. Общие сведения (11)

    Документ
    Общие сведения: К публикации в «Сборнике статей» до 20 ... представить работу для публикации в разделах: - Общие вопросы сигнализации - Рецепторы - Внутриклеточная сигнализация ... , таблиц, графиков. При этом общий объем работы, включая заглавие, рисунки ...
  4. Общие сведения (8)

    Документ
    Общие сведения В конце 2011-2012 учебного ... А.С., Высоцкую Л.Р., Исаева В.Г., Корчагину Е.Г. ,Рыженкову Ю.И.. Общее руководство и разработку содержания Праздника осуществляла ... наших детей. Эта общая тенденция несоответствия психологического возраста ...
  5. Общие сведения (28)

    Документ
    ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫПОЛНЕНИИ НИР В ПЕТРОЗАВОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ... и контрактам 2003 Количество НИР (% от общего количества) 210 60 (28,6 %) 3 (1,4 ... Периодика», 10 п.л. Назаров А.И. Каф. общей физики Инновационные технологии открытого обучения ...
  6. Общие сведения (29)

    Документ
    Общие сведения Центр развития футбола в МГУ ... анализ Портера) Макросреда Политический аспект Общее политическое руководство страны. Нестабильность политической ... остановилось на 3-5 значимых в год с общим количеством задействованных футболистов до 2000 ...

Другие похожие документы..