Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот и импульсных.

Наиболее высокая точность измерений достигнута в цепях постоянного тока. При измерении в цепях переменного тока точность измерений понижается с повышением частоты; здесь кроме оценки среднеквадра-тического, средневыпрямленного, среднего и максимального значений иногда требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжений.

При выборе средств измерения постоянного (переменного) тока и напряжения в цепях электронной аппаратуры обычно исходят из необходимости минимального воздействия этих средств на режим цепи, т. е. амперметры, включаемые в цепь последовательно, должны обладать возможно малым внутренним сопротивлением, а вольтметры, подключаемые к измеряемому участку параллельно, должны обладать возможно высоким входным сопротивлением (и минимальной входной емкостью). Кроме того, выбор прибора определяется рядом факторов, основньшш из которых являются род измеряемого тока, диапазон частот измеряемого сигнала и пределы измерения амплитуд, форма кривой измеряемого напряжения (тока), мощность цепи, в которой осуществляется измерение, мощность потребления прибора, допустимая погрешность измерения.

Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления, входное сопротивление и другие требования могут бьггь обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханического типа, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно применяются аналоговые и цифровые электронные приборы. Если требуется измерение с более высокой точностью, то применяют приборы, основанные на методе сравнения. Для исследования формы и определения мгновенных значений напряжения и тока применяются осциллографы.

2.2. ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Измерение тока возможно методом не-пофедственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами, а также косвенно. Диапазон значений токов, измеряемых в раз-

личных областях электроники, очень широк, от 10 ~" до сотен тысяч ампер.

2.2.1. МЕТОД НЕПОСРВДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

Амперметр включается последовательно в разрыв цепи. Такое включение амперметра с внутренним сопротивлением в цепь с источником ЭДС £ и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) увеличивает общее сопротивление и уменьшает протекающий в цепи ток.

Относительная погрешность измерения тока /v.

где / - действительное значение тока в цепи до включения амперметра; 1х - измеренное значение тока в цепи R.

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

Y/=-(Pnp/P)/(l + Pnp/n

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра Р„р по фавнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен иметь малое сопротивление, т. е. Рпр-*0. Для измерения постоянного тока могут быть использованы приборы всех электроизмерительных систем (кроме индукционной и электростатической): магнитоэлектрические, электродинамические, аналоговые и цифровые электронные амперметры. Измерение малых токов осуществляется магнитоэлектрическим измерителем совместно с усилителем постоянного тока (УПТ), высокочувствительными магнитоэлектрическими зер-кальньш1и гальванометрами и гальванометрическими компенсаторами.

Магнитоэлектрические приборы благодаря своей простоте и достаточно высокой точности получили наибольшее распространение при измерении постоянного тока. Магнитоэлектрические приборы непофедственно позволяют измерять токи от 0,1 до 300 мА. Для расширения пределов измерения применяются специальные резисторы-шунты, позволяющие в сотни и даже тысячи раз расширять пределы измфения.



ti пр.

□-HIZJ-CIZl-O

Рис. 2.2. Схема включения миллиамперметра в пепь измерения (а) и его эквивалентная схема (б)

При измерении тока в цепи амперметр включается в разрыв цепи (точки А, В ш рис. 2.2, а). Эквивалентная схема такого прибора (микро- и миллиамперметра), предназначенного для измерения малых постоянных токов, показана на рис. 2.2,6. Здесь Гр - сопротивление обмотки рамки; /"п - сопротивление пружинок, через которые подводится ток к рамке; общее сопротивление такого прибора Е„р - Гр + 2г„.

Верхние пределы измеряемых токов у этих приборов обычно не превышают 50 мА. Это объясняется влиянием теплового действия тока на упругие свойства спиральных противодействующих пружинок. Максимальное значение тока, пропускаемого через рамку прибора, не превышает 500 мА.

Для измерения больших токов применяются шунты - это сопротивления, подключаемые параллельно измеряемому механизму и служащие для расширения пределов измерения по току. Схема включения такого прибора в цепь показана на рис. 2.3, а. Эквивалентная схема однопредельного амперметра с шунтом приведена на рис. 2.3,6. При использовании шунта ток /„ протекающий через измерительный механизм, определяется выражением

где п = (Лш + Rnp) /Rui - коэффициент шунтирования.

Сопротивление шунта выбирается таким образом, чтобы большая часть изме-

Ы -7-

пр

Рис. 2.3. Схема включения миллиамперметра с однопредельным (а), многопредельным (б) шунтом и эквивалентная схема прибора (в)

ряемого тока 1 протекала по шунту /щ, а остальная часть не превышала допустимого значения для измерительного прибора. При этом сопротивление шунта определяется из равенств 1щЯпр = 1шш откуда Лш = Лпр(/пр ш) = Лпр/(п - !)•

На рис. 2.3,6 показано включение одно-предельного прибора; в многопредельных приборах применяется многопредельный ступенчатый шунт (рис. 2.3, в). При включении прибора между точками + к h измерительный механизм зашунтирован цепью из трех последовательно включенных резисторов, сумму сопротивлений которых можно рассматривать как шунт однопредельного прибора Rш = Rl+R2 + ъ Если прибор включен между точками + и /г или /з, то роль шунта выполняют резисторы Л2 -Ь Лз и Лз соответственно.

Конструкция шунтов и условия их использования определяются пределами измерения. Шунты, предназначенные для измерения сравнительно небольших токов (до 30 А), монтируются в корпусе прибора и называются внутренними. Токи большего значения (до нескольких сотен и тысяч ампер) измеряются с помошью наружных шунтов.

Шунты делятся на индивидуальные, пригодные только для того измерительного механизма, с которым они отградуированы, и калиброванные, рассчитанные на определенные номинальные токи и падения напряжения и применяемые с любым измерительным механизмом, имеющим такое же сопротивление и такой же предел измерения. Калиброванные шунты изготовляют на номинальные напряжения 45, 60, 75, 100 и 300 мВ. Сопротивление шунта определяется делением номинального напряжения на номинальный ток. Шунты изготовляют следующих классов точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

Применение шунтов позволяет расширить пределы измерения приборов, но приводит к увеличению потребления энергии, снижению точности измерения и чувствительности. Для повышения точности измерений применяют температурную компенсацию, например в цепь рамки включают терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

К достоинствам приборов магнитоэлектрической системы относятся достаточно высокая точность (до класса 0,05), малое потребление мощности и отсутствие влияния внешних полей вследствие сильного собственного магнитного поля. Недостатками приборов этой системы являются малая перегрузочная способность и зависимость



показании от температуры окружающей среды.

Основным источником температурных погрешностей является изменение сопротивления измерительной цепи при изменении температуры. Наибольшее влияние температура оказывает на сопротивление обмотки рамки прибора. Температурная погрешность зависит от схемы электрической цепи измерителя. Например, в амперметрах без шунтов изменение температуры вообще не вызывает погрешностей, так как прибор включается в цепь последовательно и его показания будут всегда соответствовать измеряемому току цепи.

Наибольшая погрешность может возникать в амперметрах с шунтами. В этих приборах изменение температуры приводит к перераспределению токов между измерительной рамкой, выполняемой, как правило, из медного провода, и манганиновым шунтом, сопротивление которого практически не зависит от температуры.

Для компенсации температурной погрешности применяются специальные схемы. На рис. 2.4 приведены наиболее распространенные схемы температурной компенсации. В приборах невысокого класса точности применяется простейшая схема компенсации температурной погрешности (рис. 2.4, а). Здесь последовательно с обмоткой рамки включено добавочное сопротивление Лд из манганина, в результате чего общее сопротивление цепи измерителя мало зависит от температуры.

На рис. 2.4,6 приведена схема компенсации температурной погрешности, используемая в приборах высоких классов точности (0,1; 0,2; 0,5). В этой схеме последовательно с медным сопротивлением Кщ, рамки измерителя включено манганиновое сопротивле-

Рис. 2.4. Схема компенсации температурной погрешности амперметров с шунтом с помощью добавочных сопротивлений (а, 6) и термосопротивлений (в)

ние К3. Сопротивление R, шунтирующее ветвь измерителя, выполнено из меди или никеля, а ~ из манганина. В этой схеме изменение тока 1щ, за счет изменения сопротивления обмотки рамки компенсируется соответствующим изменением напряжения между точками о и 6 ветви измерителя.

При повышении температуры вследствие возрастания сопротивлений R и R увеличивается общее сопротивление цепи аеб, что приводит к уменьшению тока /j. Поскольку сопротивление увеличением

температуры не изменяется, то напряжение на нем Mgg = R2I2 уменьшается. Это приводит к увеличению напряжения Uac так как = и«б - "вб, где м„й = Кщ/ц, = const. Подбирая сопротивления R„ R и Л,, можно добиться требуемой температурной компенсации.

В последнее время для компенсации температурной погрешности применяются термосопротивления (Лтс) с отрицательным температурным коэффициентом (рис. Z4,e).

Гальванометры постоянного тока применяются для измерения малых значений го-ков и напряжений. Гальванометры могут строиться на принципе любой электроизмерительной системы. Массовое распространение получили только гальванометры магнитоэлектрической системы, обеспечивающие высокую чувствительность прибора (10"А по току, 10" В по напряжению). Выбор гальванометра определяется требуемой чувствительностью по току или напряжению, соответствием его данной схеме по критическому сопротивлению (сопротивлению, при котором время возвращения указателя гальванометра в нулевое положение - наименьшее). Критическое сопротивление гальванометра желательно иметь на 10 - 20% меньше сопротивления схемы, на которую замкнут гальванометр.

Если критическое сопротивление гальванометра мало, то успокоение колебаний подвижной части будет недостаточно. При критическом сопротивлении, большем сопротивления схемы, гальванометр окажется переуспокоенным.

Чувствительность гальванометра, характер движения подвижной части и время ее успокоения определяются соотношением между конструктивными постоянными гальванометра и сопротивлением внешней пени, на которую замкнута его рамка. Эти соотношения можно получить при исследовании переходных процессов в гальванометре. Подробно принцип работы, классификация гальванометров и их характеристики освещены в [6, 51].



0 1 2 3 4 5 [6] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0083