Измерение силы тока и напряжения.

 

Наиболее распространенными видами электрических измерений являются измерения силы тока и напряжения.

В зависимости от вида тока (напряжения), его величины, частоты, формы, требуемой точности измерения, сопротивления цепи, в которой производится измерение, используются различные типы приборов.

При измерении силы тока на участке цепи сопротивлением R последовательно с R в разрыв цепи включается амперметр (рис 7а). Тогда сила тока, текущего через измерительный прибор и участок с сопротивлением R, будет одинаковой.

Вольтметр подсоединяется параллельно участку цепи с сопротивлением R, напряжение на котором измеряется (рис 7б). При параллельном подключении напряжение на измерительном приборе и участке цепи R одинаково. Подключение в электрическую цепь измерительного прибора оказывает влияние на режим работы этой цепи, что приводит к ошибкам в измерениях.

 

Рис. 7. Подключение амперметра (а) и вольтметра (б)

 

Последовательное подключение амперметра с сопротивлением r_а увеличивает общее сопротивление участка цепи до значения R + r_а, что больше R. В результате ток уменьшится. Чтобы изменение тока было незначительным, необходимо, чтобы выполнялось условие: r_а << R.

При параллельном подключении вольтметра с сопротивлением r_v общее сопротивление становится равным

 

,

 

что меньше R. Измеренное напряжение будет заниженным. Чтобы вольтметр не вносил больших искажений в режим работы цепи, должно выполняться условие: r_v >> R.

 

Шунты к амперметру

 

Ток, вызывающий отклонение подвижной части прибора на всю шкалу, называется током полного отклонения I₀. Если с помощью амперметра необходимо измерить силу тока I больше, чем I₀, к нему параллельно подключается дополнительное сопротивление R_ш, называемое шунтом (рис 8)

.

Рис. 8. Подключение шунта к амперметру.

 

Измеряемый ток разветвляется и только часть его проходит через измерительный прибор. Так достигается расширение предела измерений амперметра. По первому правилу Кирхгофа величины токов связаны соотношением:

 

, (12)

 

где I – сила измеряемого тока, I_p – сила тока, текущего через измерительный механизм (рамку) прибора, I_ш – сила тока, текущего через шунт.

По второму правилу Кирхгофа имеем:

 

, (13)

 

где r - сопротивление рамки амперметра, R_ш – сопротивление шунта. Из (12) и (13) следует, что

 

. (14)

 

Выражение (14) позволяет определить R_ш, при котором отклонение стрелки измерительного прибора на всю шкалу будет соответствовать требуемому пределу измерения силы тока I_пр. Иначе говоря, при I = I_пр ток через амперметр I_р будет равен току полного отклонения: I_р = I₀. В таком случае выражение (14) принимает вид:

 

. (15)

 

На практике используют коэффициент шунтирования (или коэффициент растяжения предела измерений) n для данного значения I_пр, который равен

(16)

Тогда выражение (15) принимает вид:

 

. (17)

 

С данным шунтом цена деления амперметра также возрастет в n раз.

 

Добавочные сопротивления к вольтметру

 

Предел измерения вольтметра зависит от силы тока полного отклонения подвижной части прибора I_о и его внутреннего сопротивления r. Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с измерительным механизмом прибора подключают добавочное сопротивление (рис 9).

Напряжение на измерительном механизме U_р меньше измеряемого напряжения U и связано с ним соотношением:

 

,

 

где – напряжение на добавочном сопротивлении . По такой цепи течет ток

 

Из последней формулы следует, что

(18)

 

Рис. 9. Подключение добавочного сопротивления к вольтметру.

 

 

Из (18) можно определить величину , при котором отклонение стрелки на всю шкалу (I = I₀) будет соответствовать требуемому пределу измерения напряжения U = U_пр

 

. (19)

 

Набор добавочных сопротивлений позволяет создать многопредельный вольтметр. Применяются также и наружные по отношению к прибору добавочные сопротивления.

 

Задание

 

1. Определить основные характеристики аналогового прибора.

2. Определить характеристики цифрового вольтметра.

3. По формулам (16) и (17) определить коэффициент шунтирования n и сопротивление шунта R_ш для создания на основе стрелочного прибора амперметра с пределом измерения I_пр = 1,5 мА. Исследовать данный амперметр.

4. По формуле (19) определить величину добавочного сопротивления для создания вольтметра постоянного тока с пределом измерения U_пр = 5В. Исследовать данный вольтметр.

 

Контрольные вопросы.

 

1. Что такое аналоговые и цифровые приборы?

2. Приведите основные характеристики электроизмерительных приборов.

3. Принцип действия и устройство электромеханических измерительных приборов.

4. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров постоянного и переменного тока.

5. Каков принцип действия и устройство цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразованием?

6. Как расширить пределы измерения амперметра и вольтметра? Получите формулы для сопротивления шунта и для добавочного сопротивления.

7. Как расширить предел измерения вольтметра? Получите формулу для добавочного сопротивления.

 

Литература

 

1. Хромой Б.П., Моисеев Ю.П. Электрорадиоизмерения. – М.:Радио исвязь, 1985. – с. 30 – 70.

2. Детлаф А.А.,Яворский Б.М. Курс физики. – М.:Высш. шк., 2001, с. 293 – 296.

3. Мирский Г.Я. Электронные измерения. – М.: Радио и связь, 1986, с. 152 – 207.

4. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. – М.: Мир. 1990, с. 112 – 146.

5.