Методы и средства измерений электрических величин. Измерение постоянного тока и напряжения. Измерение переменного тока и напряжения.

Измерение постоянного тока и напряжения.

Измерения постоянного тока и напряжения производятся в основном с помощью магнитоэлектрических амперметров и вольтметров с пределами измерений 0,1 мкА...6 кА и 0,3 мВ... 1,5 кВ. Возможно применение также аналоговых электромагнитных, электродинамических, ферродинамических, электростатических, цифровых приборов, потенциометров (компенсаторов) постоянного тока. Для определения малых количеств электричества быстропротекающих импульсов тока используются баллистические гальванометры, для больших количеств электричества – кулонометры.

Выбор измерителя обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. При включении прибора в измерительную цепь он изменяет ее параметры. Для уменьшения величины методической погрешности при измерении напряжения сопротивление используемого вольтметра должно быть как можно большим, а при измерении тока сопротивление амперметра как можно меньшим, тогда и потребление мощности от объекта измерения будет малым.

Измерительный механизм магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются, а в зависимости от назначения прибора меняется его измерительная цепь. В амперметрах измерительный механизм непосредственно или с помощью шунта включается в цепь последовательно с нагрузкой. В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается добавочный резистор, и прибор подключается к тем точкам схемы, между которыми необходимо измерить напряжение. Характер измерительной цепи также определяется допустимой температурной погрешностью и пределом измерения прибора. Для компенсации температурной погрешности необходимо применять специальные схемы температурной компенсации.

Измерение малых токов и напряжений. Прямое измерение этих физических величин выполняют с помощью гальванометров магнитоэлектрической системы (от 0,1 нА и от 1 нВ), цифровых пикоамперметров (от 1 нА), микровольтметров (от 10 мкВ), нановольтметров (от 10 нВ), компенсаторов (от 1 мкВ). Косвенное измерение выполняется с помощью компенсаторов (до 10 нА); по величине заряда конденсатора (до 1 нА); с использованием электрометра (до 10 нА).

Измерение больших постоянных токов. Для токов более 10 кА использование шунтов уже не целесообразно. Наиболее простым способом измерения в этом случае является параллельное включение шунтов и использование магнитных преобразователей. Для более точных измерений (порядка 0,01 %) больших токов используются преобразователи из меди в виде стержня с определенным диаметром, имеющим приспособление для включения в разрыв шины с током.

Измерение высоких напряжений. Измерение напряжений до 1,5 кВ осуществляется магнитоэлектрическими вольтметрами с добавочными резисторами. При более высоких напряжениях (до 300 кВ) целесообразно включать электростатические вольтметры или обычные вольтметры через измерительные трансформаторы напряжения.

Измерение переменного тока и напряжения. Для оценки величины переменного тока и напряжения используют понятия действующего, амплитудного и среднего значений. Если сигнал синусоидален, то эти значения жестко связаны между собой через коэффициент формы кривой и коэффициент амплитуды . Значения этих коэффициентов зависят от формы кривой используемого сигнала. Чем острее форма исследуемого сигнала, тем больше будут значения и .

Для измерения переменного тока и напряжения могут быть использованы измерительные механизмы всех систем.

В этом случае магнитоэлектрические приборы используются с преобразователями переменного тока в постоянный. Это выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы. Обычно они градуируются в действующих значениях тока или напряжения. В приборах, предназначенных для измерения среднего и амплитудного значений, делается соответствующая отметка на шкале.

Электромагнитные амперметры и вольтметры. Амперметры на токи 250... 300 А непосредственно в цепь не включаются из-за сильного влияния на показания приборов магнитного поля токопроводящих проводов и значительного нагрева шины. Изменение предела измерения производится путем секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно. Для переключения секций используются штепсельные и рычажные переключающие устройства. Расширение пределов измерения на переменном токе производится при помощи измерительных трансформаторов тока.

Для расширения пределов измерения электромагнитных вольтметров применяется включение добавочных сопротивлений и секционирование; для измерения больших напряжений (свыше 500 В) на переменном токе – измерительные трансформаторы напряжения.

Собственное магнитное поле электромагнитных приборов невелико и внешние магнитные поля влияют на показания приборов. Для защиты от внешних магнитных полей применяется астазирование и экранирование.

Электродинамические амперметры и вольтметры. Уамперметров на токи до 0,5 А неподвижные и подвижные катушки соединяются последовательно. При таком соединении катушек компенсация частотной и температурной погрешностей не требуется, так как изменения температуры t и частоты ƒ (до 2000...3000 Гц) не оказывают значительного влияния на показания приборов.

При токах более 0,5 А подвижная катушка соединяется параллельно с неподвижной (так как последовательное соединение вызвало бы перегрев и изменение свойств токоподводящих пружин). В этом случае необходима компенсация температурной и частотной погрешностей, которые возникают в результате перераспределения токов в катушках при изменении времени t и частоты ƒ. Для компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы температурные коэффициенты сопротивления параллельных ветвей были одинаковые. Для исключения частотной погрешности необходимо, чтобы постоянные времени обеих катушек были бы равны между собой.

У вольтметров неподвижная и подвижная катушки включаются последовательно. Для расширения пределов измерения применяют секционирование и измерительные трансформаторы напряжения.

Электростатические вольтметры. Схемы включения электростатических вольтметров (ЭВ)обладают некоторыми особенностями. У ЭВна малые пределы измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а, следовательно, и сети при случайных ударах, трясках, вибрациях. Для исключения этой опасности внутрь ЭВвстраивается защитный резистор и прибор включается в сеть через этот резистор. При повышении частоты до нескольких сотен герц защитный резистор во избежание дополнительной погрешности выключается. Номинальная область частот – 20 Гц... 10 МГц.

Расширение пределов измерения ЭВна переменном токе осуществляется включением последовательно с ЭВдобавочных конденсаторов или емкостных делителей. Применение делителей значительно снижает точность электростатических вольтметров. Источником погрешности является собственная емкость прибора на повышенных частотах. Электростатические вольтметры применяются в основном в качестве лабораторных вольтметров.