Методы измерения напряжения и тока

 

Для измерения напряжения и тока используют метод непосредственной оценки, при котором числовое значение изме­ряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуиро­ванному в единицах этой величины, и метод сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воз­действия измеряемой величины на какую-либо систему, с воздействием на эту же систему образцовой меры.

 

Метод непосредственной оценки

 

Этот метод реализуется с помощью прямопоказывающих приборов. Вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение.

Измерение напряжений всегда сопровождается погрешностью, ве­личина которой зависит от внутреннего сопротивления вольтметра Rv. Включение вольтметра в исследуемую цепь искажает режим работы этой цепи.

Например, напряжение на резисторе R₂ до включения вольтме­тра (рис. 4.3)

(4.14)

Рисунок 4.3 – Схема измерения напряжения методом

непосредственной оценки

Напряжение на этом же резисторе после включения вольтметра будет равно

 

(4.15)

Погрешность измерения в данном случае тем больше, чем меньше сопротивление вольтметра:

(4.16)

Относительную погрешность измерения напряжения можно выра­зить также через мощность Рv, потребляемую вольтметром, и мощ­ность цепи Р:

(4.17)

Следовательно, погрешность от искажения режима работы цепи при измерении напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потребля­емая из цепи, и сопротивление R₁.

При непосредственной оценке тока результат измерения (как и при измерении напряжения) сопровождается погрешностью, величина кото­рой зависит от внутреннего сопротивления амперметра R_A.

Например, включение амперметра в цепь (рис.4.4) приведет к тому, что вместо тока I = U/R, который протекал в цепи до включения амперметра, будет протекать ток I' = U/(R+ R_A).

Рисунок 4.4 – Схема измерения тока методом непосредственной оценки

Погрешность ∆ = I' — I тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Относительная погрешность измерения тока в этом случае

(4.18)

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощности Р_A, потребляемой амперметром, к мощности в самой цепи Р:

Таким образом, погрешность измерения тем меньше, чем меньше R_A, т.е. чем меньше мощность, потребляемая амперметром Р_A, по срав­нению с мощностью потребления цепи, в которой осуществляется из­мерение.

 

Метод сравнения с мерой

 

Метод сравнения основан на сравнении измеряемого напряжения с известным напряжением, установленным с высокой точностью. Из об­щеизвестных методов сравнения наибольшее применение при измерении напряжения получил компенсационный метод.

Суть компенсационного метода измерения постоянного напряжения состоит в уравновешивании неизвестного напряжения на образцо­вом сопротивлении R. Момент компенсации определяется по нулевому показанию гальванометра. Принцип действия компенсатора поясняется схемой, приведенной на (рис.4.5), где используется нормальный элемент Е_н, вспомогательный источник напряжения Е_всп, потенциометр R, пе­реключатель П и гальванометр Г.

Рисунок 4.5 – Схема компенсатора постоянного тока

Измерение напряжения происходит в два этапа.

Переключатель устанавливают в 1-е (верхнее) положение, с помо­щью потенциометра R достигается нулевое показание гальванометра. В этом случае падение напряжения за счет тока I от Е_всп на участке аb (R_ab) резистора R компенсируется источником Е_н:

(4.19)

Переключатель устанавливают во 2-е (нижнее) положение, и с по­мощью потенциометра R вновь уравновешивается схема. При этом дви­жок потенциометра займет новое положение, сопротивление участка аb будет равно R'_ab, и будет справедливо равенство

(4.20)

Из равенства токов (4.19) и (4.20) следует, что

(4.21)

Условие равновесия (4.21) показывает, что точность измерения в данном методе зависит от точности, с которой известны ЭДС нормаль­ного элемента Е_н и отношение установившихся значений сопротивлений потенциометра, а также чувствительности гальванометра.

Нормальный элемент Е_н в рассматриваемой схеме - это электро­химическое устройство, воспроизводящее единицу измерения напряже­ния. Наибольшее распространение получили нормальные элементы с насыщенным электролитом (Е_н = 1,01865 В при температуре 20 °С, внутреннее сопротивление 1кОм, ток 1 мкА).

Точность отсчета с потенциометра достигается обычно за счет ис­пользования специальных схем многоразрядных дискретных делителей напряжения.

К достоинствам метода можно отнести:

- в момент компенсации ток от измеряемого источника напряжения
в цепи компенсации отсутствует, т.е. практически измеряется значение ЭДС на зажимах источника напряжения;

- отсутствие тока в цепи гальванометра позволяет исключить влияние
сопротивления соединительных проводов на результат измерения;

- при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется (тока нет).

Метод сравнения применяется также для измерения переменных на­пряжений. Принцип действия схем сравнения на переменном токе также состоит в урав­новешивании измеряемого напряжения известным напряжением, созда­ваемым переменным (обычно синусоидальным) током на активных со­противлениях вспомогательной цепи. Для уравновешивания схемы здесь необходимо добиться равенства модулей измеряемого и сравниваемого напряжений, их частот, а также противоположность фаз. Полного урав­новешивания в таких схемах добиться сложно, поэтому компенсаторы переменного тока имеют меньшую точность измерения по сравнению с компенсаторами постоянного тока.

В зависимости от способа уравновешивания по величине и фазе из­меряемого известного напряжения различают полярно-координатные и прямоугольно-координатные схемы.