Измерение тока и напряжения

Измерения в цепях постоянного тока

Измерения постоянного тока и напряжения производятся с помощью приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем, напряжение измеряется также электростатическими и электронными вольтметрами. Кроме этого, для более точных измерений используются компенсаторы постоянного тока.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы непосредственно являются микро- и миллиамперметрами или милливольтметрами, а в сочетании с шунтами и добавочными сопротивлениями – соответственно амперметрами и вольтметрами.

Для измерения и обнаружения малых токов (10^-11 - 10^-5 А) и напряжений (меньших 10^-4 В) применяют гальванометры – высокочувствительные измерительные механизмы обычно магнитоэлектрической системы. В отличие от приборов, шкалы которых градуируются в измеряемых величинах, гальванометры имеют неименованную шкалу, цена деления которой указывается в паспортных данных прибора или определяется экспериментально.

Измерение постоянных токов и напряжений можно производить с помощью амперметров и вольтметров электромагнитной и электродинамических систем. Они применяются в основном для измерений в цепях переменного тока.

Электростатические измерительные механизмы являются электростатическими вольтметрами, так как они могут непосредственно измерять напряжение. Диапазон измеряемых ими напряжений находится в пределах от десятка вольт до сотен киловольт. Для измерения напряжений до 3 кВ используют измерительные механизмы с изменяющейся активностью поверхности электродов. Изготавливают вольтметры однопредельными и многопредельными, переносными (до 30 кВ) и стационарными (для измерения высоких напряжений, свыше 30 кВ).

Класс точности современных электростатических вольтметров достигает 0,1 и даже 0,05 (С-71), однако чаще всего изготавливают приборы классов 1,5; 2 и 2.5. Для уменьшения влияния внешних электростатических полей применяют электростатическое экранирование. Пределы измерений расширяют с помощью резисторных делителей напряжения.

Основными достоинствами электростатических вольтметров являются: очень малое собственное потребление мощности (большое входное сопротивление, 10¹⁰ Ом), способность измерять постоянные и переменные напряжения, возможность непосредственно измерять большие напряжения. К недостаткам относятся малая чувствительность и неравномерность шкалы.

Измерение постоянных напряжений от долей вольта до нескольких киловольт может осуществляться с помощью электронных вольтметров, которые содержат измерительный механизм и ламповый или транзисторный усилитель постоянного тока. Существует несколько разновидностей электронных вольтметров постоянного тока, однако все они характеризуются структурной схемой, показанной на рисунке 6.1 рис. 6.1.

Рис. 6.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения: а) со стрелочным отсчетом; б) с цифровым отсчетом

Входное устройство (делитель напряжения), на которое подается напряжение U_X , позволяет изменять пределы измерения и обеспечивает высокое входное сопротивление прибора.

В качестве измерительного механизма используют обычно магнитоэлектрический микроамперметр с пределами измерения 50 500 мкА.

Усилители постоянного тока предназначаются для повышения чувствительности прибора, увеличения мощности измеряемого сигнала до уровня, при котором обеспечивается требуемое отклонение указателя измерительного механизма. Усилители имеют высокое входное и малое выходное сопротивление. Это обеспечивает согласование входного сопротивления вольтметра (10 - 20 МОм) с малым внутренним сопротивлением микроамперметра. Наиболее часто усилители выполняются в виде мостовых схем с обратной связью.

Электронные вольтметры со стрелочным отсчетом имеют следующие особенности: большое входное сопротивление и, следовательно, малое потребление мощности от объекта измерения; высокую чувствительность при большом диапазоне измерения; способность выдерживать перегрузки; сравнительно небольшую скорость измерений (из-за инерционности магнитоэлектрического измерительного механизма); необходимость питания (от сети или батареи); большие погрешности (основная приведенная погрешность 2 - 3 %).

В настоящее время, конечно, большее распространение получили цифровые вольтметры – приборы с цифровым отсчетным устройством и аналого-цифровым преобразователем, в котором напряжение (или другие физические величины; частота, сдвиг фаз и т.д.) автоматически преобразуются в цифровой код. Такие приборы имеют ряд преимуществ перед стрелочными: обладают широким диапазоном измеряемых напряжений (от 1 мВ до 1000 В), быстродействием, позволяют проводить измерения с малыми погрешностями (0,01 - 0,005), так как принцип действия большинства приборов основан на методе сравнения, а цифровой отсчет исключает погрешность считывания. Цифровые вольтметры позволяют также вводить данные измерений непосредственно в вычислительные машины, что позволяет в дальнейшем обрабатывать полученные данные более оперативно.

К недостаткам можно отнести сложность устройства, меньшую надежность и высокую стоимость.

Существуют различные принципы построения цифровых вольтметров постоянного тока:

• По типу используемых элементов в схемах они делятся на:
  • электромеханические;
  • электронные;
  • комбинированные.
• По способу аналого-цифровых преобразований подразделяются на приборы с:
  • пространственным кодированием;
  • промежуточным преобразованием (в интервал времени, частоту, фазу и т.д.);
  • уравновешенным образцовым напряжением (наиболее точные).

Обобщенная структурная схема электронного цифрового вольтметра представлена на рисунке 6.2 рис. 6.2.

Рис. 6.2. Обобщенная структура схема электронного цифрового вольтметра

Входное устройство представляет собой высокоомное сопротивление (порядка 10 МОм) или катодный (эмиттерный) повторитель с калиброванным делителем.

Сравнивающее устройство (нуль-орган) служит для сравнения измеряемого и образцового напряжения.

Управляющие устройства состоят из генератора импульсов, задающего циклы измерения и управляющего работой логических схем.

Преобразователь напряжения в код создает образцовое напряжение U_ОБР , которое подается в сравнивающее устройство.

Электронный ключ представляет собой устройство, которое включает или переключает выходное напряжение под действием одного или нескольких входных напряжений, называемых управляющими.

Электронные счетчики осуществляют отсчет измеряемого напряжения в цифровом коде (обычно в двоичной системе).