7 Лекция. Измерения силы токов и напряжений

 

Содержание лекции:

- факторы выбора средств измерений токов и напряжений; погрешности измерения токов и напряжений; поддиапазоны измерений токов и напряжений.

 

Цель лекции:

- изучить основные методы измерений постоянных и переменных токов и напряжений, источники погрешностей измерения  силы токов и напряжений в различных поддиапазонах.

 

         Токи и напряжения являются наиболее распространенными электрическими величинами, которые при­ходится измерять. Этим объясняется широкая номенклатура выпускаемых промышленностью средств измерений токов и на­пряжений. Выбор средства измерений может определяться со­вокупностью факторов: предполагаемым размером измеряемой величины, родом тока (постоянного или переменного), часто­той, требуемой точностью измерения, условиями проведения эксперимента (лабораторные, цеховые, полевые и т. п.), влиянием внешних условий (температуры, магнитного поля, вибраций  т. д.) и другие.

         Определение значений напряжений осуществляют, как правило, прямыми измерениями;  токов - кроме прямых измерений, широко используют косвенные измерения, при которых измеряется падение напряжения U на резисторе с известным сопротивле­нием R, включенном в цепь измеряемого тока . Значение тока находят по закону Ома: 1_X=U/R. В этом случае погрешность результата измерения , определяется погрешностью измерения напряжения  и погрешностью , обусловленной отличием номинального значения сопротивления R от истинного значения сопротивления . Погрешность , может быть найдена по пра­вилам обработки результатов наблюдения при косвенных измере­ниях [14].

         Измерения токов и напряжений всегда сопровождаются погрешностью, обусловленной сопротивлением используемого сред­ства измерений. Включение в исследуемую цепь средства измере­ний искажает режим этой цепи. Так, например, включение ампер­метра, имеющего сопротивление , в цепь, изображенную на рисунке 7.1, приведет к тому, что вместо тока I=U/R, который протекал в этой цепи до включения амперметра, после включения амперметра пойдет ток  = U/(R + R_A). Погрешность тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Анало­гичная погрешность возникает при измерении напряжений. На­пример, в цепи, представленной на рисунке 7.2, при включении вольтметра, имеющего сопротивление R_v, для измерения напря­жения  между  точками   а   и    b   режим  цепи тоже нарушается, так как

 

 

Рисунок 7.1 – Схема измерения           Рисунок 7.2 – Схема измерения

тока амперметром                                  напряжения вольтметром

 

 

 

вместо напряжения , которое было в схе­ме до включения вольтметра, после его включения напряжение

                                      .                                               (7-1)

         Погрешность тем больше, чем меньше сопро­тивление вольтметра.

         Косвенным показателем сопротивления средств измерений является мощность, потребляемая средством из цепи, в которой производится измерение. При протекании тока I  через амперметр с сопротивлением R_A мощность, потребляемая амперметром, . Мощность, потребляемая вольтметром, определяется выражением   ,   где U — напряжение, измеряемое вольт­метром; R_v— внутреннее сопротивление вольтметра. Следова­тельно, погрешность от искажения режима цепи при измерении токов и напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потребляемая средством измерений из цепи, где производится измере­ние. Из средств измерений, используемых для измерений токов и напряжений, наименьшим потреблением мощности из цепи измерений обладают компенсаторы (потенциометры), электрон­ные и цифровые приборы. Среди электромеханических приборов наименьшую мощность потребляют магнитоэлектрические и электростатические приборы. Весьма малая мощность, потреб­ляемая из цепи измерений компенсаторами, позволяет измерять ими не только напряжения, но и ЭДС.

         Диапазон  измеряемых   токов   и   напряжений   весьма  широк.  Весь диапазон измеряемых токов и напряжений можно услов­но разбить на три поддиапазона: малых, средних и больших значений. Наиболее обеспеченным средствами измерений явля­ется поддиапазон средних значений (ориентировочно: для то­ков — от единиц миллиампер до десятков ампер; для напряжений — от единиц милливольт до сотен вольт). Именно для этого поддиапазона  созданы средства измерений с наименьшей по­грешностью измерения токов и напряжений. Это не случайно, так как при измерении малых и больших токов и напряжений возни­кают дополнительные трудности.

При измерении малых токов и напряжений эти трудности обусловлены термо-ЭДС в измерительной цепи, резистивными и емкостными связями измерительной цепи с посторонними источниками напряжения, влиянием внешнего магнитного поля, шумами элементов измерительной цепи и другими причинами. Термо-ЭДС возникают в местах соединения разнородных метал­лов (в местах пайки и сварки проводников, в местах соприкосно­вения подвижных и неподвижных контактов переключателей и т. п.) вследствие неравномерного температурного поля средст­ва измерений.

Полностью устранить влияние отмеченных факторов не уда­ется. Поэтому измерения малых токов и напряжений осуществляется с большей погрешностью.

         Измерения больших токов и напряжений имеют свои осо­бенности и трудности. Например, при измерении больших посто­янных токов с использованием шунтов на шунтах рассеивается большая мощность, приводящая к значительному нагреву шун­тов и появлению дополнительных погрешностей. Для уменьшения рассеиваемой мощности и устранения перегрева необходимо увеличивать габариты шунтов или применять специальные дополнительные меры по искусственному охлаждению. В результате шунты  получаются громоздкими и дорогими. При измерении больших токов очень важно следить за качеством контактных соединений, по которым протекает ток. Плохое качество контактного соединения может не только исказить режим цепи и, следовательно, результат измерения, но и привести к обгоранию контакта за счет большой мощности, рассеиваемой на контактном сопротивлении. При измерении больших токов могут возникнуть дополнительные погрешности от влияния на средства измерений сильного магнит­ного поля, создаваемого вокруг шин протекающим током.

         При измерении больших напряжений возрастают требования к качеству изоляционных материалов, применяемых в средствах измерений, как для уменьшения погрешностей, возникающих от токов утечки через изоляцию, так и для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Например, если для расширения пределов измерений используется делитель напряжения, то с увеличением измеряемого напряжения сопротивление делителя нужно увеличивать. При измерении больших напряжений сопротивление делителя может оказаться сравнимым с сопротив­лением изоляции, что приведет к погрешности деления напряже­ния и, следовательно, к погрешности измерений.          Отсюда следует, что при измерении больших токов и напряже­ний, кроме обычных погрешностей, возникают погрешности, обус­ловленные спецификой этих измерений.

         Характерное изменение погрешности измерений в зависимо­сти от размера измеряемой величины иллюстрируется (рисунок 7.3) качественно (для наглядности используется переменный масштаб по осям) на примере рабочих средств измерений  постоянных токов, выпускаемых промышленностью.

При измерении переменных токов и напряжений большое значение имеет частота измеряемой величины. Частотный диапазон измеряемых токов и напряжений весьма широк: от долей герца (инфранизкие частоты) до сотен мегагерц и более.

 

 

Рисунок 7.3 – Изменение погрешности          Рисунок 7.4 – Изменение погреш-

измерений постоянного тока в зависи-          ности измерений переменного то-

мости от размера измеряемой величины       ка в зависимости от частоты

 

 

         Всем средствам измерений переменных токов и напряжений присуща частотная погрешность, обусловленная изменением сопротивлений индуктивных и емкостных элементов средств измерений с изменением частоты, потерями на перемагничивание ферромагнитных материалов, потерями на вихревые токи в металлических деталях средств измерений, влиянием паразитных индуктивностей и емкостей (на высоких частотах). Эти причины не позволяют получить одинаковую точность измерений во всем указанном диапазоне частот. В документации на средства измерений переменных токов и напряжений обязательно указывается область частот, в которой гарантируется определенная точность измерений данным средством. Увеличение погрешности измерения с ростом частоты является общей закономерностью для средств измерений  токов и напряжений, что объясняется указанными выше причина­ми. На рисунке 7.4 качественно (для наглядности используется переменный масштаб по осям) иллюстрируется характерное из­менение погрешности измерений в зависимости от частоты на примере рабочих средств измерений переменных токов (десятки миллиампер), выпускаемых промышленностью.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [4,6,8,9,12,13].