7. Методы измерения напряжения и тока

7.1 Общие сведения

Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоян­ного, переменного токов широкого диапазона частот и импульс­ных.

Наиболее высокую точность измерений получают в цепях постоянного тока. При измерениях в цепях переменного тока точность измерений понижается с повышением частоты; здесь кроме оценки среднеквадратичного, средневыпрямленного, среднего и максималь­ного значений иногда требуется наблюдение формы исследуе­мого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряже­ния.

Измерители тока и напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю готовность к работе и высокую надежность.

Выбор приборов, выполняющих измерения тока и напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из кото­рых: род измеряемого тока; примерный диапазон частот измеряе­мой величины и амплитудный диапазон; форма кривой измеряемого напряжения (тока); мощность цепи, в которой осуществляется измерение; мощность потребления прибора; возможная погрешность измерения (ниже будут указаны требования к конкретным приборам).

Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены ампер­метрами и вольтметрами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В мало­мощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно пользуются цифровыми и аналоговыми элек­тронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, дей­ствие которых основано на методах сравнения, в частности на ме­тоде противопоставления.

Измерение тока возможно методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами, а также косвенное. При этом напряжение измеряется на образцовом резисторе с из­вестным сопротивлением. Для исследования формы и определения мгновенных значений напряжения и тока применяют осцилло­графы.

7.2 Измерение напряжения в цепях постоянного тока

Метод непосредственной оценки. При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение; При измерении напряжения на нагрузке в цепи с источником энер­гии, ЭДС которого и внутреннее сопротивление , вольтметр включают параллельно нагрузке (рис. 7.1). Если внутреннее сопро­тивление вольтметра , то будет иметь место следующая отно­сительная погрешность измерения напряжения:

(7.1)

где - действительное значение напряжения на нагрузке до включения вольтметра; - измеренное значение напряжения на нагрузке  .

Отношение сопротивлений обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра к мощности цепи , поэтому

(7.2)

( как при , так и при ).

Для уменьшения методической погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико .

И

Рисунок 7.1 – Схема включения вольтметра

змерение напряжения в цепях постоянного тока может быть выпол­нено любым измерителем напряжения, работающим на постоянном токе магнитоэлектрическими, электродинамическими, электромагнитными, электростатическими, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощно­стью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон изме­ряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измерения мощный, используются элек­тромеханические вольтметры и мощность потребления ими не учитывается, если же объект измерения маломощный, то мощность по­требления должна быть учтена, либо используются электронные вольтметры.

Методы сравнения. Компенсационный метод (метод противопоставления) измерения заключается в уравновешивании, осуществляемом включением на индикатор равновесия либо двух электрически не связанных между собой, но противоположно направленных напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Компенсационный метод используют для непосредственного срав­нения напряжений или ЭДС, тока и косвенно для измерения других электрических, а также неэлектри­ческих величин, преобразуемых в электрические.

Рисунок 7.2 –Схема компенсации напряжений

Применяют следующие схемы компенсации: а) напряжений или ЭДС (рис. 7.2); б) электрических токов (рис. 7.3).

Схема, показанная на рис. 7.2, наиболее распространенная. В ней измеряемое напряжение компенсируется равным, но про­тивоположным по знаку известным напряжением . Падение на­пряжения создается током на изменяемом по значению ком­пенсирующем образцовом сопротивлении . Изменение про­исходит до тех пор, пока не будет равно . Момент компен­сации определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектриче­ского гальванометра ; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Рисунок 7.3 – Схема компенсации токов

Компенсационный метод обес­печивает высокую точность изме­рения.

Устройства, служащие для вы­полнения измерений компенсацион­ным методом, называют потенциометрами или компенсаторами. В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходи­мой точности измерения ток в рабочей цепи определяют не ампер­метром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС нормального элемента. Нормальные эле­менты обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865 В при температуре 20 °С, внутреннее сопротивление 500-1000 Ом, ток перегрузки 1 мкА. С изменением температуры окружающей среды значение ЭДС уменьшается на каждый градус повышения температуры:

(7.3)

где - ЭДС при температуре ; - ЭДС при 20 ;.

Схема компенсатора представлена на рис. 75. Она содержит источник вспомогательной ЭДС ; для питания рабочей цепи, в которую включают регулировочное , компенсирующее и образцовое сопротивления. К зажимам НЭ подключают нор­мальный элемент, ЭДС которого , к зажимам X – искомую ЭДС . В качестве индикатора равновесия используют высоко­чувствительный магнитоэлектрический гальванометр G. При работе с компенсатором выполняют две операции:

1) устанавливают ток в рабочей цепи компенсатора с помощью источника вспомогательной ЭДС (положение 1 переключателя В);

2) измеряют искомую ЭДС (положение 2 переключателя В).

Рисунок 7.4 – Схема компенсатора

Для установки рабочего тока предварительно определяют температуру окружающей среды, затем по (7.3) вычисляют точное значение ЭДС нормального элемента для данной температуры. Далее устанавливают образцовое сопротивление , значение которого выбирают в зависимости от значений тока в рабочей цепи и ЭДС при температуре (сопротивление состоит из катушки с постоянным значением сопротивления и последовательно соединенной с ней температурной декадой). Затем переключатель В ставят в положение 1 и ЭДС нормального элемента противопоставляют падению напряжения на , которое регулируется с помощью изменяющего значение тока в рабочей цепи резистором . Момент компенсации соответствует нулевому отклонению гальванометра , т. е. .

После установления рабочего тока для измерения пере­ключатель В ставят в положение 2 и регулировкой образцового компенсирующего сопротивления вновь доводят до нуля ток в цепи гальванометра . Тогда

(7.4)

где I - значение тока, установленное при положении 1 переклю­чателя В; - значение образцового компенсирующего сопро­тивления, при котором имеет место состояние равновесия.

Сопротивление выполняют по специальным схемам, кото­рые обеспечивают постоянное сопротивление между точками 3, 4 и переменное сопротивление между точками 3, Д, а также необхо­димое число знаков и точность отсчета.

Указанным условиям удовлетворяют схемы с замещающими (рис. 7.5) и шунтирующими декадами (рис. 7.6). В схеме с замещаю­щими декадами все секции верхних декад полностью дублированы соответствующими секциями нижних декад. Переключатели двух одинаковых декад связаны механически. При перемещении пере­ключателей общее сопротивление остается неизменным: если умень­шаются значения сопротивлений верхних декад, то увеличиваются значения сопротивлений нижних декад, и наоборот. Компенсирую­щее напряжение можно снимать с верхних или нижних декад. Каждая последующая декада имеет сопротивление секции в десять раз меньше предыдущей. В схеме с шунтирующими декадами при каждом положении двойных переключателей одна секция верхней декады шунтируется девятью секциями нижней декады, при этом общее сопротивление между точками 3 и 4 (см. рис. 7.4) остается неизменным. Ток через секции сопротивлений нижней декады в десять раз меньше тока через секции сопротивлений верхней декады, т. е.

Рисунок 7.5 – Схема с замещающими декадами

(7.5)

Компенсирующее напряжение можно определить так

(7.6)

где , - соответственно число включенных секции верхней и нижней декад; , - падения напряжения на отдельных секциях соответствую­щих декад.

Рассмотренные вари­анты выполнения сопро­тивления обеспечи­вают неизменность его полного значения, а сле­довательно, и неизмен­ность тока в момент компенсации, если ЭДС вспомогательного источ­ника .

Рисунок 7.6 – Схема с шунтирующими декадами

В зависимости от зна­чения сопротивления ра­бочей цепи различают компенсаторы постоянного тока большого сопротивления (высокоомные 10-40 кОм, ток рабочей цепи , порядок измеряемого напряжения 1-2,5 В, погрешность измерения 0,02 % от измеряемой величины) и малого сопротивления (низкоомные 10-1000 Ом; ток рабочей цепи , по­рядок измеряемого напряжения до 100 мВ, погрешность измере­ние 0,6 % от измеряемого значения).

Схемные решения и конструкции компенсаторов постоянного тока могут быть различны.

Высокоомные компенсаторы используют для поверки магнитоэлектрических, электродинамических вольтметров, для расширения пределов измерения напряжения компенсаторами применяют высокоомные резисторные делители напряжения с отводами от опре­деленных частей, что позволяет уменьшить измеряемое напряжение в раз (10, 100, 1000) до значения, близкого к верхнему пределу измерения компенсатора. При использовании делителя напря­жения от объекта измерения потребляется некоторая мощность, т. е. теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода.

При измерении ЭДС источников с большим внутренним сопро­тивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях, входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтмет­ров может быть недоста­точно большим, поэтому целесообразно использо­вать дифференциальный или компенсационный метод.

Рисунок 7.7 – Схема измерения постоянного напряжения дифференциальным методом

Дифференциальный метод основан на изме­рении разности между измеряемым и образцовым напряжением при их неполной компен­сации. Схема измерения представлена на рис. 7.7. Высокоомный электронный вольтметр с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым и образ­цовым напряжениями. Магнитоэлектрический аналоговый или цифровой вольтметр используется для измерения образцового напряжения . Рекомендуется при измерить вольтмет­ром ориентировочное значение , а уже затем установить по вольтметру удобное для отсчета напряжение . Измеряе­мое напряжение при указанной полярности включения вольт­метра определяется как .

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность изме­рения напряжения. Погрешность измерения определяется в основ­ном погрешностью вольтметра, измеряющего .

Входное сопротивление цепи

(7.7)

и намного превышает входное сопротивление вольтметра

Гальванометрические компенсаторы служат для измерения ма­лых постоянных напряжений (порядка В). Основными эле­ментами гальванометрического компенсатора (рис. 7.8) являются: измерительный механизм магнитоэлектрического зеркального галь­ванометра , образцовый резистор обратной связи , фоторезисторы и , источники постоянного напряжения с , магнитоэлектрический микроамперметр. На зеркальце гальвано­метра направлен луч света от прожектора Пр. При отсутствии напряжения луч света, отраженный от зеркала, оди­наково освещает фотосопро­тивления, в результате ток . При подаче на вход измерителя напряжения в цепи гальванометра появ­ляется ток , подвижная часть гальванометра повора­чивается на некоторый угол и происходит перераспределе­ние освещенности фоторези­сторов и изменение их соп­ротивлений. Согласно схеме включения фоторезисторов и полярности сопротивление фоторезистора уменьшится, a увеличится. Через резистор потечет ток , создавая на компенсирующее напряжение , почти равное измеряемому напряжению . Значение тока авто­матически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряжения , но всегда так, что выполняется условие , обеспечиваемое за счет небольших изменений тока в цепи галь­ванометра:

(7.8)

Чем чувствительнее гальванометр, тем при меньших измене­ниях произойдет соответствующее изменение тока , нужное для выполнения условия .

Повышение чувствительности достигается благодаря примене­нию специальной конструкции гальванометра, что обеспечивает при токах порядка максимальный угол поворота подвижной части.

Значение компенсирующего тока зависит от значений , относительного изменения фотосопротивлений и может достигать нескольких десятков микроампер.

Рисунок 7.8 – Схема гальванометрического компенсатора

Гальванический компенсатор имеет высокую чувствительность при высоком входном сопротивлении.

Электрометрические компенсаторы - измерители напряжения, использующие электромеханический электрометр и имеющие весьма высокое входное сопротивление ( ). Они просты и удобны в эксплуатации. Электромеханический электрометр представляет собой чувствительный электростатический измеритель­ный механизм, легкая подвижная часть которого подвешивается на тонкой упругой нити. В механизме применяется световой ука­затель положения подвижной части. Схема электрометрического компенсатора представлена на рис. 7.9, где электрический электро­метр, состоящий из двух неподвижных обкладок 1, 2 и подвижной обкладки 3, расположенной симметрично относительно неподвиж­ных. К подвижной обкладке прикреплено миниатюрное зеркальце. На неподвижные обкладки подается напряжение возбуждения , что позволяет повысить чувствительность и возможность установки нуля показаний электрическим путем (при замкнутых зажимах посредством переменного резистора ).

Принцип работы элект­рометрического компенса­тора аналогичен работе гальванометрического ком­пенсатора.

При подключении изме­ряемого напряжения подвижная часть электро­метра Э повернется на не­который угол, что приве­дет к перераспределению световых потоков, освещаю­щих фоторезисторы и , к появлению тока компенсации и соответст­венно напряжения , уравновешивающего измеряемое напряжение . Подвижная часть электрометра будет отклоняться до тех пор, пока не наступит равенство напряжений . Так как сопротивление резистора обратной связи R_K может быть незначительным, то ток может быть сравнительно большим и измеряться микроамперметром. Входной ток компенсатора опре­деляется токами утечки, поэтому он мал, а, следовательно, входное сопротивление велико ( Ом). Кроме измерителей напря­жения строятся и высокочувствительные электрометрические изме­рители тока.

Рисунок 7.9 – Схема электрометрического компенсатора