Вимірювання електричних величин вимірювання струму, напруги та заряду Загальні відомості

Діапазон значень струмів та напруг дуже широкий: від часток пікоампер до сотень кілоампер і від часток нановольт до одиниць мегавольт (від 10^-18 до 10^-5 А, напруги - від 10^-10 до 10^-5 В та надвисоких напруг - до 10 МВ, та великих струмів - до 0,5...2 МА)

Із вмиканням амперметра або вольтметра в електричне коло змінюється вимірювальна величина із-за споживаної ними потужності, тобто виникає методична похибка. Це спричинено тим, що опір амперметра відмінний від нуля, а опір вольтметра не дорівнює нескінченності.

Визначимо методичну похибку, яка виникає при вмиканні амперметра в електричне коло. Нехай треба виміряти струм у колі, що має опір R, до якого прикладено напругу U. Струм І_Х у цьому колі дорівнюватиме: .

Після вмикання амперметра, що має опір R_А, струм у колі зміниться й становитиме: . Амперметр вимірює саме це значення струму.

Методична похибка, спричинена вмиканням амперметра, становитиме: .

Звичайно , тому , або маємо ,

де - потужність, споживана амперметром; Р – потужність, споживана досліджуваним колом.

Розглянемо випадок, коли треба виміряти спад напруги U_Х на деякому опорі R: ,

де Е – е.р.с. джерела струму; R₀ – внутрішній опір джерела струму.

Після вмикання вольтметра, який має власний опір R_V, паралельно опору R напруга U, виміряна вольтметром, становитиме: .

Методична похибка вимірювання в цьому випадку дорівнюватиме: .

Враховуючи, що: і звичайно , дістанемо: ,

де - потужність, споживана вольтметром; Р – потужність, споживана досліджуваним резистором R.

Отже, як при вимірюванні струму, так і при вимірюванні напруги необхідно вибирати такі прилади, в яких споживана потужність значно менша від потужності, розсіюваної в досліджуваному колі. Цим і пояснюється прагнення мати в амперметрах якомога менший, а у вольтметрах якомога більший опір.

Вимірювання постійних струму та напруги

Для вимірювань постійних струмів та напруг найчастіше використовують магнітоелектричні прилади.

Для вимірювання малих сталих напруг використовують магнітоелектричні гальванометри, потенціометри постійного струму, цифрові мікровольтметри. Амперметри і вольтметри магнітоелектричної системи успішно поєднують високу точність з малим споживанням потужності і мають рівномірну шкалу. Найбільш точні прилади магнітоелектричної системи, призначені для вимірювання малих струмів і напруг, мають клас точності 0,1; 0,2.

При прямих вимірюваннях середніх струмів і напруг можна виміряти приладами магнітоелектричної, електромагнітної, електро- та феродинамічної систем, а також електронними і цифровими приладами. Напруги вимірюють також приладами електростатичної системи і потенціометрами постійного струму.

Електродинамічні прилади за точністю не поступаються магнітоелектричним, однак їх діапазони вимірювань дещо менші і вони споживають значно більшу потужність, тому їх застосування на постійному струмі обмежене. Через порівняно вузькі діапазони вимірювань, порівняно велике споживання і невисоку точність не знаходять широкого застосування на постійному струмі феродинамічні і електромагнітні прилади.

Для вимірювань дуже великих струмів, а також при вимірюванні струму в колах високої напруги застосовують вимірювальні трансформатори постійного струму разом з магнітоелектричними амперметрами.

О сновні схеми вимірювань постійної напруги та струму.

Магнітоелектричні прилади з вмонтованими шунтами та додатковими резисторами дають змогу вимірювати струм від 10^-8 до 50 А, а напругу - від 10^-5 до 1000 В.

При вимірюванні напруги вольтметром з додатковим резистором (рис. б) матимемо: ,

де - покази вольтметра, - струм та опір вольтметра; R_д - опір додаткового резистора.

Вимірюючи струм за допомогою мілівольтметра з шунтом (рис. г), матимемо:

,

де - спад напруги на шунті, його струм і опір, відповідно; - опір і струм мілівольтметра, відповідно.

Для вимірювання струмів, які перевищують 10 кА (що відповідає максимальному значенню номінального струму серійних шунтів), можна скористатися паралельним з’єднанням декількох шунтів.

Н айточніші вимірювання напруги здійснюються за допомогою компенсаторів напруги постійного струму. Вимірювання струму за допомогою компенсатора полягає у вимірюванні спаду напруги на відомому опорі R₀.

Значення опору R₀ вибирають таким, щоб спад напруги на ньому не перевищував верхньої границі вимірювань компенсатора зарахуванням того, що потужність, яка виділяється в опорі R₀ при протіканні струму І_х, не повинна перевищувати номінального значення потужності для даної вимірювальної котушки.

Для точних вимірювань великих постійних струмів використовують метод компарування - безпосереднього порівняння двох однорідних величин, одна з яких пропорційна вимірюваній величині, інша може бути виміряна з високою точністю.

С хема резистивного компаратора струму, заснованого на порівнянні спадків напруг, що створюються вимірюваним великим струмом І_х та компенсувальним струмом І₂ на двох точних резисторах R₁ та R₂. Оскільки струм при значно менший від струму І_х, він може бути точно виміряний, наприклад, за спадком напруги на зразковому опорі R₀ за допомогою цифрового вольтметра.