Sb94859

Измерения больших постоянных токов осуществляют магнитоэлектрическими килоамперметрами с использованием наружных шунтов, а весьма больших токов – с использованием трансформаторов постоянного тока. Для измерений больших постоянных напряжений используют магнитоэлектрические и электростатические киловольтметры.

В то же время электродинамические амперметры и вольтметры редко используются для технических измерений токов и напряжений в цепях постоянного тока. Их чаще применяют (наряду с цифровыми и магнитоэлектрическими приборами высоких классов точности) в качестве образцовых приборов при поверке средств измерений более низкого класса точности.

Измерения переменных токов и напряжений. В основу измерений переменных токов и напряжений положены государственный специальный эталон, воспроизводящий силу тока 0,01…10 А в диапазоне частот 40…1 105 Гц, и государственный специальный эталон, воспроизводящий напряжение 0,1…10 В в диапазоне частот 20…3 107 Гц. Точность этих эталонов зависит от размера и частоты воспроизводимых величин. Среднее квадратическое отклонение результата измерений для эталона переменного

тока S0 5 10 5...1 10 4 при 0 3 10 5...2 10 4 . Для эталона переменного напряжения эти погрешности равны, соответственно, S0 5 10 6...5 10 5 и

0 1 10 5...3 10 4 .

Рабочими средствами измерений переменных токов и напряжений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры), вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), компенсаторы переменного тока, комбинированные приборы, а также регистрирующие приборы и электронные осциллографы.

В практике электрических измерений чаще всего приходится измерять синусоидальные переменные токи и напряжения, которые обычно характеризуются действующим значением. Поэтому подавляющее большинство средств измерений переменных токов и напряжений градуируются в действующих значениях для синусоидальной формы кривой тока или напряжения.

Отметим, что наименьшие верхние пределы измерений переменных токов и напряжений на несколько порядков больше, чем постоянных. Это объясняется тем, что воздействия внешнего переменного магнитного поля

11

и паразитных резистивно-емкостных связей особенно сильно влияют при измерении переменных величин. Малые переменные токи измеряют цифровыми, электронными и выпрямительными приборами, малые переменные напряжения – электронными вольтметрами.

Наиболее широкий диапазон измерений переменных токов при прямом включении средств измерений обеспечивают выпрямительные приборы. Они имеют относительно широкий диапазон и при измерении переменных напряжений. Эти приборы изготавливаются, как правило, многопредельными. Следует также учесть, что эти приборы при отключении выпрямителя используются как магнитоэлектрические приборы для измерений постоянных токов и напряжений. Благодаря такой универсальности и небольшим габаритам выпрямительные приборы широко применяются в лабораторной и производственной практике.

Переменные токи свыше 1 кА и переменные напряжения свыше 1 кВ измеряют с помощью наружных измерительных трансформаторов тока или напряжения электромагнитными, выпрямительными и электродинамическими приборами. Измерения высоких переменных напряжений (до 75 кВ) при прямом включении средств измерений позволяют осуществлять электростатические киловольтметры.

В наиболее широком частотном диапазоне при измерении переменных токов работают термоэлектрические и электронные приборы, а при измерении переменных напряжений – электронные и электростатические приборы, в то время как термоэлектрические вольтметры имеют ограниченное применение из-за большой мощности, потребляемой ими из цепи измерения. В наиболее узком частотном диапазоне работают электродинамические и электромагнитные приборы. Верхняя граница их частотного диапазона обычно не превышает единиц килогерц.

Связь между диапазоном измеряемых величин и частотным диапазоном для разных средств измерений разная. Однако можно указать общую закономерность: с увеличением значения измеряемой величины верхняя граница частотного диапазона, как правило, уменьшается. Наблюдается и другая закономерность: с увеличением частоты погрешность измерений увеличивается. Например, термоэлектрический миллиамперметр Т15 класса точности 1,0 на пределе измерений 100 мА имеет верхнюю граничную частоту 50 МГц, а на пределе измерений 300 мА – частоту 25 МГц. Этот же прибор

12

допускает возможность измерений тока до 100 мА при частоте до 100 МГц и тока до 300 мА при частоте до 50 МГц с погрешностью не более ±4,0 %.

При измерениях действующих значений переменных токов и напряжений, форма кривой которых отличается от синусоидальной, возникает дополнительная погрешность, называемая погрешностью от формы кривой. Наименее чувствительны к изменению формы кривой переменных токов и напряжений термоэлектрические, электростатические и электронные приборы.

Наиболее точные измерения действующих значений синусоидальных токов и напряжений можно осуществить электродинамическими приборами, цифровыми приборами и компенсаторами переменного тока. Однако погрешность измерений переменных токов и напряжений больше, чем постоянных. Например, компенсаторы переменного тока в области частот 40…60 Гц могут измерять ЭДС и напряжения с минимальной допускаемой основной погрешностью ±0,1 %. Такую же точность в более широкой области частот могут обеспечивать электродинамические амперметры и вольтметры.

Для измерений средневыпрямленных токов и напряжений, форма кривой которых отличается от синусоидальной, нужно использовать средства измерений с выходным сигналом, определяющимся средневыпрямленным значением входной величины. К таким средствам относятся выпрямительные приборы и некоторые электронные и цифровые приборы. При градуировке этих средств в действующих значениях синусоиды измеряемое средневыпрямленное значение находят, деля показания приборов на коэффициент 1,11. Погрешность от изменения формы кривой токов и напряжений у этих приборов тем меньше, чем шире их частотный диапазон.

Для измерений амплитудных значений токов и напряжений, форма кривой которых отличается от синусоидальной, нужно использовать средства измерений, выходной сигнал которых определяется амплитудным значением входной величины. К таким средствам относятся некоторые электронные приборы. При градуировке этих приборов в действующих значениях синусоиды измеряемое амплитудное значение находят,

умножая показания приборов на коэффициент 2 .

Для измерений амплитуд импульсных токов и напряжений применяют импульсные электронные приборы.

13

Мгновенные значения переменных токов и напряжений измеряют регистрирующими приборами и электронными осциллографами.

2.2. Измерение мощности и энергии

Общие сведения. В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока, активную мощность и энергию однофазного и трехфазного переменного тока, реактивную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновенное значение мощности. Так, мощность постоянного и однофазного переменного тока измеряют в диапазоне от 10–18 до 1010 Вт, причем нижний предел относится к мощности переменного тока высоких частот радиотехнических устройств.

Требуемая точность измерения мощности постоянного и переменного тока различна для разных частотных диапазонов. Для постоянного и переменного однофазного и трехфазного тока промышленной частоты погрешность должна находиться в пределах (0,01…0,1) %; при сверхвысоких частотах погрешность может быть выше (1…5) %.

Измерение реактивной мощности имеет практическое значение лишь у крупных потребителей электроэнергии, которые всегда питаются трехфазным переменным током. Нижний предел измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока находится на уровне нескольких вар, а верхний предел примерно 106 вар. Погрешность измерения реактивной мощности должна находиться в пределах (0,1…0,5) %.

Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами изменения номинальных (максимальных) токов и напряжений. Для энергии, потребляемой различными электротехническими устройствами, нижний предел диапазона измерения тока равен примерно 10–9 А, диапазона напряжения – 10–6 В. Однако средств для непосредственного измерения таких малых энергий не существует, и малые значения энергии определяются косвенными методами (например, определяются мощность и время). Верхний предел диапазона измерения тока достигает 104 А, а напряжение – 106 В. Допускаемая погрешность измерения энергии должна находиться в пределах (0,1…2,5) %.

При измерении реактивной энергии нижний предел диапазона измерения тока находится на уровне 1 А, а напряжения – 100 В. Верхний предел диапазона измерения тока при непосредственном измерении

14

реактивной энергии равен 50 А и напряжения – 380 В. Допускаемая погрешность измерения в этом случае находится на уровне (1…2,5) %.

Измерение мощности и энергии постоянного и переменного однофазного тока. Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока применяют электродинамические и ферродинамические ваттметры. Для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц) выпускают электродинамические ваттметры в виде переносных приборов классов точности 0,1…0,5.

Для измерений мощности в производственных условиях в цепях переменного тока промышленной или более высоких фиксированных частот (400, 500 Гц) применяют щитовые ферродинамические ваттметры классов точности 1,5…2,5.

Для измерений мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры.

При измерениях малых мощностей на сверхвысоких частотах возможно использование электрометров.

Для измерений мощности при больших токах и напряжениях ваттметры обычно включают через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Находят применение также косвенные методы измерения мощности постоянного и однофазного переменного тока. Мощность постоянного тока можно определить с помощью двух приборов – амперметра и вольтметра, а мощность однофазного переменного тока – с помощью трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра (или измерителя коэффициента мощности).

При различных схемах включения приборов значения методических погрешностей измерения мощности оказываются различными, зависящими от соотношения сопротивлений приборов и нагрузки. При косвенном измерении мощности необходимо производить одновременный отсчет по двум или трем приборам. При этом снижается точность измерения за счет суммирования инструментальных погрешностей приборов.

Измерение энергии постоянного тока осуществляют с помощью счетчиков постоянного тока. Энергию однофазного переменного тока измеряют индукционными счетчиками электрической энергии.

Электрическую энергию можно измерять также с помощью электронных счетчиков электрической энергии, не имеющих подвижных частей. Такие

15

счетчики обладают лучшими метрологическими характеристиками и большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии.

Реактивная мощность однофазной цепи может быть измерена как с помощью трех приборов (косвенный метод), так и специальным ваттметром, имеющим усложненную схему параллельной цепи с целью получения фазового сдвига между векторами тока и напряжения этой цепи, равного 90°.

2.3. Измерение частоты, фазы и временных интервалов

Общие сведения. При научных исследованиях и в производственной практике часто встречается необходимость измерения частоты, временных интервалов, фазового сдвига между напряжением и током нагрузки в цепях промышленной частоты и между периодическими напряжениями одинаковой частоты любой формы.

Измерение частоты по сравнению с измерениями других физических величин возможно с очень большой точностью, обусловленной высокой помехозащищенностью частотного сигнала и возможностью преобразования частоты с большой точностью в цифровой код.

Временной интервал отличается многообразием форм представления. Так, временной интервал может быть в виде периода синусоидальных колебаний, периода следования импульсов, интервала между двумя импульсами, в виде длительности импульса и т. п. Диапазон измеряемых временных интервалов очень широк: от долей микросекунды до десятков часов и более.

Частота и время связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью и могут быть измерены с одинаковой точностью. Предельная точность измерений временных интервалов и частоты определяется точностью государственного первичного эталона, обеспечивающего воспроизведение единиц времени и частоты со средним квадратическим отклонением результата измерения, не превышающим 1 10–13 при неисключенной систематической погрешности 1 10–12.

Диапазон измерения угла фазового сдвига составляет 0 360 . Некоторые средства измерений в безразмерных единицах градуируют в диапазоне от 0 до 1. Точность измерения угла фазового сдвига зависит от частоты напряжений (токов), фазовый сдвиг между которыми измеряется, а также от применяемых средств и методов измерений.

16

Предельная точность измерений угла фазового сдвига определяется государственным специальным эталоном угла фазового сдвига между двумя электрическими напряжениями в диапазоне частот 1 10–3…2 105 Гц, обеспечивающим воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерения (0,3…10) 10–3 градусов в зависимости от измеряемой величины.

Измерение частоты. Для измерения частоты в узком диапазоне (45…55; 450…550 Гц и т. п.) при наибольшей частоте 2500 Гц применяют электродинамические и электромагнитные частотомеры. Классы точности электродинамических частотомеров: 1 и 1,5; электромагнитных частотомеров: 1,5 и 2,5.

Для измерения низкой частоты в узком диапазоне (48…52; 45…55 Гц и т. п.) могут применяться резонансные частотомеры. Класс точности таких частотомеров 1…2,5. В диапазоне высоких и сверхвысоких частот частота может измеряться высокочастотными резонансными частотомерами, погрешность которых составляет ±(0,05…0,1) %. Для измерения частоты в широком диапазоне (от 10 Гц до нескольких мегагерц) могут применяться электронные аналоговые частотомеры. Класс точности: 0,5…2,5.

Для измерения частоты электрических сигналов получил распространение метод сравнения, отличающийся относительной простотой, сравнительно высокой точностью и пригодностью для использования в широком диапазоне частот. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности известной частоте. Индикатором равенства или кратности частот может служить электронный осциллограф. Этот способ измерения частоты пригоден для измерения частот в пределах полосы пропускания электронно-лучевой трубки. Погрешность осциллографических методов измерения частоты определяется главным образом погрешностью определения образцовой частоты f0 и может быть доведена до 10–4…10–6.

В последнее время перечисленные методы и средства измерений частоты все более вытесняются измерением с помощью цифровых частотомеров. Выпускаемые промышленностью цифровые частотомеры могут измерять частоту в диапазоне от 0,01 Гц до 17 ГГц. Погрешность цифровых частотомеров главным образом зависит от нестабильности образцового (кварцевого) генератора и меняется от 10–8 до 5 10–5.

17

Измерение временных интервалов. Для измерения временных интервалов применяют электронно-лучевые осциллографы и цифровые измерители временных интервалов.

При применении электронно-лучевого осциллографа временной интервал измеряют, используя метки времени калибратора с периодом длительности TM, либо учитывая коэффициент развертки mt. Результат измерения в первом случае определяется по формуле tx = nTM, где n – число меток, находящихся в пределах измеряемого временного интервала. Во втором случае на экране определяют временной интервал в делениях шкалы l и результат рассчитывают по формуле tx = mtl. Погрешность измерения временных интервалов в этом случае достигает 5…10 %.

Для измерения временных интервалов однократно протекающих импульсных процессов необходимо применять осциллографы с достаточным послесвечением.

Для измерения временных интервалов очень малой длительности

(10 9...10 10с) используют стробоскопические осциллографы, принцип действия которых состоит в измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких так называемых стробирующих импульсов напряжения.

Цифровые приборы для измерения временных интервалов являются наиболее точными при измерении относительно больших интервалов (миллисекунды и более). При измерении малых интервалов времени погрешность дискретности, определяемая конечным значением частоты заполнения, может оказаться значительной. Для уменьшения этой погрешности применяют способ растяжения измеряемого интервала в определенное число раз, а при измерении периода колебаний – способ усреднения.

В способе растяжения применяют поочередное интегрирование двух стабилизированных напряжений постоянного тока U1 и U2 различной полярности. Напряжение U1 интегрируется в течение измеряемого интервала времени tx, а напряжение U2 – в течение интервала t'x, определяемого от момента окончания интервала tx до момента времени, когда напряжение на выходе интегратора станет равным нулю. Интервалы времени t'x и tx связаны соотношением t'x = txU1/U2.

18

При способе усреднения измеряется период, который больше измеряемого в определенное число раз. Увеличение периода осуществляется с помощью делителя частоты. Результатом измерения в этом случае будет среднее значение периода исследуемого колебания.

При измерении длительности коротких (десятки наносекунд) однократных импульсов применяют нониусный способ измерения.

Измерение фазового сдвига. Для измерения фазового сдвига между напряжением и током нагрузки в цепях промышленной частоты применяют электродинамические фазометры классов точности 0,2 и 0,5.

Всимметричных трехфазных цепях коэффициент мощности может измеряться специальными трехфазными фазометрами, классы точности которых 1,5 и 2,5.

Внесимметричной трехфазной цепи измеряют фазовые сдвиги между напряжением и током в каждой фазе отдельно. При этом токовые зажимы фазометра включают последовательно в фазу трехфазной цепи, а потенциальные – между фазой и нулевой точкой трехфазной цепи. Если нулевая точка недоступна, то ее создают искусственно.

Большое распространение получили цифровые фазометры, имеющие частотный диапазон входных напряжений до 150 МГц. Приведенная погрешность цифровых фазометров ±(0,1…0,5) %.

Для измерения фазового сдвига применяют электронно-лучевые осциллографы. Проще всего измерения фазового сдвига выполняются с помощью двухлучевых или двухканальных осциллографов. В этом случае на экране получают изображение двух напряжений, что дает возможность измерить временной сдвиг tx между напряжениями и период Tx и оценить

фазовый сдвиг (в градусах) по формуле x 360tx Tx . Погрешность измерения x определяется погрешностью измерения tx и Tx и может достигать ±(5…10) %.

Фазовый сдвиг может быть измерен также с использованием фигур Лиссажу [2].

2.4. Измерение параметров цепей постоянного и переменного тока

Измерение сопротивления постоянному току. Диапазон измеряемых в настоящее время сопротивлений достаточно широк (от 10–8 до 1017 Ом) и имеет тенденцию к дальнейшему расширению. Для измерений в столь широком диапазоне применяют самые разнообразные средства измерений,

19

позволяющие прямо или косвенно находить значения неизвестных сопротивлений. Выбор средств и способов измерений в значительной мере зависит как от значений сопротивлений, так и от требуемой точности, условий измерений и других факторов.

Особенности измерений сопротивлений в различных диапазонах обусловили существенное различие в достигнутой точности измерений. Так, если в диапазоне 1…106 Ом относительная погрешность измерения может составлять тысячные доли процента, то при измерении малых и больших сопротивлений она увеличивается до единиц процентов и более.

Прямые измерения. Сопротивления в диапазоне от единиц ом до единиц и десятков мегаом измеряют мостами (одинарными) постоянного тока, цифровыми, электронными и магнитоэлектрическими омметрами. Промышленность выпускает различные типы этих приборов, различающиеся точностью, удобством эксплуатации, габаритами, массой и другими характеристиками.

Для измерения с высокой точностью применяют мосты постоянного тока. Так, мосты Р369 и Р4056 в диапазоне 1…106 Ом позволяют измерять сопротивления с относительной погрешностью ±0,005. Такие мосты имеют ручное уравновешивание и требуют внешних источников питания и высокочувствительных нуль-индикаторов, в качестве которых наиболее часто используют гальванометры.

Выпускают переносные мосты со встроенными гальванометром и источником питания. Однако они имеют меньшую точность измерений. Имеются также автоматические мосты, которые используются в основном для измерений сопротивлений терморезисторов.

Высокую точность измерений можно получить, применяя цифровые приборы. Например, универсальный вольтметр типа Щ31 в режиме измерений сопротивления на поддиапазонах 1; 10 и 100 кОм имеет пределы допускаемой

RK – верхний предел поддиапазона; R – измеряемое сопротивление.

В отличие от мостов постоянного тока с ручным уравновешиванием, в цифровых приборах измерение производится автоматически, что является их существенным достоинством.

При измерениях, в которых не требуется высокой точности, применяют электронные и магнитоэлектрические омметры, выпускаемые в виде

20