Измерение токов, напряжений и сопротивлений

Измерение тока, потребляемого электрическими цепями, производится амперметрами — электроизмерительными приборами, включенными последовательно в цепь, в которой измеряется ток. Обмотку амперметра выполняют из небольшого числа витков толстого провода, поэтому она характеризуется оченьмалым сопротивлением.Малое сопротивление необходимо для того, чтобы сопротивление цепи, в которой производится измерение тока, при включении амперметра практически не изменялось. При этом мощность, потребляемая прибором, также оказывается небольшой.

Включенные таким образом амперметры используются как приборы непосредственной оценки — они показывают непосредственно числовое значение измеряемого тока.

В цепях постоянного тока в основном используются амперметры магнитоэлектрической, реже — электромагнитной систем. Обмотка амперметра может допускать ограниченное значение измеренного тока. Для расширения предела измерения амперметра в электрических цепях постоянного тока используют шунты — специальные тарированные резисторы, включаемые параллельно с амперметром (рис. 4, а).

Сопротивление шунта R_ш, как следует из схемы (рис. 4,а), включено параллельно сопротивлениюR_аобмотки амперметра, поэтому токIэлектрической цепи распределяется по соответствующим параллельным ее ветвям обратно пропорционально сопротивлениям:

I_а / I_ш = R_ш / R_а, I_ш = I_а R_а / R_ш ,

где I_ш— ток в цепи шунта;I_а— ток в цепи амперметра (показание амперметра).

а)б)

Рис. 4

Для схемы (см. рис. 4, а) справедливо следующее соотношение между токами :

I = I_а + I_ш.

С учетом этого измеряемый ток в электрической цепи можно определить по показаниям амперметра и известным значениям сопротивлений обмотки амперметра и шунта:

I =  (1 + R_а/R_ш)I_а = K_шI_а,

где шунтирующий множитель К_ш= 1 +R_а/R_ш.

Из уравнения видно, что для расширения предела измерения амперметра в 2 раза сопротивление шунта должно быть таким же маленьким, как и сопротивление амперметра R_ш= R_а. Для увеличения предела измерений вNраз сопротивление шунта должно быть меньше сопротивления амперметра в (N – 1) раз:

R_ш = R_а / (N – 1).

В ряде случаев шкала амперметра градуируется с учетом наличия шунта, при этом измеряемый ток в электрической цепи отсчитывается непосредственно по шкале прибора.

Измерение напряженияв электрических цепях осуществляется с помощью вольтметров — электроизмерительных приборов, включенных параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение. Обмотку вольтметра выполняют из большого числа витков тонкого провода, поэтому она характеризуется оченьбольшим сопротивлением.Большое сопротивление необходимо для того, чтобы сопротивление участка цепи, на котором производится измерение напряжения, при включении вольтметра практически не изменялось. При этом мощность, потребляемая прибором, оказывается небольшой.

Включенные таким образом вольтметры используются как приборы непосредственной оценки — они показывают непосредственно числовое значение измеряемого напряжения.

В цепях постоянного тока обычно используются вольтметры магнитоэлектрической и электромагнитной систем. С целью расширения предела измерения вольтметров последовательно с обмоткой включают тарированные добавочные резисторы, помещаемые внутри прибора или отдельно от него (см. рис. 4, б).

При наличии добавочного сопротивления R_доб, включенного последовательно с обмоткой вольтметра, имеющей сопротивлениеR_в, подлежащее измерению напряжениеUраспределяется пропорционально этим сопротивлениям:

U_в / U_доб = R_в / R_доб , U_доб = U_вR_доб / R_в ,

где U_в— напряжение на зажимах вольтметра (показания вольтметра);U_доб— напряжение, приложенное к добавочному сопротивлению.

Измеряемое напряжение U = U_в+ U_доб. С учетом этого измеряемое напряжение определяют по показаниям вольтметраU_ви известным сопротивлениям обмотки вольтметра и добавочного сопротивления:

U = (1 + R_доб/R_в)U_в = K_добU_в,

где добавочный множитель К_доб= 1 +R_доб /R_в.

Для расширения пределов измерения значений напряжения в Nраз сопротивление добавочного сопротивления должно быть больше большого внутреннего сопротивления вольтметра в (N ‑ 1)раз.

R_доб = R_в(N  1).

Во многих случаях шкала вольтметра градуируется с учетом включенного последовательно с его обмоткой добавочного сопротивления, при этом измеряемое напряжение, действующее на зажимах электрической цепи, отсчитывается непосредственно по шкале прибора.

Измерение электрических сопротивленийосуществляется разными методами. Широко используется метод амперметра и вольтметра, основанный на применении закона Ома к участку электрической цепи, который содержит измеряемое сопротивление. По падению напряжения на участке цепи и току представляется возможным определить его сопротивлениеR_x:

R_x = U/I ,

где U— напряжение, подводимое к измеряемому сопротивлению;I — ток в цепи измеряемого сопротивления.

Измерение больших электрических сопротивленийметодом амперметра и вольтметра осуществляется по схеме (рис. 5,а) и используется в тех случаях, когда измеряемое сопротивление значительно больше сопротивления обмотки амперметра, последовательно с которой оно включено. При этом пренебрегают падением напряжения на сопротивлении обмотки амперметра, считая, что подводимое напряжение полностью приложено к измеряемому сопротивлению. При точном определении измеряемого сопротивления с учетом ошибки, вносимой амперметром, его значение рассчитывается по формуле

R_x = (U  R_аI)/I,

где R_а— сопротивление обмотки амперметра.

Измерение малых электрических сопротивленийметодом амперметра и вольтметра осуществляется по схеме  (рис. 5,б), которая позволяет исключить влияние сопротивления обмотки амперметра на точность определения измеряемого сопротивления и используется в тех случаях, когда сопротивление обмотки амперметра соизмеримо с измеряемым сопротивлением. При этом пренебрегают током через большое сопротивление обмотки вольтметраR_в. Для точного определения сопротивления с учетом погрешности, вносимой вольтметром, его значение рассчитывается так:

R_x = U/(I  U/R_в).

а)б)

Рис. 5