МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТ СЕРТИФ / 18_19_EL_ИЗМЕРЕНИЯ / Mod_18-19-Gotov / M19_EL_Izmeren / M19_IZM-a

Модуль 19. Электрические измерения

Модуль 19. Электрические измерения

19.1. Измерение тока и напряжения

Д ля измерения тока в резисторе R (рис. 19.1, а) последовательно с ним включают измеритель тока – амперметр . Пунктиром на рис. 19.1 обозначен эквивалентный источник, питающий цепь.

При измерении малых постоянных токов (менее 1 мА) используют прямые и косвенные методы измерения. В первом случае ток измеряют стрелочными магнитоэлектрическими приборами, для увеличения чувствительности которых обычно применяют усилители постоянного тока.

Более точным является косвенное измерение тока (рис. 19.1, б), при котором в измеряемую цепь включают образцовый резистор (датчик тока) с сопротивлением R_т весьма малой величины и на нем измеряют падение напряжения цифровым вольтметром (ЦВ). При этом измерительная цепь работает почти без отбора энергии от объекта измерения (входное сопротивление ЦВ 1 Мом), что способствует уменьшению погрешности измерения.

Постоянные токи порядка 10^-3 ÷ 10² А измеряют также прямыми и косвенными методами (рис. 19.1). При прямых измерениях используют миллиамперметры и амперметры магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем, а также электронные аналоговые и цифровые приборы. При косвенных измерениях ток определяют по измеряемому падению напряжения на образцовом резисторе R_т с помощью цифровых вольтметров.

Измерение больших постоянных токов (свыше 100 А) обычно осуществляют амперметрами магнитоэлектрической системы с использованием шунтов (рис. 19.2). В этом случае основная часть тока I проходит по очень малому сопротивлению шунта R_ш<< R_A, а через измерительный прибор ток такой величины, которая может быть отмечена прибором, то есть соответствует его рабочему диапазону.

При измерении переменных токов необходимо помнить, какое значение тока измеряется конкретным прибором: действующее, амплитудное или среднее. Это вызвано тем, что все приборы, как правило, градуируют в действующих значениях синусоидального тока, а подвижные части измерительных механизмов различных систем реагируют на значения величин, отличные от действующих.

П

w₁

w₂

w₁

w₂

еременные токи до 100 мкА обычно измеряют цифровыми микроамперметрами, токи свыше 100 мкА - выпрямительными микроамперметрами.

Для измерения переменных токов в диапазоне 10 мА - 100 А используют электромагнитные, электродинамические, которые работают в частотном диапазоне до 1 кГц, выпрямительные приборы, работающие в частотном диапазоне до десятков килогерц, и термоэлектрические приборы в диапазоне частот до сотен мегагерц.

Измерение больших переменных токов осуществляют теми же приборами, но с использованием измерительных трансформаторов тока (ТТ на рис. 19.3). Первичная обмотка ТТ имеет очень мало витков (w₁=1÷3), наматывается толстым проводом и включается последовательно в измеряемую цепь. Вторичная обмотка с большим количеством витков (w₂>50) относительно тонкого провода подклю-чается подключается непосредственно к зажимам амперметра. Тогда вносимое в измеряемую цепь сопротивление оказывается пренебрежимо малым. Последнее существенно уменьшает методическую погрешность (см. ниже),

Переменные токи измеряют и косвенным путем. В этом случае образцовый резистор R_т включают последовательно в измерительную цепь, а падение напряжения на нем измеряют с помощью электронных вольтметров. Точность измерения при этом возрастает, но она ниже, чем при измерениях на постоянном токе.

Оценим так называемые методические погрешности измерения токов.

При прямом измерении тока (рис. 19.1, а) включение в измеряемую цепь измерителя с внутренним сопротивлением R_A изменяет режим работы исследуемой цепи: до включения амперметра в цепи протекал ток , а после включения измерителя ток становится равным . Относительное изменение тока в этом случае характеризует погрешность метода измерения или методическую погрешность измерения тока:

, (19.1)

то есть включение амперметра уменьшает измеряемый ток I’ по сравнению током I . Различие этих токов тем меньше, чем больше отношение .

Аналогично можно оценить методическую погрешность при косвенных измерениях тока (рис. 19.1, б) из-за включения в цепь сопротивления .

Для измерения напряжения U_ab на каком-либо участке электрической цепи (рис. 19.4, а) измеритель напряжения (вольтметр) включают параллельно этому участку (рис. 19.4, б). Пунктиром на рис. 19.4 обозначен эквивалентный источник, питающий цепь.

При измерении малых постоянных напряжений (порядка 10^-7÷10^-8 В) используют магнитоэлектрические гальванометры. Более точные результаты при измерении напряжений в диапазоне 1÷1000 мкВ получают при использовании цифровых микровольтметров.

Значения постоянных напряжений от десятков милливольт до сотен вольт измеряют приборами магнитоэлектрической, электродинамической, электромагнитной систем с использованием добавочных резисторов и делителей напряжения, электронными аналоговыми и цифровыми вольтметрами. Для измерения постоянных напряжений до нескольких киловольт применяют в основном электростатические вольтметры, а также приборы других с истем с делителями напряжения.

Малые переменные напряжения (до единиц вольт) измеряют с помощью приборов выпрямительной системы, аналоговыми электронными вольтметрами. Более высокую точность получают при измерении напряжений цифровыми вольтметрами.

Для измерения переменных напряжений от единиц до сотен вольт в диапазоне частот до сотен герц используют приборы электромагнитной, и электродинамической систем, до десятков килогерц - и выпрямительной системы. В диапазоне частот до десятков мегагерц измерение напряжений производят электронными вольтметрами.

Для измерения больших переменных напряжений используют те же приборы, но с применением измерительных трансформаторов напряжения (ТН на рис. 19.3). У измерительных ТН коэффициент трансформации , и, следовательно, вносимое в первичную цепь сопротивление возрастает, что снижает методическую погрешность (см. ниже). Кроме преобразования величины переменного напряжения, ТН осуществляют гальваническую развязку (изоляцию) вторичной цепи от первичной, находящейся под высоким напряжением.

Оценим методическую погрешность измерения напряжения вольтметром.

До включения вольтметра (рис. 19.4, .а) .

После подключении измерителя напряжения к участку электрической цепи с сопротивлением R (рис. 19.4, б) изменяется режим ее работы и напряжение на данном участке становится равным U’_ab: .

Относительное изменение напряжения характеризуют погрешностью метода измерения или методической погрешностью измерения напряжения:

, (19.2)

где - эквивалентное сопротивление «основной» цепи. по отношению к измерителю.

Таким образом, включение вольтметра уменьшает измеряемое напряжение по сравнению с напряжением . Различие этих напряжений тем меньше, чем больше отношение . Отметим, что при использовании для измерения напряжения электронных вольтметров (Ом) методическая погрешность становится пренебрежимо малой.

19.2. Измерение мощности и энергии в электрических цепях

Измерение мощности осуществляют с помощью прямого и косвенного методов. При прямом методе используют ваттметры, при косвенном - амперметры и вольтметры.

Измерение мощности в цепях постоянного тока. В цепях постоянного тока мощность измеряют методом вольтметра – амперметра (рис. 19.5). Измерив амперметром ток I и вольтметром напряжение U, вычисляют мощность в нагрузке :

. (19.3) .

Д ля уменьшения методической погрешности из-за влияния внутренних сопротивлений приборов схему рис. 19.5, а следует использовать при малых значениях сопротивления R, а схему рис. 19.5, б – при средних и больших R .

Для оценки методической погрешности измерения мощности рассмотрим пример.

Пример. При измерения мощности в нагрузке с сопротивлением R =1 Ом по схеме рис. 19.5, а приборы показали: 1,005 А, U_V =1 В. Внутреннее сопротивление вольтметра R_V = 200 Ом. Сопротивление амперметра в этой схеме на погрешность не влияет. Оценить погрешность измерения и фактичекую мощность.

Решение. Измеренная мощность Вт.

Фактическую мощность с учетом особенностей схемы измерения можно определить выражением: .

И после подстановки численных значений получаем: 1 Вт . Теперь оценим погрешности.

Абсолютная погрешность погрешность: 1/200 = 0,005 Вт.

Учитывая, что , находим относительную погрешность измерения:

. (19.4)

Измерение мощности в однофазных цепях синусоидального тока.

Полную мощность приемника измеряют, как правило, методом вольтметра - амперметра (рис. 5): , где U и I - действующие значения напряжения и тока.

Активную и реактивную мощности приемников измеряют с помощью ваттметров и варметров – электродинамических приборов.

Измерение активной мощности в однофазных цепях производят ваттметром, включая его по схеме рис. 19.6, где R_д - добавочное сопротивление. В ваттметре используется электродинами-ческий измерительный механизм (ИМ), на подвижной катушке которого намотана токовая обмотка, а на неподвижной катушке – обмотка напряжений. Токовую обмотку включают последовательно с приемником Z, то есть в цепь тока I, а обмотку напряжения - параллельно приемнику Z на напряжение U. Вращательный мометн электродинамического ИМ пропорционален произведению действующих значений токов в обмотках и косинусу угла сдвига фаз между ними. Поэтому угол отклонения подвижной части и указателя (стрелки) равен:

. (19.5)

Измеренную ваттметром активную мощность вычисляют по формуле:

, (19.6)

где - цена деления шкалы ваттметра .

Измерение реактивной мощности в однофазных цепях проводят с помощью «реактивных» ваттметров, называемых варметрами. В этих приборах схемным путем создается искусственный сдвиг фаз на 90° между напряжением U на приемнике и током в обмотке напряжения прибора .

Активную энергию в цепях переменного тока измеряют индукционными счетчиками, включаемыми в цепи по тем же схемам, что и ваттметры. Активная энергия, учтенная счетчиком, определяется выражением:

,

где C_сч – постоянная счетчика, равная активной энергии, приходящейся на один оборот диска, а n – число оборотов диска.

Постоянная C_сч выражается в ватт-секундах или киловатт-часах.

7