Электрич и Магн / Введение

2.3. Измерение силы тока. Амперметры

А мперметры (миллиамперметры, микроамперметры) - приборы, предназначенные для измерения силы тока, включают в разрыв цепи, ток которой следует измерить. Амперметр состоит из измерительной головки, в качестве которой наиболее широко используются микроамперметры магнитоэлектрической системы, и резистора, называемого шунтом (рис. 2.6). Шунт подключается параллельно к измерительной головке и расширяет его предел измерения. В данном случае измеряемый ток идет не только через микроамперметр PA, но и через шунт. Доля тока, протекающего через шунт тем больше, чем меньше его сопротивление по сравнению с сопротивлением рамки микроамперметра. В результате ток через микроамперметр уменьшается, и стрелка прибора отклоняется на меньший угол.

Сопротивление шунта зависит от выбранного предела измерения и параметров измерительной головки и рассчитывается по формуле:

,

где

R₀ - сопротивление рамки измерительной головки;

I_п - выбранный предел измерения;

I₀ - ток полного отклонения измерительной головки.

Для измерения переменных токов применяют измерители электромагнитной системы, а также магнитоэлектрической системы с выпрямителями на полупроводниковых диодах (рис. 2.7, 2.8).

2.4. Измерение напряжений. Вольтметры

В основном для измерения напряжения используют стрелочные вольтметры. Вольтметр подключается параллельно участку электрической цепи, на котором измеряется падение напряжения. Простейший вольтметр для измерения постоянных напряжений состоит из стрелочного измерителя PA магнитоэлектрической системы с независимыми (рис. 2.9) или последовательно включенными (рис. 2.10) с рамкой измерителя добавочными резисторами R_д и входных зажимов.

В ходное сопротивление подобных вольтметров определяется как:

,

где

U_пред - верхний предел измерения вольтметра;

I_пред - ток предельного отклонения указателя измерителя.

Входное сопротивление слагается из сопротивления рамки измерительного механизма и добавочного сопротивления данного предела измерения. Чем выше входное сопротивление по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряется напряжение, тем меньше вольтметр влияет на точность измерения. Чаще всего вольтметры оценивают по величине относительного входного сопротивления, которая определяется значением сопротивления, приходящегося на 1 В предельного напряжения.

Измерение переменного напряжения производят электромеханическими вольтметрами электромагнитной, электродинамической или ферродинамической систем, выполняемыми по схеме на рис. 2.9, 2.10. Частотный диапазон таких вольтметров находится в пределах от нуля до нескольких килогерц. Более широк частотный диапазон у вольтметров электростатической системы (до нескольких мегагерц).

На практике для измерения переменных напряжений применяют стрелочные вольтметры выпрямительной системы с однополупериодным (рис. 2.11,а) и мостовым (рис. 2.11,б) выпрямителями, имеющие частотный диапазон до нескольких десятков килогерц, стрелочные электронные вольтметры (частотный диапазон до нескольких сотен мегагерц).

2.5. Измерение сопротивления. Омметры

Наиболее распространены следующие методы измерения сопротивлений: метод непосредственного отсчета при помощи омметров, характеризуемый простотой процесса отсчета и широкими пределами измерений; мостовой метод, обеспечивающий малую погрешность измерений, а также методы амперметра и вольтметра.

Электромеханические омметры постоянного тока разделяются на две основные группы: последовательные (рис. 2.12) для измерения средних и больших сопротивлений (1 Ом и выше) и параллельные для измерений малых сопротивлений (рис. 2.13).

В качестве отсчетного устройства они имеют измеритель магнитоэлектрической системы, обычно с током полного отклонения 50-100 мкА. Шкалы омметров с последовательной схемой имеют отметку “0” справа (указатель измерителя устанавливается на отметку предельного отклонения при замкнутой кнопке SB) и отметку ““ - слева. Омметры с параллельной схемой имеют “0” слева, а ““ - справа. Переменный резистор R_ш служит для установки “0” омметра (при замкнутой кнопке SB). Омметр градуируют по образцовым резисторам. Обычно погрешность омметров при измерении на рабочем участке шкалы составляет 4-10 %; на начальном и конечном участках погрешности значительно возрастают.

Мостовые методы позволяют осуществлять наиболее точные измерения сопротивлений. Три плеча моста (рис. 2.14) образуют образцовые комплексные сопротивления Z₁, Z₂ и Z₃ (конденсаторы, катушки индуктивности), а четвертое - измеряемое сопротивление Z_x. Баланс моста (ток в измерителе PA отсутствует) наступает, если

.

Баланса добиваются изменением одного из образцовых сопротивлений, например Z₃. Если при измерении активных сопротивлений (R_x) мост питается постоянным напряжением U_п, в качестве индикатора баланса используют гальванометр магнитоэлектрической системы, а плечи моста образуют образцовыми резисторами. При этом:

.

Если питать мост переменным напряжением, то индикатором баланса может быть головной телефон или милливольтметр переменного тока.

Достоинство мостовых методов заключается в том, что измерения можно производить при малых значениях силы тока в цепи.

При измерении сопротивления методом амперметра-вольтметра (рис. 2.15) используется закон Ома для участка цепи. Измерив силу тока I_x и падение напряжения U_x на резисторе, неизвестное сопротивление находят по формуле:

.

Для определения сопротивления R_x методом вольтметров (рис. 2.16) нужно вольтметрами (милливольтметрами) измерить падение напряжения U₀ на образцовом резисторе R₀ и U_x на измеряемом R_x. Тогда:

.

Необходимое напряжение источника вычисляется по закону Ома в соответствии с сопротивлением R₀, пределом измерения вольтметра и предполагаемым сопротивлением резистора R_x. Наивысшая точность измерения может быть получена, если R₀R_x. Точность измерения сопротивления R_x зависит также от класса точности вольтметра и образцового резистора. Необходимо соблюдение условий: R_вх>>R₀ и R_вх>>R_x, так как погрешность измерения уменьшается с увеличением входного сопротивления вольтметра R_вх.

Для определения сопротивления R_x методом амперметров (рис. 2.17) нужно амперметрами (миллиамперметрами) PA1 и PA2 измерить силу тока I₀ в цепи образцового резистора R₀ и I_x в цепи измеряемого сопротивления R_x. Если пренебречь внутренними сопротивлениями амперметров, которые обычно очень малы, падение напряжения на резисторах одинаковое:

и .

Отсюда:

.

Сила тока в цепях определяется пределами измерения амперметров и можно регулировать с помощью регулятора тока R.