Раздел 4. Измерение тока и напряжения

Измерение тока и напряжения является одним из наиболее распространенных в практике электроизмерений. При этом преобладающее значение имеет измерение напряжения, поскольку именно этой величиной принято характеризовать режимы работы различных радиотехнических устройств, их узлов и блоков. К тому же, подключение вольтметров не ведет к нарушению схемы соединений, а при измерении тока цепь приходится размыкать и в ее разрыв включать амперметр. Однако, в целом ряде случаев необходимы прямые и косвенные методы измерения тока и напряжения рассматриваются совместно.

4.1 Измеряемые параметры тока и напряжения

Измерение тока и напряжения характеризуется рядом принципиальных особенностей, основными из которых являются: широкая область частот, очень широкие пределы измеряемых токов (от 10^-14до 10⁶А) и напряжений (от долей микровольта до сотен микровольт); большое многообразие форм измеряемых токов и напряжений; малая мощность источников сигналов, предъявляются жесткие требования к входному импедансу вольтметров и амперметров.

Измерение постоянного напряжения и силы тока заключается в нахождении их значения и определения полярности. Целью измерения переменных тока и напряжения является нахождение какого-либо их параметра. Большое многообразие форм переменных токов и напряжений требует уточнения и определения измеряемых параметров.

Электрические сигналы напряжения или тока характеризуются прежде всего мгновенными значениями, т.е. значениями напряжения и тока в заданный момент времени

(4.1)

Мгновенные значения напряжений (токов) представляют интерес при исследовании формы сигналов, например с помощью осциллографа. Вольтметрами и амперметрами измеряют остальные параметры.

Переменный ток промышленной частоты имеет синусоидальную форму и характеризуется мгновенным значением (4.1), средним квадратическим значением U_с.к(это значение часто называют действующимU или эффективным), амплитудой и фазой.

В электронике наряду с сигналами синусоидальной формы широко используют и несинусоидальные сигналы (см. табл. 4.1). такие сигналы характеризуются пиковыми значениями (максимальными значениями из всех мгновенных значений) в положительных или отрицательных полуволнах U_max₊иU_max_–(U_max, U_min), средним квадратическими значениями, а также средним значением , часто называемым постоянной составляющей.

Если сигнал содержит постоянную составляющую, то среднее значение равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период

. (4.2)

Средневыпрямленное значение определяют как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период

(4.3)

Среднеквадратическое значение находят как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений

(4.4)

Гармонические сигналы характеризуются амплитудным значением U_m. Величина

A=U_max– U_min = U_в– U_н =2U_m(4.5)

называется размахом сигнала. Для однополярных сигналов U_c_.в=U_ср, а амплитуда равна размаху сигнала.

Существует определенная связь между всеми перечисленными параметрами, зависящая от формы сигнала, т.к. выше приведенные формулы справедливы для сигналов синусоидальной формы. Эту связь принято характеризовать коэффициентами амплитуды K_aи формыK_a

K_a=U_max/ U_с.к,

K_ф= U_с.к/U_с.в, (4.6)

Для некоторых, часто используемых форм сигналов, коэффициенты амплитуды и формы приведены в табл. 4.1. Коэффициенты формы и амплитуды однополярных импульсов определяются их скважностью, где Q=T/ τ ,K_a = K_ф=.

Для измерения напряжения и тока изменяются как методы непосредственной оценки, так и методы сравнения. Выбор методов и средств измерения напряжения и силы тока обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью потребляемой прибором от измерительной цепи.

Таблица 4.1

Форма сигнала

Коэффициент

формы Кф

Коэффициент

амплитуды Ка

синусоидальная