3. Классификация приборов по роду измеряемого тока

На практике используются приборы для измерений в цепях переменного и постоянного токов. Как видно из предыдущего параграфа, только приборы магнитоэлектрической системы (без специальных приспособлений) не могут быть использованы для измерений в цепях переменного тока. Из переменных токов чаще всего используется ток, меняющийся со временем по синусоидальному закону:

, (3.1)

где - амплитудное значение переменного тока, - начальная фаза, - циклическая частота, равная . Например, для тока городской сети Гц, циклическая частота .

Если пропустить переменный ток через электроизмерительный прибор, то стрелка, в силу своей инерции, установится в некотором положении, т.е. стрелка прибора не будет следовать за измерением мгновенного значения силы тока.

Магнитоэлектрические приборы покажут ноль. Действительно, на рамку с переменным током будет действовать переменная сила, причем направление действия силы будет через каждые полпериода меняться. В результате стрелка установится на нулевом делении шкалы.

При пропускании переменного тока (3.1) через прибор электромагнитной или электродинамической системы стрелка установится в определенном положении. В такое же положение отклонится стрелка при пропускании некоторого постоянного тока . Какая связь между амплитудным и эффективным значениями переменного тока? Для этого следует усреднить действие переменного тока за 1 период. Действие приборов электромагнитной и электродинамической систем, как было показано выше квадратичные (см. 2.2). Можно записать; , где индекс ср. означает среднее значение за 1 период. Откуда легко получить формулу, по которой можно определить эффективное или действующее значение любого (не обязательно синусоидального) переменного тока

(3.2)

Аналогичная формула получится и для эффективного значения напряжения. Для синусоидального тока и напряжения :

(3.3)

Отметим физический смысл эффективного значения тока (для напряжения аналогично). Прохождение переменного тока (3.1) через некоторое сопротивление вызывает выделение такого же количества тепла, как и прохождение постоянного тока величиной .Это следует из закона Джоуля-Ленца .

4 . Шунты и добавочные сопротивления

Выше рассматривались приборы, реагирующие на ток, проходящий через них. Они же могут измерить и напряжение (по закону Ома ). В широком смысле все эти приборы можно назвать гальванометрами. Однако часто гальванометрами называют чувствительные приборы, служащие для измерения весьма малых токов, напряжений и количества электричества и для указания отсутствия тока при измерениях.

Амперметрами называют приборы, служащие для измерения силы тока. При измерениях амперметр включают в цепь последовательно, так, чтобы весь измеряемый ток проходил через амперметр (рис. 4.1).

Д ля уменьшения влияния амперметра на измеряемый ток сопротивление амперметра должно быть много меньше сопротивления цепи. Идеальный амперметр должен иметь нулевое сопротивление. Слабые токи измеряют амперметрами, шкалы которых градуируют в миллиамперметрах ( ) и микроамперах ( ). В этих случаях приборы называют миллиамперметрами, микроамперметрами. На схемах они обозначаются соответственно:

В целях увеличения предела измерения силы тока к амперметру параллельно подсоединяется сопротивление, которое называется шунтом (рис. 4.2). В этом случае часть измеряемого тока проходит через шунт. Пусть – предельный ток через амперметр, – предельный измеряемый ток в цепи, на который рассчитывается шунт, тогда через шунт пройдет ток . Разность потенциалов между точками А и В соответствует падению напряжения как на амперметре, так и на шунте, тогда через шунт пройдет ток и по закону Ома для однородного участка , где – внутреннее сопротивление амперметра, – сопротивление шунта. Из двух последних соотношений получаем формулу для расчета шунтов:

,

где – показывает, во сколько раз увеличивается предел измерения амперметра.

Для измерения напряжения на участке цепи используется вольтметр, который подсоединяется к этому участку параллельно (рис.4.3). Для того чтобы включение вольтметра не изменяло заметно режима цепи, сопротивление вольтметра должно быть велико по сравнению с сопротивлением участка цепи. Для измерения малых напряжений используются милливольтметры, для измерения больших напряже­ний – киловольтметры ( ). В целях повышения пределов измеряемого напряжения последовательно к вольтметру подсоединяется так называемое добавочное сопротивление. В этом случае часть измеряемого напряжения падает на добавочное сопротивление (рис. 4.4).

г де U – измеряемое напряжение; U – падение напряжения на вольтметре, т.е. показание вольтметра;

– падение напряжения на добавочном сопротивлении.

Рис.4.4

Если предел измеряемого напряжения увеличивается в n раз, т.е.

U ,то nU или U и принимая во внимание, что ток через вольтметр и добавочное сопротивление один и тот же, и используя закон Ома, получим:

R .

Таким образом, чтобы измерить вольтметром в раз большее напряжение, необ­ходимо взять добавочное сопротивление в раз большее, чем внутреннее со­противление вольтметра (сравнить с сопротивлением шунта).

Рассмотренные приспособления (шунты и добавочные сопротивления) часто бывают вмонтированы внутрь электроизмерительного прибора. Для удобства проведения измерений приборы комплектуются несколькими шунтами (ампер­метры) или добавочными сопротивлениями (вольтметры), или и теми и другими. Такие приборы называются многопредельными в отличие от однопредельных. Выбор того или иного предела осуществляется переключением пределов или под­ключением к соответствующим клеммам.