1. Основные теоретические положения

1.1. Общие сведения об измерении силы тока и напряжения

Токи и напряжения являются наиболее распространенными электрическими величинами, которые приходится измерять в радиотехнических и телекоммуникационных системах [1, 2]. Этим объясняется широкая номенклатура выпускаемых промышленностью средств измерений рассматриваемых электрических величин. Выбор средства измерений определяется совокупностью факторов: предполагаемым размером измеряемой величины, родом тока (постоянного и переменного), частотой, требуемой точностью измерения, условиями проведения эксперимента (лабораторные, цеховые, полевые и т. п.), влиянием внешних условий (температуры, магнитного поля, вибраций и т. д.) и др.

Определение значений напряжений осуществляется, как правило, прямыми измерениями. Для определения силы тока, кроме прямых измерений, широко используют косвенные измерения, при которых измеряется падение напряжения на резисторе с известным сопротивлением , включенном в цепь измеряемого тока . Значение силы тока находят по закону Ома:

. (1)

В этом случае погрешность результата измерения определяется погрешностью измерения напряжения и погрешностью , обусловленной отличием номинального значения сопротивления от истинного значения сопротивления . Погрешность может быть найдена по правилам обработки результатов наблюдения при косвенных измерениях.

Измерения силы тока и напряжения всегда сопровождаются погрешностью, обусловленной сопротивлением используемого средства измерений. Включение в исследуемую цепь средства измерений искажает режим этой цепи. Так, например, включение амперметра, имеющего сопротивление , в цепь, изображенную на рис. 1 а, приведет к тому, что вместо определяемого выражением (1) тока, который протекал в этой цепи до включения амперметра, после включения амперметра будет протекать ток:

. (2)

При этом погрешность

(3)

тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Аналогичная погрешность возникает при измерении напряжений. Например, в цепи, представленной на рис. 1 б, при включении вольтметра, имеющего сопротивление , для измерения напряжения между точками и режим цепи нарушается, так как вместо напряжения:

, (4)

которое было в схеме до включения вольтметра, после его включения напряжение

. (5)

Причем погрешность

, (6)

R_x

А

+

R

-

b

U

+

R₁

V

R_V

a

R₂

U

-

R_X

-

Рис. 1. Схемы измерения тока (а) и напряжения (б)

тем больше, чем меньше сопротивление вольтметра.

Косвенным показателем сопротивления средств измерений является мощность, потребляемая средством из цепи, в которой производится измерение. При протекании тока через амперметр с сопротивлением мощность, потребляемая амперметром,

. (7)

Мощность, потребляемая вольтметром, определяется выражением

, (8)

где – напряжение, измеряемое вольтметром; – внутреннее сопротивление вольтметра. Следовательно, погрешность от искажения режима цепи при измерении токов и напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потребляемая средством измерений из цепи, где производится измерение.

Таким образом, для уменьшения величины методической погрешности при измерении напряжения сопротивление используемого вольтметра должно быть как можно большим, а при измерении силы тока сопротивление амперметра – как можно меньшим, тогда и потребление мощности от объекта измерения будет малым.

Из средств измерений, используемых для измерений токов и напряжений, наименьшим потреблением мощности из цепи измерений обладают компенсаторы (потенциометры), электронные и цифровые приборы. Среди электромеханических приборов наименьшую мощность потребляют магнитоэлектрические и электростатические приборы. Достаточно малая мощность, потребляемая из цепи измерений компенсаторами, позволяет измерять ими не только напряжения, но и ЭДС.

Диапазон измеряемых значений силы тока и напряжения достаточно широк. Поэтому для измерений токов и напряжений в таком широком диапазоне значений выпускаются различные средства измерений, обеспечивающие возможность измерений в определенных поддиапазонах. Средства измерений токов и напряжений делают, как правило, многопредельными. Для расширения пределов измерений силы тока применяются шунты и измерительные трансформаторы постоянного тока в цепях постоянного тока и измерительные трансформаторы переменного тока в цепях переменного тока. Для расширения пределов измерений напряжения используют делители напряжения, добавочные резисторы и измерительные трансформато- ры напряжения.