Общие сведения об измерении параметров электрического тока.

Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот и импульсных.

Наиболее высокую точность измерений получают в цепях постоянного тока. При измерениях в цепях переменного тока точность измерений снижается с повышением частоты; здесь кроме оценки среднеквадратичного, средневыпрямленного, среднего и максимального значений требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжения.

Измерители тока и напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю готовность к работе и высокую надежность.

Выбор приборов, выполняющих измерения тока и напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых: род измеряемого тока, примерный диапазон; форма кривой измеряемого тока (напряжения); мощность цепи, в которой осуществляется измерение; мощность потребления прибора; возможная погрешность измерения.

Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения и тока обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения, в частности, на методе противопоставления.

Методы измерения напряжения в цепях постоянного тока

I.Метод непосредственной оценки.

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке Rв цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивлениеR₀, вольтметр включают параллельно нагрузке (рис. 1).

Рисунок 1.

Для уменьшения методической погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико (R₀→ ∞).

Измерение напряжения в цепях постоянного тока может быть выполнено любым измерителем напряжения, работающем на постоянном токе (магнитоэлектрическим, электродинамическим, электростатическим, электромагнитным, аналоговым или цифровым электронным вольтметром). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощностью измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измерения мощный, используются электромеханические вольтметры и мощность потребления ими не учитывается, если же объект измерения маломощный, то мощность потребления должна быть учтена, либо используются электронные вольтметры.

II. Методы сравнения.

Компенсационный метод (метод противопоставления) измерения заключается в уравновешивании, осуществляемом включением на индикатор равновесия либо двух электрически не связанных между собой, но противоположно направленных напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Компенсационный метод используют для непосредственного сравнения напряжений или ЭДС, тока и косвенно для измерения других электрических, а также неэлектрических величин, преобразуемых в электрические.

Применяют следующие схемы компенсации:

• Компенсации напряжений или ЭДС(рисунок 2);

• Компенсации токов (рисунок 3).

Рисунок 2.

Схема, показанная на рисунке 2, наиболее распространена. В ней измеряемое напряжение U_Xкомпенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжениемU_K. Падение напряженияU_Kсоздается токомIна изменяемом по значению компенсирующем образцовом сопротивленииR_K. ИзменениеR_Kпроисходит до тех пор, покаU_Kне будет равноU_X. Момент компенсации тока определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектрического гальванометраG; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Рисунок 3.

Компенсационный метод измерения обеспечивает высокую точность измерения.

Устройства, служащие для выполнения измерений компенсационным методом, называют потенциометрамииликомпенсаторами. В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерений токIв рабочей цепи определяют не амперметром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС нормального элемента. Нормальные элементы обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865 В при температуре 20ºС, внутреннее сопротивление 500 - 1000 Ом, ток перегрузки 1 мкА. С изменением температуры окружающей среды значение ЭДС уменьшается по следующему закону:

Е_t=Е₂₀-0,00004(t-20)-0,000001(t-20)², (1)

где E_t-ЭДС при температуреt,E₂₀-ЭДС при 20ºС.

Схема компенсатора представлена на рисунке 4. Она содержит источник вспомогательной ЭДС Е_вспдля питания рабочей цепи, в которую включают регулировочное сопротивлениеR_p, компенсирующееR_Kи образцовоеR_Hсопротивления. К зажимам НЭ подключают нормальный элемент, ЭДС которого Е_НЭ, к зажимам Х – искомую ЭДС Е_Х. В качестве индикатора равновесия используют высокочувствительный гальванометрG.

Рисунок 4.

При работе с компенсатором выполняют две операции:

1. устанавливают ток Iв рабочей цепи компенсатора с помощью источника вспомогательной ЭДС Е_всп(положение 1 выключателя В).

2. измеряют искомую ЭДС Е_Х(положение 2 выключателя В).

Для установки рабочего тока предварительно определяют температуру окружающей среды, затем по (1) вычисляют точное значение ЭДС нормального элемента для данной температуры. Далее устанавливают образцовое сопротивление R_H, значение которого выбирают в зависимости от значений тока в рабочей цепи и ЭДС при температуреt(сопротивлениеR_Hсостоит из катушки с постоянным значением сопротивления и последовательно соединенной с ней температурной декадой). Затем переключатель В ставят в положение 1 и ЭДС нормального элемента противопоставляют падению напряжения наR_H, которое регулируется с помощью изменяющего значение токаIв рабочей цепи резисторомR_p. Момент компенсации соответствует нулевому отклонению гальванометраG, т.е.E_НЭ=IR_H.

После установления рабочего токи Iдля измерения Е_Хпереключатель В ставят в положение 2 и регулировкой образцового компенсирующего сопротивленияR_Kвновь доводят до нуля ток в цепи гальванометраG. Тогда

E=IR'_K=E_НЭR'_K/R_H, (2)

Где I- значение тока, установленное при положении 1 переключателя В;

R'_K – значение образцового компенсирующего сопротивления, при котором имеет место состояние равновесия.

Сопротивление R_Kвыполняют по специальным схемам, которые обеспечивают постоянное сопротивление между точками 3,4 и переменное сопротивление между точками 3, Д, а также необходимое число знаков и точность отсчета.

В зависимости от значения сопротивления рабочей цепи различают компенсаторы постоянного тока большого сопротивления (высокоомные 10-40 кОм, ток рабочей цепи 10^-3-10^-4А, порядок измеряемого напряжения 1 - 2,5 В, погрешность измерения 0,02% от измеряемой величины) и малого сопротивления (низкоомные 10-1000 Ом; ток рабочей цепи 10^-1-10^-3А, порядок измеряемого напряжения до 100 мВ, погрешность измерения 0,5% от измеряемого значения).

Схемные решения и конструкции компенсаторов постоянного тока могут быть различны.

При измерении ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях, входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим, поэтому целесообразно использовать дифференциальный или компенсационный метод.

Дифференциальный методоснован на измерении разности между измеряемым и образцовым напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рисунке 5. Высокоомный вольтметрV₁cчувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемымU_Xи образцовымU_Kнапряжениями. Магнитоэлектрический аналоговый или цифровой вольтметрV₂используется для измерения образцового напряженияU_K. Рекомендуется приU_K=0 измерить вольтметромV₁ориентировочное значениеU_X, а уже затем установить по вольтметруV₂удобное для отсчета напряжениеU_K. Измеряемое напряжениеU_Хпри указанной полярности вольтметраV₁определяется какU_Х=U_K+ΔU.

Рисунок 5.

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего U_K.

Входное сопротивление цепи

R_ВХ= U_X/I=(U_K+ΔU)/( ΔU/Rv₁)=Rv₁(U_K/ΔU+1) (3)

и намного превышает входное сопротивление Rv₁вольтметраV₁.

Гальванометрические компенсаторы служат для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10^-8В). Основными элементами гальванометрического компенсатора (рисунок 6) являются: измерительный механизм магнитоэлектрического зеркального гальванометраG, образцовый

резистор обратной связи R_K, фоторезисторы ФR₁и ФR₂, источники

Рисунок 6.

постоянного напряжения с Е₁=Е₂, магнитоэлектрический микроамперметр. На зеркальце гальванометраGнаправлен луч света от прожектора Пр. При отсутствии напряженияU_Хлуч света, отраженный от зеркала, одинаково освещает фотосопротивления, в результате токI_K=0. при подаче на вход измерителя напряженияU_Хв цепи гальванометраGпоявляется токI_Г, подвижная часть гальванометра поворачивается на некоторый угол и происходит перераспределение освещенности фоторезисторов и изменение их сопротивлений. Согласно схеме включения фоторезисторов и полярностиU_Х сопротивление фоторезистора ФR₁уменьшится, а ФR₂увеличится. Через резисторR_Kпотечет токI_K, создавая наR_Kкомпенсирующее напряжениеU_K, почти равное измеряемому напряжениюU_Х. Значение токаI_Kавтоматически изменяется в зависимости от изменения измеряемого напряженияU_Х, но всегда так, что выполняется условиеU_Х≈U_К, обеспечиваемое за счет небольших изменений токаI_Гв цепи гальванометра:

I_Г=(U_Х-U_К)/(R_Г+R_K)=ΔU/(R_Г+R_K). (4)

Чем чувствительнее гальванометр, тем при меньших изменениях I_Гпроизойдет соответствующее изменение токаI_К, нужное для выполнения условияU_Х≈U_К.

Повышение чувствительности достигается благодаря применению специальной конструкции гальванометра, что обеспечивает при токах порядка 10^-10-10^-14А максимальный угол поворота подвижной части.

Значение компенсирующего тока I_Кзависит от значений Е₁=Е₂, относительного изменения фотосопротивлений и может достигать нескольких десятков микроампер.

Гальванический компенсатор имеет высокую чувствительность при высоком входном сопротивлении.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Диапазон значений постоянных токов, с измерением которых приходится встречаться в различных областях техники, чрезвычайно велик (от токов 10^-7А до десятков и сотен тысяч ампер). Поэтому методы и средства измерения их различны.

Измерение постоянного тока может быть выполнено любым измерителем постоянного тока: магнитоэлектрическими, электродинамическими, аналоговыми и цифровыми электронными амперметрами. При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших полного отклонения I_Имагнитоэлектрического измерителя, последний применяют совместно с усилителем постоянного тока. Усиления тока можно добиться при включении биполярных транзисторов по схеме с общим эмиттером, которая обеспечивает малое входное сопротивление усилителя.