Л Е К Ц И Я. по дисциплине «Метрология» для студентов, обучающихся по специальности «Организация и технология защиты информации»

по дисциплине «Метрология» для студентов, обучающихся по специальности «Организация и технология защиты информации»

Лекция №3: «Методы измерения напряжения и силы тока»

Обсуждена на заседании кафедры

Протокол №___ от «»________2010 г.

Ставрополь

УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:

На базе понимания общих целей учебно-воспитательного процесса в ВУЗе сформировать у студентов знания по основным методам измерения напряжения и силы тока.

ВРЕМЯ – 80 минут.

УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

1. Выставка литературы.

2. Образцы документов.

3. Плакаты.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЛЕКЦИИ:

1. Вступительная часть – 5 минут;

2. Учебные вопросы лекции:

1) Основные параметры токов и напряжений-25 минут.

2) Общая характеристика приборов, измеряющих напряжение и силу тока.

-25 минут.

3) Аналоговые электронные вольтметры –20 минут.

3. Заключение - 5минут.

Задание студентам для самостоятельной работы

1Вопрос. Основные параметры токов и напряжений

Измерение напряжения и силы тока наиболее часто применяют в практике метрологии и электрорадиоизмерений. При этом в телекомму­никационных системах преобладающее значение имеет измерение на­пряжения, так как чаще всего этой величиной принято характеризовать режимы работы различных радиотехнических цепей и устройств. К тому же параллельный метод подключения вольтметра к участку цепи, как правило, не приводит к нарушению электрических процессов в ней, по­скольку его входное сопротивление выбирается достаточно большим. При измерениях же тока приходится размыкать исследуемую цепь и в ее разрыв последовательно включать амперметр, внутреннее сопротивле­ние которого отлично от нуля. Однако в ряде случаев необходимы пря­мые или косвенные измерения силы тока, поэтому вопросы измерения напряжения и силы тока рассматриваются совместно.

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахо­ждении их значения (величины) и полярности. Целью измерения пере­менных напряжения и силы тока является определение какого-либо их параметра.

Поскольку напряжение и ток связаны прямопропорциональной зави­симостью, чаще проводят измерение напряжения и по его значению ана­литически вычисляют силу тока.

Напряжение между точками А и В есть скалярная величина, опреде­ляемая выражением

где -напряженность электрического поля; - расстояние между точками.

В настоящее время метрологическая техника позволяет измерять на­пряжения в диапазоне 10^-10...10⁶ В и токи в диапазоне 10^-18...10⁵ А. Вме­сте с тем данные измерения должны осуществляться в очень широкой полосе частот - от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более). Поэтому такие крайние значения величин требуют уникальных методов измерения и здесь почти не изучаются.

Как уже отмечалось, приборы, измеряющие параметры сигналов с частотами до 10⁴ Гц, являются низкочастотными, до 10⁸ — высо­кочастотными, свыше — диапазон сверхвысоких частот, требующий специальных измерительных методов.

Измерение параметров напряжения переменного тока — довольно сложная метрологическая задача, связанная с обеспечением требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого сигнала. Переменное напряжение характеризуется несколькими параметрами, и его уровень может быть определен по амплитудному, действующему (среднеквадратическому, эффективному) или средневыпрямленному (постоянному) значению. Напомним некоторые характеристики и пара­метры напряжения переменного тока.

Мгновенные значения напряжения u(t) наблюдают на осциллографе или экране любого другого устройства (рис. 1) и определяют для каж­дого момента времени.

Амплитуда (высота; устаревший термин — пиковое значение) U_m — наибольшее мгновенное значение напряжения за время наблюдения, или за период.

Измеряемые напряжения могут иметь различный вид, например, форму импульсов, гармонического или негармонических колебаний — суммы си­нусоиды с постоянной составляющей и т.д. (рис. 1,а,б,в). При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают два амплитудных значения (рис. 1,г):положительное и отрицательное: и .

Рис. 1 - Иллюстрации к понятию амплитуда напряжения:

а — импульсы положительной полярности; б — синусоидальное напряжение; в - сумма синусоиды и постоянной составляющей, г — несинусоидальное колебание

Действующее (среднеквадратическое)напряжение определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напря­жения за время измерения (или за период):

(1)

При несинусоидальном периодическом сигнале квадрат действующе­го значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и дейст­вующих значений гармоник:

(2)

Среднее значениенапряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:

(3)

Средневыпрямленное (постоянная составляющая)напряжение опреде­ляется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:

(4)

Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямленное значения равны. В случае разнополярных напряжений эти два значения могут существенно отличаться друг от друга. Так, для гармонического напряжения U_ср = 0, U _ср.в = 0,637 U_m.

Наибольшая потребность существует в измерении действующего значения напряжения, поскольку этот параметр связан с мощностью, нагревом, потерями. Часто же проще измерить амплитудное или средневыпрямленное значение и произвести пересчет с применением коэффи­циентов амплитуды К_а и формы К_ф:

К_а=U_m/U; K_ф=U/U_ср.в (5)

В частности, для гармонического напряжения: К_а = 1,41; К_Ф = 1,11.

Значения этих коэффициентов для наиболее употребляемых видов сигналов и соотношения между ними приведены в табл. 1, где все ве­личины напряжений обозначены буквой и.

Таблица № 1- Количественные соотношения между различными значениями напряжений ряда распространенных сигналов

Форма сигнала	Параметры сигнала
амплитуда um	средневыпрямленное значение	среднеквадратическое значение	коэффициент формы	коэффициент амплитуды
Гармонический			0,707 um
Импульсный (меандр)

Дата добавления: 2013-12-13