Iиспр= I/(1+ δI)

U = Uср. кВ =.

Связь между амплитудным, средневыпрямленным и действующим значениями, например напряжения, выражается коэффициентами (таблица 2.1):

Коэффициент амплитуды: K_a=U_m/U;

Коэффициент формы: K_ф=U/U_{ср. в}.

Таблица 2.1

Форма сигнала	Ka	Kф
Синусоидальная		1,11
Прямоугольная
Пилообразная	1,73	1,16

Приборы для измерения тока (амперметры) и напряжения (вольтметры) чаще всего являются электромеханическими, которые по принципу действия могут быть магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими и электростатическими.

Приборы магнитоэлектрические. Их принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с измеряемым током, проходящим по обмотке измерительного механизма. Обмотка наматывается на лёгкую алюминиевую рамку, которая закреплена на полуосях и поворачивается при протекании по обмотке тока. При этом на оси рамки жёстко закреплена стрелка отсчётного устройства со шкалой, проградуированной в единицах измеряемой величины.

Особенности магнитоэлектрических приборов:

· шкала равномерная;

· являются наиболее точными (классы точности 0,05 - 0,5);

· обладают высокой чувствительностью;

· малая стойкость к перегрузкам и невозможность их использования в цепях переменного тока без специальных преобразователей (это их недостатки).

Применение: в гальванометрах, амперметрах, вольтметрах, омметрах, логометрах.

Приборы электромагнитные. Принцип действия их основан на взаимодействии подвижного ферримагнитного сердечника с магнитным полем, создаваемым в обмотке измеряемым током. При этом сердечник поворачивает ось вместе с закреплённой на ней указательной стрелкой. Противодействующий момент создаётся закручивающейся при повороте пружиной.

Особенности электромагнитных приборов:

· шкала неравномерная;

· точность ниже, чем в магнитоэлектрических (классы точности 0,5 - 2,5);

· устойчивы к перегрузкам;

· показания не зависят от направления тока в обмотке;

· имеют низкую чувствительность и потребляют большую мощность (это их недостатки).

Применение: в цепях переменного тока с частотой до 8 кГц в качестве амперметров, вольтметров, в частотомерах, фазометрах, фарадометрах.

Приборы электродинамические. Их принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей, создаваемых измеряемым током, проходящим по двум обмоткам катушек измерительного механизма.

Особенности электродинамических приборов:

· высокая точность измерений (классы точности 0,1 - 0,2);

· неравномерная шкала;

· возможность применения как на постоянном, так и на переменном токе (до 1 кГц);

· низкая чувствительность, большая потребляемая мощность и чувствительность к влиянию внешних магнитных поле (применяют специальные экраны; это их недостатки).

Применение: в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, электронных логометрах (для измерения частоты, емкости, угла сдвига фаз).

Приборы электростатические. Принцип действия их основан на взаимодействии электрически заряженных пластин. Измеряемое напряжение подводится к подвижной и неподвижной пластинам, между которыми возникает электростатическое поле. Подвижная пластина втягивается в зазор неподвижной, создавая вращающий момент. Противодействующий момент создаётся пружиной.

Особенности электростатических приоров:

· классы точности 0,5 - 1,5;

· большое входное сопротивление;

· практически не потребляют активной мощности;

· шкала неравномерная и сжата вначале;

· широкий частотный диапазон (до 10 МГц);

· имеет низкую чувствительность и измерят малые напряжения (это их недостатки).

Применение: например, для измерения напряжения на конденсаторах при их заряде или разряде.

Измерение тока. Для измерения постоянного тока наиболее часто используются амперметры магнитоэлектрической системы (из-за высокой точности измерения), а для измерения переменного тока промышленной частоты – амперметры электромагнитной и электродинамической систем.

Амперметры классифицируют (в обозначении присутствует буква А):

А2 – амперметры постоянного тока;

А3 – амперметры переменного тока;

А7 – универсальные амперметры;

А9 – преобразователи тока.

Включение амперметра (последовательно) в измерительную цепь влияет на её сопротивление, так как изменяется её режим работы за счёт внутреннего сопротивления амперметра R_A. До включения амперметра в цепь ток I_H в нагрузке R_H определяется приложенным напряжением U и сопротивлением R_н: I_н = U/R_н. После включения амперметра в цепь ток I = U/(R_A+R_H). Относительная погрешность (методическая):

δ _I = тем меньше, чем меньше R_A.

Относительную погрешность δ_I, вносимую включением в измеряемую цепь амперметра, можно учесть и исправить результат измерения тока, т.е.:

Включение амперметра в измерительную цепь переменного тока особенно сильно проявляется на высоких частотах: погрешность измерения тока становится настолько большой и настолько меняется электрический режим цепи, что измерение тока теряет практический смысл.

Особенность измерения тока высокой частоты заключается в том, что на результат измерения влияют ёмкость амперметра, место его включения в цепь и частота измеряемого тока. Рекомендуется включать амперметр в исследуемую цепь в точку с наименьшим потенциалом относительно земли, так как при этом оказывается наименьшим ток утечки, не учитываемый амперметром.

Для измерения тока высокой частоты применяют термоэлектрические амперметры, состоящие из термопреобразователя и прибора магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь содержит подогреватель и термопару из двух разных проводников, спаянных между собой в одном месте (рисунок 2.3). Через подогреватель пропускают измеряемый ток высокой частоты. В термопаре возникает термо-э.д.с. постоянного направления, величина которой зависит от свойств проводников термопары и разности температур горячего спая и холодных концов термопары.

Рисунок 2.3

Для расширения пределов измерения тока высокой частоты обычно используют трансформаторы и реактивные делители тока.

Шунты. Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы без дополнительных устройств позволяют измерять сравнительно малые токи. Для расширения пределов измерения в 100-1000 раз применяют специальные резисторы (изготовляют их из манганина), называемые шунтами. Они представляют собой простейшие преобразователи тока в напряжение.

Принцип расширения пределов измерения тока при помощи шунта заключается в том, что большую часть измеряемого тока (рисунок 2.4) попускают через шунт Rш, а меньшую - через измерительный механизм ИМ. При этом ток через ИМ составляет определенную часть всего измеряемого тока I. Коэффициент шунтирования:

р=I/I_им ; I_ш>>I_им ; R_ш=R_им/(р-1),

где R_им – внутреннее сопротивление измерительного механизма.

Промышленностью выпускаются шунты различных классов точности (0,02 - 1,0). При измерении тока до 30 А шунты монтируются внутри измерительного прибора, а его шкала градируется с учётом коэффициента шунтирования р. Шунты чаще используют в цепях постоянного тока.

Многопредельные амперметры могут быть выполнены с универсальным шунтом (рисунок 2.5).

Рисунок 2.4

Рисунок 2.5

Выпрямительные миллиамперметры. Они используются для измерения тока звуковых частот (НЧ – от 20 Гц до 20 кГц; ультразвук от 20 кГц до 200 кГц). Принцип их работы основан на использовании выпрямительных свойств полупроводниковых диодов. Постоянная составляющая выпрямленного диодами тока измеряется приборами магнитоэлектрической системы.

Особенности выпрямительных миллиамперметров:

· имеют высокую чувствительность;

· градуируются в среднеквадратических значениях измеряемого тока;

· показания приборов не зависят от формы кривой измеряемой величины;

· диапазон рабочих частот до 200 кГц;

· классы точности 1,5 и 2,5;

· широкие пределы измерений: тока 0,2 мА – 10 А, напряжения 0,3 – 100 В.

Применение: для измерения синусоидальных токов и напряжений, в комбинированных приборах (тестерах).

Выпрямительные миллиамперметры выполняются по различным схемам:

1) Однополупериодная схема (рисунок 2.6): через диод VD1 проходит положительная полуволна измеряемого тока; для уменьшения вероятности пробоя диода VD1 полуволной обратного тока этот диод и ИМ шунтируют диодом VD2, который имеет малое сопротивление для полуволны обратного тока.

2) Двухполупериодная схема (рисунок 2.7).

Между амплитудным I_m, действующим I_Д и средневыпрямленным I_{ср.в .} значениями тока при однополупериодной схеме выпрямления существует следующая зависимость (при синусоидальной форме тока):

I_m= ; I_ср.в.= ; I_Д=2,22 I_ср.в.

При двухпериодном выпрямлении:

I_Д=1,11 I_ср.в.

Рисунок 2.6

Рисунок 2.7

Измерение напряжения. Для измерения напряжения используют вольтметры, подключаемые параллельно к тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление энергии вольтметром должно быть мало, т.е. его выходное сопротивление должно быть большим:

δ_u= - ,

где R_V — внутренне сопротивление вольтметра;

R_O — внутреннее сопротивление источника э.д.с., питающего участок с нагрузкой R_H.

Относительную погрешность δ_u можно учесть и исправить результат измерения:

U_испр= ,

где U_V — напряжение, показываемое вольтметром.

Вольтметры классифицируют (в обозначении присутствует буква В):

В2 – вольтметры постоянного тока;

В3 - вольтметры переменного тока;

В4 -импульсные вольтметры;

В5 -фазочувствительные вольтметры;

В6 - селективные вольтметры;

В7 -универсальные вольтметры;

В8 -измерители отношения, разности и нестабильности напряжений;

В9 -преобразователи напряжения.

Добавочные резисторы. Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с измерительным механизмом ИМ (рисунок 2.8). В результате значительно повышается входное сопротивление вольтметра и становится равным R_Bm+R_Д,

где R_Bm – внутреннее сопротивление ИМ;

R_Д — добавочное сопротивление резистора.

Предел измерения вольтметра — это его номинальное напряжение. Пусть вольтметр имеет предел измерения U_пр1 и его надо увеличить в m раз до величины U_пр2 . Ток ИМ при подключении добавочного сопротивления R_Д должен сохранить своё значение:

I .

Тогда R_Д = R_Bm (m-1), где m= U_пр1/ U_{пр 2} — число, показывающее во сколько раз нужно увеличить предел измерения вольтметра.

Многопредельный вольтметр можно выполнить по двум схемам:

1) с отдельными добавочными резисторами (рисунок 2.9);

2) с универсальным добавочным резистором (рисунок 2.10).

Рисунок 2.8

Рисунок 2.9

Рисунок 2.10

Аналоговые электронные вольтметры. Наиболее распространенными и надёжными являются аналоговые электронные вольтметры, выполняемые по структурной схеме, представленной на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11

Входное устройство представляет собой аттенюатор (или делитель напряжения), с помощью которого расширяется предел измерения вольтметра.

В качестве измерительного преобразователя применяют:

· в вольтметрах постоянного тока — усилители постоянного тока;

· в вольтметрах переменного тока — детекторы в сочетании с усилителями постоянного или переменного тока;

· в селективных вольтметрах преобразователь кроме детектирования и усиления обеспечивает избирательность сигнала по частоте;

· в фазочувствительных вольтметрах преобразователь должен давать возможность измерения амплитудных и фазовых параметров исследуемого сигнала.

Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут выполняться по следующим двум структурным схемам:

1) с детектором на входе (рисунок 2.12) — схема имеет широкий частотный диапазон, но недостаточно высокую чувствительность;

2) с усилителем переменного тока на входе (рисунок 2.13) — схема имеет более высокую чувствительность, но сравнительно узкий частотный диапазон.

Рисунок 2.12

Рисунок 2.13

Цифровые вольтметры. Структурная схема цифрового вольтметра с промежуточным преобразованием во временной интервал представлена на рисунке 2.14. Измеряемое переменное напряжение подаётся на вход преобразователя, а при измерении постоянного напряжения — непосредственно на вход сравнивающего устройства. Импульсом с управляющего устройства запускается генератор компенсирующего напряжения, с выхода которого пилообразное напряжение поступает на второй вход компаратора. Этот импульс одновременно открывает электронный ключ, пропускающий прямоугольный импульс с выхода детектора. Когда пилообразное напряжение достигает величины, равной измеряемому напряжению, срабатывает компаратор (прямоугольный импульс с выхода компаратора заканчивается) и электронный ключ закрывается. Показания отсчётного устройства периодически повторяются, так как электронный счётчик импульсов с генератора импульсов образцовой частоты (поступающих через электронный ключ) обнуляется в конце каждого периода импульсом сброса с управляющего устройства. При этом измеряемое напряжение,

где — количество импульсов, поступивших на электронный счётчик;

— период следования импульсов образцовой частоты;

— коэффициент, характеризующий скорость пилообразного напряжения.

Временные диаграммы, поясняющие работу цифрового вольтметра в соответствии с его структурной схемой, приведены на рисунке 2.15.

Рисунок 2.14

Рисунок 2.15

Дата добавления: 2013-12-14