Измерение электрического тока в цепях

1. Измерение величины постоянного тока

2. Измерение величины переменного тока промышленной частоты

1. Классификация измерительных приборов, измерение величины постоянного тока:

Разделяют их на 2 группы: электромеханические и электронные, в том числе цифровые. Принципиальное различие между группами в том, что приборы электронные имеют усилитель входного сигнала. Регулировка диапазона в электронных приборах удобнее, диапазон шире. Электромеханические приборы, как правило, ослабляют сигнал (делят, уменьшают при переключении диапазона). Если электромеханический прибор имеет конструктив только измерительного механизма, предел измерения у него фиксирован.

ИПр ИМ ОУ

фиксированный диапазон

В большинстве случаев для измерения величины постоянного тока электромеханическими приборами используют измерительный механизм магнитоэлектрической системы.

Прибор с 2-мя рамками для уравновешивания стрелки (логометр)

Приборы этой системы составляют абсолютное большинство лабораторных точных измерителей. Класс точности приборов высок и составляет порядка (0,05;0,1;0,2).

Структура электромеханического амперметра:

Конструктивно измерительный прибор имеет подковообразный магнит с замыкателем. В магнитопроводе находится легкая рамка, соединенная со стрелкой или с указателем. Прибор последовательно включается в цепь, следовательно необходимо, чтобы по нему протекал ток, пружины- растяжки играют двойную роль. Они служат проводниками для тока: растяжка, рамка, растяжка, создают противодействующий момент, останавливающий рамку в конкретном положении. Пружины при этом закручиваются и с увеличением угла поворота усиливается тормозящий момент (), который пропорционален углу поворота - . Угол отклонения пропорционален току, проходящему по рамке, и коэффициенту: ; . Рамка в магнитном поле при этом отклоняется и растяжки, закручиваясь, формируют тормозящий момент, при каком-то токе моменты сравниваются, рамка остановится.

Пружины не могут обеспечить полной линейности в начальном и конечном диапазонах отклонения. Отсюда шкала ограничена. При прохождении электрического тока по рамке формируется рабочий крутящий момент, пропорциональный току в рамке:

Рамка отклоняется, когда

т.е ток определяется параметрами измерительного механизма.

Приборы магнитоэлектрической системы позволяют измерять малые значения постоянного тока с высокой точностью. С ростом величины тока размеры увеличиваются (провод рамки должен быть толще), поэтому для измерения больших токов такие приборы не применяют. К ним добавляют измерительные преобразователи - шунты - (параллельно включаемые сопротивления строго фиксированной величины).

Главное достоинство конструкции: простота измерения, линейность в диапазоне. Недостаток:

Рис. Параллельное включение шунта

а) с увеличением тока увеличивается нагрев проводника на рамке и он может расплавиться.

б) с увеличением толщины проводника, масса рамки увеличивается, увеличивается инерционность и точность. Для уменьшения колебания стрелки используют успокоители – поршнево-воздушные и магнитные, но любой успокоитель вносит погрешность. Известно, что для расширения пределов измерения импульсов тока используют шунты. Через R_Ш протекает большая часть тока.

Внимание! Введение шунта снижает точность измерительного механизма. Главным недостатком измерительных механизмов этой системы является не стойкость к механическим воздействиям. Конструкция легкая, непрочная. Поэтому измерительные механизмы не выносят ударов, вибраций, агрессивной внешней среды. Отсюда приборы используют в лабораторных условиях.

Любой способ измерения величины тока можно отнести к прямым или косвенным методам. Принято к косвенным относить вычисление величины тока как падение напряжения на резисторе известной величины.

=

Вычислять по закону Ома можно, но погрешность результата будет значительно превышать погрешности как вольтметр, так и резистора вместе взятые. Поэтому способ используют для оценки величины тока. Аналогичный подход используют в цепях, когда нет в близи нагрузочного резистора известной величины.

В разрыв рабочей цепи включаем , величина которого точно известна при прохождении тока по измерительному резистору, на нем формируется падение напряжения, через которое определяем значение рабочего тока. Величина измерительного сопротивления выбирается малой (1-10 ом) с целью, чтобы влияние на рабочий ток в цепи была минимальной. Следует стремиться к тому, чтобы на нагрузке активное сопротивление на порядок, на 2 было больше измерительного резистора. Опыт проводится без амперметра, поэтому диапазон частот в схеме не критичен. Сопротивление имеет чисто активный характер. Более точные результаты дают прямые измерения с использованием как эл/механических, так и цифровых средств измерения. Для измерения постоянного тока используют амперметры магнитоэлектрической системы.

Приборы магнитоэлектрической системы могут иметь 2 рабочих катушки, ток по которым протекает в разных направлениях, что даёт возможность формировать два момента: рабочий и тормозной. Растяжек пружин нет, шкала более линейна, но механическая прочность конструкции слабая, поэтому логометры используют лишь при проведении опытов, единичных регламентов и т.д. Класс точности от 0,01 до 2. Электронные приборы основаны на измерении величины падения напряжения на измерительном резисторе.

Рис. Измерение напряжения электронным прибором

Метод косвенный, хотя шкала в значениях тока. Прибор последовательно включается в измеряемую цепь, через измерительный резистор протекает ток, создавая на нем падение напряжения. Напряжение усиливается активными элементами прибора и поступает на измерительный механизм. В зависимости от последнего, приборы разделяют на просто электронные и цифровые.

У электронных амперметров измерительный механизм, как правило, магнитоэлектрической системы.

В промышленности необходимость измерения величины постоянного тока не высока. Чаще всего эти изменения проводят при регламентных работах, проведение каких-либо опытов и исследований, но приборы электромеханической системы вытесняются в таких случаях цифровыми приборами.

Цифровые приборы имеют шкалу с десятичными разрядами, поэтому в них усиленный сигнал преобразуется в двоичный или двоично-десятичный код и отображается на индикаторах. Цифровые приборы более точные, удобные в пользовании. Основным достоинством электронных приборов считается широкое изменение коэффициента передачи (усиление), что приводит к возможности измерения в большом диапазоне.

Недостаток - более сложные, потребляют энергию. Измерительный механизм вносит определенную погрешность в измеряемую цепь, включение последовательно сопротивления прибора уменьшает реальный ток цепи, поэтому стремятся снизить сопротивление прибора. Но в электромеханических приборах это приводит к снижению чувствительности. Электронные приборы более гибки и измерительное сопротивление в них можно взять небольшим. Помимо приборов магнитоэлектрической системы для постоянного тока используют электромагнитную систему, электродинамическую, термоэлектронную. Все эти приборы имеют большую погрешность.

Структура цифрового амперметра:

Поскольку АЦП один, то для его нормального режима необходимо переключать диапазон измерения, тем самым обеспечивая на резисторах разной величины при разном токе одинаковое падение напряжения. Главным признаком у цифровых амперметров является переключатель диапазонов измерения по току (как правило подекадно).

Технические сложности с делителями (измеряемыми резисторами) не позволяют выполнять амперметры с очень широким диапазоном измерения. Как видно из приведенных схем измерение постоянного тока требует решения определенных технических задач, в тоже время такие приборы не часто востребованы. Поэтому цифровые амперметры объединяют в комбинированные приборы: мультимеры - универсальные измерители, с тем чтобы уменьшить стоимость. Приборы для измерения тока постоянного тока с высокой точностью довольно сложны и имеют высокую стоимость.

2. Амперметры переменного тока промышленной частоты:

Среди электромеханических систем используют амперметры электромагнитной системы, электродинамической и ферродинамической систем. Для измерения токов промышленной частоты чаще используют электромагнитную систему, т.к. катушку электромагнита можно намотать толстым проводом, собственное сопротивление небольшое, допустимый рабочий ток высокий. Вместе с тем малые величины тока формируют малый магнитный ток и соответственно не могут втянуть пластину электромагнита. Поэтому электромагнитные приборы используют для больших токов, электродинамические и ферромагнитные – для малых токов. Класс точности как электромагнитных, так и электродинамических амперметров невысок, порядка 0,2-1,5. Электромагнитные амперметры имеют схему замещения, включающую L и R (индуктивность и собственное сопротивление). Кроме того, мы должны учитывать индуктивность проводников, поэтому с ростом частоты переменного тока увеличивается влияние реактивностей и точность прибора падает. На промышленной частоте (50, 400, 1000Гц) наращиванием (распределением) индуктивности и емкости пренебрегают поэтому схема как правило имеет вид:

Эти конструкции частотозависимы и на шкале таких приборов диапазон рабочих частот, например: 40-65 Гц. Заявленные на шкале параметры точности амперметра соответствуют, если сам сигнал близок к синусоидальному. В противном случае – несоответствие, для расширения предела измерения рекомендуют использовать трансформаторы тока (если токи большие) и традиционно - шунты.

Приборы магнитоэлектрической системы для измерения переменного тока не применяют. Если измеритель комбинированный применяют выпрямитель переменного тока (мостовая схема выпрямления) и измерительный механизм магнитоэлектрической системы. Чаще непосредственно используют измерительные механизмы других систем, электромагнитные системы, в которых измеряемый ток проходит через катушку с отверстием.

Рост числа витков nк увеличению R прибора.

Электродинамическая система. Измерительный механизм такой системы представляет из себя катушку с проводом, в котором вращается рамка. Катушки соединены последовательно, поэтому вращение магнитных потоков достаточно хорошее, также нужны пружинки для М_тормоз.

Рис. Прибор электродинамической системы

Электродинамические измерительные механизмы имеют несколько меньшую точность (индекс 0,5; 1; 1,5; 2) и сопротивление прибора также оказывает влияние на точность расчета. С целью увеличения магнитного потока постоянную неподвижную катушку помещают в сердечник, получают приборы ферродинамической системы и обозначают:

Рис. Прибор ферродинамической системы

В приборе электродинамической системы переключение пределов измерения выполняется за счет коммутации рабочих обмоток катушки. На переменном токе в электродинамической системе можно изменять пределы измерения. Измерение больших величин переменного тока требует использования измерительных преобразователей трансформаторов тока.

Рис. Прибор термоэлектрической системы

Приборы термоэлектрической системы имеют малое собственное сопротивление. Диапазон измерения широк от десятков mA до десятков ампер. Для измерения больших значений тока применяют трансформаторы тока. Любой шунт у прибора уменьшает его собственное сопротивление. Отсюда, приборы с R_Ш более удобны для измерения с малой нагрузкой. Включение амперметра в цепь приводит к нарушению естественного состояния цепи. Электрические приборы для измерения тока имеют стандартную величину сопротивления прибора, порядка 0,5 -1,0 Ом.

Зависимость показаний прибора от формы тока.

Здесь следует ориентироваться на действительные значения переменного тока (аналогично напряжению). Абсолютное большинство амперметров переменного тока рассчитаны на синусоидальный сигнал.

Зависимость показаний от частоты.

С ростом частоты переменного тока (400 - 1000 Гц) сказывается инерционность прибора, поэтому меньшую погрешность имеют приборы с выпрямлением. Обязательно стрелку прибора рассчитывают до частоты 10 - 30 кГц, не больше. С учетом некоторой стандартности приборы без шунтов имеют предел измерения 100 mA (200 mA). Менее точные (электродинамические) порядка 1 А.

Цифровые амперметры:

Используют принцип выпрямления. Причём, в большинстве выпрямитель однополупериодный.

Заметим, что цифровые амперметры менее критичны к частоте сигнала и диапазон у них шире. В комбинированных приборах невысокой точности используют магнитоэлектрическую головку с выпрямлением при измерениях переменного тока.

Дата добавления: 2014-01-07