Измерение напряжение

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ И
НАПРЯЖЕНИЙ
Студент должен:
иметь представление:
- о среднем, амплитудном и среднеквадратичном значениях напряжений
- о форме и параметрах импульсного сигнала
- о гармонических составляющих сигнала
- об аналого-цифровом преобразовании сигнала
знать:
- классификацию радиоизмерительных приборов
- особенности электронных вольтметров
- способы измерения средних, амплитудных и среднеквадратичных значений
- особенности измерения импульсных напряжений
- методы измерения гармонических составляющих многочастотного сигнала
- сравнительную характеристику цифровых вольтметров различных типов
уметь:
- подбирать цифровые вольтметры по справочным материалам
- производить измерения цифровыми вольметрами различных типов с заданной
точностью
Для измерения постоянных токов можно использовать прямые и косвенные измерения.
Для измерения напряжений используют только прямые измерения.
При прямых измерениях ток и напряжение можно измерять приборами
магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической и ферродинамической
систем, а также электронными и цифровыми приборами. Напряжение можно измерять
приборами электростатической системы и потенциометрами постоянного тока.
Сопротивление амперметра отлично от нуля, а сопротивление вольтметра не равно
бесконечности, поэтому включение амперметра или вольтметра в электрическую цепь
изменяет измеряемую величину. Погрешность, возникающая в результате включения
измерительных приборов в исследуемую цепь и обусловленная потребляемой ими
мощностью, называется методической погрешностью.
Определим методическую погрешность, возникающую при включении амперметра в
электрическую цепь. Пусть требуется измерить ток в цепи, имеющей сопротивление R, к
которой приложено напряжение U (рис. 9.1, а). Ток 𝐼𝑥 в этой цепи будет равен:
𝐼𝑥 =
𝑈
𝑅
I
I
𝑅𝐴
A
U
R
а
U
R
б
После включения амперметра, имеющего сопротивление 𝑅𝑎 , ток в цепи изменится и
станет равным:
𝐼=
𝑈
(𝑅 + 𝑅𝐴 )
Амперметр покажет именно это значение тока (рис. 9.1, б). Методическая погрешность,
вызванная включением амперметра, составит:
𝛿𝐴 =
𝐼 − 𝐼𝑥
𝑅𝐴 / 𝑅
= −
𝐼𝑋
1 + 𝑅𝐴 / 𝑅
Обычно 𝑅𝑎 ≪ 𝑅 , поэтому 𝛿𝐴 ≈ − 𝑅𝐴 / 𝑅.
Рассмотрим случай, когда надо измерить падение напряжения 𝑈𝑥 на некотором
сопротивлении R:
𝑈𝑥 = 𝐼𝑅 =
ℰ𝑅
(𝑅 + 𝑅0 )
Где ℰ - ЭДС источника тока; 𝑅0 – внутреннее сопротивление источника тока (рис. 9.2, а).
𝑅0
𝑅0
𝑈𝑥
𝑅
ℰ
𝑈
𝑅
𝑉
𝑅𝑉
ℰ
а
б
После включения вольтметра, имеющего собственное сопротивление 𝑅𝑉 , параллельно
сопротивлению R напряжение U, измеренное вольтметром, составит:
𝑈=
ℰ𝑅𝑅𝑉 /(𝑅 + 𝑅𝑉 )
ℰ𝑅𝑅𝑉
=
.
𝑅0 + 𝑅𝑅𝑉 /(𝑅 + 𝑅𝑉 )
𝑅𝑅0 + 𝑅𝑉 𝑅0 + 𝑅𝑅𝑉
Методическая погрешность 𝛿𝑉 измерения в этом случае будет равна:
𝛿𝑉 =
𝑈 − 𝑈𝑥
𝑅/𝑅𝑉
= −
.
𝑈𝑥
1 + 𝑅/𝑅𝑉 + 𝑅/𝑅0
Следовательно, как при измерении тока, так и при измерении напряжения необходимо
выбирать такие приборы, у которых потребляемая мощность значительно меньше
мощности, рассеиваемой в исследуемой цепи. Этим и объясняется стремление иметь в
амперметрах возможно меньшее, а в вольтметрах возможно большее сопротивление.
Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы успешно сочетают высокую
точность с малым потреблением мощности и имеют равномерную шкалу. Наиболее
точные приборы магнитоэлектрической системы имеют классы точности 0,1; 0,2.
Приборы электромагнитной системы используются для измерения токов от 10 мА до
200 А и напряжений от 1 В до 75 В. Наиболее точные приборы этой системы имеют
классы точности 0,2; 0,5. Их главное достоинство – низкая стоимость.
При напряжениях, не превышающих 600 В, вместо приборов электростатической
системы можно применять вольтметры электронной системы. Она также потребляют
ничтожную мощность. Класс точности электронных вольтметров постоянного тока
невысокий: лучшие из них имеют классы точности 0,5; 1,0.
Шунты и добавочные резисторы
Магнитоэлектрический механизм, позволяет измерять малые постоянные токи, не
превышающие 20-50 мА. Таким образом, сам магнитоэлектрический механизм может
выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Для того чтобы
измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты.
Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Он
представляет собой четырёх зажимный резистор. Два входных зажима, к которым
подводится ток I, называются токовыми, а два выходных зажима, с которых снимается
напряжение V, называются потенциальными. К потенциальным зажимам обычно
присоединяют измерительный механизм ИМ прибора.
Шунты применяются для расширения пределов измерения измерительных механизмов
по току, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую –
через измерительный механизм. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются
главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными
механизмами.
На рисунке приведена схема включения
магнитоэлектрического механизма ИМ с
шунтом 𝑅ш . Ток 𝐼и , протекающий через
измерительный механизм, связан с
измеряемым током I зависимостью
ИМ
U
I
𝑅ш
𝑅ш
𝐼и = 𝐼
𝑅ш + 𝑅и
Где 𝑅и - сопротивление измерительного механизма.
Если необходимо, чтобы ток 𝐼и был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта
должно быть:
𝑅ш =
𝑅и
,
𝑛−1
𝐼
Где n = 𝐼 - коэффициент шунтирования.
и
Шунты изготавливают из манганина, сплава с высоким удельным сопротивлением и
малой зависимостью его от температуры. Если шунт на небольшой ток, то его обычно
встраивают в корпус прибора (внутренние шунты). Для измерения больших токов
используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в
шунте, не нагревает прибор.
На рис. 4.2 показан наружный шунт на 20 А. Он имеет массивные наконечники из меди
4, которые служат для отвода тепла от манганиновых пластин 3, впаянных между ними.
Зажимы шунта 1 – токовые.
Измерительный механизм присоединяют к потенциальным зажимам 2, между которыми
и заключено сопротивление шунта.
1
2
4
3
4
Наружный шунт: 1 - токовые зажимы; 2 - потенциальные зажимы;
3 - манганиновые пластины; 4 - медные наконечники
Наружные шунты обычно выполняются калиброванными, т. е. рассчитываются на
определённые токи и падения напряжения.
Для переносных магнитоэлектрических приборов на токи до 30 А внутренние шунты
изготавливают на несколько пределов измерения. На рис. 4.3, а показана схема
многопредельного шунта. Многопредельный шунт состоит из нескольких резисторов,
которые можно переключать в зависимости от предела измерения путём переноса провода
с одного зажима на другой.
ИМ
Добавочные резисторы являются измерительными преобразователями в ток, а на
значение тока непосредственно реагируют измерительные механизмы стрелочных
вольтметров всех систем, за исключением электростатической и электронной.
Добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения по напряжению
вольтметров различных систем и других приборов, имеющих параллельные цепи,
подключаемые к источнику напряжения. Сюда относятся, например, ваттметры, счётчики
энергии, фазометры и т. д.
Добавочный резистор включают последовательно с измерительным механизмом. Ток 𝐼и
в цепи, состоящий из измерительного механизма с сопротивлением 𝑅и и добавочного
резистора с сопротивлением 𝑅д составит:
𝐼и =
Где U – измеряемое напряжение.
𝑈
(𝑅и + 𝑅д )
𝑈д
𝑈д
𝑅д
ИМ
𝐼и U
𝑅и
Если вольтметр имеет предел измерения Uном и сопротивление измерительного
механизма 𝑅и и при помощи добавочного резистора 𝑅д надо расширить предел измерения
в n раз, то, учитывая постоянство тока 𝐼и , протекающего через измерительный механизм
вольтметра, можно записать:
Uном
𝑛Uном
=
,
𝑅и
(𝑅и + 𝑅д )
откуда
𝑅д = 𝑅и (𝑛 − 1),
𝑈
где 𝑛 = 𝑈
и
Добавочные резисторы изготовляются обычно из изолированной манганиновой
проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала.
В переносных приборах добавочные резисторы изготовляются секционными на
несколько пределов измерения (рис. 4.5).
𝑈3
𝑈2
𝑅д3
𝑈1
75 мВ
𝑅д2
𝑅д1
ИМ
*
Добавочные резисторы применяются для преобразования напряжений до 30 кВ.
Измерительные трансформаторы.
Измерительные трансформаторы подразделяются на трансформаторы тока и
напряжения и предназначаются соответственно для преобразования больших переменных
токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения. Благодаря
трансформаторам можно применять приборы с небольшими стандартными
номинальными значениями тока и напряжения (например, 5 А и 100 В) в высоковольтных
цепях, по которым могут протекать большие токи.
Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток,
помещенных на магнитном проводе: первичной с числом витков 𝑤1 и вторичной с числом
витков 𝑤2 .
При измерениях в высоковольтных цепях трансформаторы обеспечивают безопасность
обслуживания приборов, присоединённых к вторичным обмоткам.
2
1
Измерительный трансформатор: 1 – первичная обмотка (𝑤1 = 1);
2 – магнитный провод с вторичной обмоткой
В соответствии с ГОСТ 7746 – 2001 вторичный номинальный ток 𝐼2ном может быть
1;2;2,5;5 А при значениях 𝐼1ном в пределах от 0,8 до 40 000 А.
По схемам включения в измеряемую цепь и условию работы трансформаторы тока и
напряжения отличаются друг от друга. Первичная обмотка трансформаторов тока, выводы
которой обозначаются буквами Л1 , Л2 (линия), включается в измеряемую цепь
последовательно (рис. 4.7).
𝑈
𝐼1
𝑈1
Л1
Л2
А
𝓌1
И1
𝐼2
𝑋
𝓌1
𝓌2
И2
𝑎
𝐼2
A
𝑍наг
𝓌2 𝑥
𝑈2
V
Схемы включения измерительных трансформаторов: трансформатора тока;
трансформатора напряжения
Ко вторичной обмотке, выводы которой обозначаются буквами И1 , И2 (измерение),
последовательно подключают амперметры, последовательные обмотки ваттметров,
счётчиков и других приборов. Первичная обмотка трансформатора напряжения, выводы
которой обозначаются буквами A, X (начало – конец), включается в измеряемую цепь
параллельно, а к выводам вторичной обмотки, обозначаемой соответственно буквами a, x,
подключают параллельно вольтметры, параллельные цепи ваттметров, счётчиков и других
приборов.
По показаниям приборов, включенных во вторичные обмотки, можно определить
значения измеряемых величин. Для этого их показания надо умножить на действительные
коэффициенты трансформации 𝐾𝐼 и 𝐾𝑈 . Для трансформатора тока 𝐾𝐼 = 𝐼1 ⁄𝐼2 . Для
трансформатора напряжения 𝐾𝑈 = 𝑈1 ⁄𝑈2.