Нередко выполняя многие производственные работы, определённо нужно будет измерять различные электрические величины. В каждом таком конкретном случае необходимо выбирать требующийся прибор в зависимости от соответствующих действий по измерению. Тем не менее, имеется ряд правил, которые необходимо хорошо осмыслить, запомнить и использовать в выполнении любых работ, связанных с измерением электрических величин.
Выполнять электрические измерения и подготавливать приборы нужно в следующем порядке:
1) Выбрать прибор с учетом необходимых условий измерений, а также степени точности.
2) Установить переключатель на конкретно нужный предел измерения (если он имеется).
3) Определить цену деления шкалы.
4) Расположить прибор в надлежащее положение.
5) С помощью корректора установить стрелку на нулевую отметку шкалы.
6) Включить прибор в цепь согласно схеме.
7) Посчитать число делений, на которые отклонилась указательная стрелка, таким образом, чтобы линия, соединяющая глаз и конец стрелки, была перпендикулярна к шкале.
8) Получить результат замера, перемножив число делений и цену деления прибора, на которые отклонилась указательная стрелка.
9) По окончании работы отключить цепь и, при необходимости, отсоединить прибор от других элементов цепи.
Для измерения тока служат амперметры (миллиамперметры, микроамперметры). Они могут включаться в цепь измеряемого тока непосредственно (при измерении малых токов), или с шунтами (резисторами малого сопротивления), расширяющими пределы измерения.
Сопротивление шунта должно быть таким, чтобы через рамку измерителя протекала лишь часть предельного измеряемого тока, соответствующая току полного отклонения. Принцип измерения электрического тока мультиметром (комбинированным прибором) иллюстрируется на рисунке 1.
Рисунок 1 - Измерение силы тока мультиметром (амперметром)
Для измерения напряжения служат вольтметры (милливольтметры, киловольтметры). Вольтметр включается параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение. Во избежание изменения режима работы этой цепи ток, ответвляющийся в цепи вольтметра, должен быть малым, т.е. сопротивление вольтметра должно быть велико. Это условие выполняется, если в качестве вольтметра используется чувствительный измеритель тока (микроамперметр), последовательно с которым включается добавочный резистор, ограничивающий ток прибора.
Для измерения напряжения с удовлетворительной точностью необходимо, чтобы сопротивление вольтметра было, по крайней мере, в 20÷50 раз больше сопротивления участка цепи, на котором измеряется сопротивление. В противном случае показания вольтметра окажутся существенно заниженными. Входное сопротивление вольтметра рассчитывается на 1В его шкалы и измеряется в кОм/В, что позволяет сопоставлять входное сопротивление вольтметров имеющих различные пределы измерения. Измерение напряжения мультиметром (вольтметром) иллюстрируется на рисунке 2.
Рисунок 2 - Измерение напряжения мультиметром (вольтметром)
Измерение сопротивлений отдельных проводников и участков радиосхемы позволяет проверить правильность электрических соединений, отсутствие коротких замыканий в монтаже и таким образом предупреждать и выявлять возможные неисправности аппаратуры. Практическое значение имеют также измерение сопротивлений резисторов, обмоток катушек и трансформаторов и т.д.
Сопротивление может быть измерено с помощью вольтметра и амперметра c последующим вычислением его величины по формуле:
| R = U / I | (6) |
Более удобны прямые измерения сопротивления с помощью омметра. Предварительная установка на производится непосредственно перед измерением. После этого подключается измеряемое сопротивление Rх, величина которого отсчитывается по шкале омметра. Измерение сопротивления мультиметром (омметром) иллюстрируется на рисунке 3.
Рисунок 3 - Измерение сопротивления мультиметром (омметром)
Измерение сопротивлений электрическими мостами. Мостовая схема состоит из источника питания, чувствительного прибора (гальванометра Г) и четырех резисторов, включаемых в плечи моста: с неизвестным сопротивлением Rx (R4) и известными сопротивлениями R1, R2, R3, которые могут при измерениях изменяться. Прибор включают в одну из диагоналей моста (измерительную), а источник питания — в другую (питающую).
Измерение мощностиможет производиться как прямым, так и косвенным методами. Прямое измерение мощности осуществляетсяваттметрами, которые потребляют значительную энергию и заметно нагружают источник тока. Поэтому они применяются для измерения мощности порядка десятка ватт и более. Для малых значений мощность измеряется косвенными методами.
Мощность постоянного тока может быть определена с помощью вольтметра и амперметра присоединенных к потребителю мощности, величина которой рассчитывается по формуле:
| P=U∙I. | (7) |
Если сопротивление нагрузки Rн, на котором рассеивается измеряемая мощность, известно, то достаточно измерить величину тока, протекающего через нагрузку и вычислить мощность по формуле:
| P = I2 ∙Rн. | (8) |
Мощность может быть также определена посредством измерения напряжения на известном сопротивлении нагрузки Rн и вычислена по формуле:
| P = U2/ Rн. | (9) |
Схемы для измерения мощности в цепи иллюстрируются на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схемы для измерения мощности
При отсутствии ваттметра пользуются одновременным подключением двух измерительных приборов к нужному участку цепи: амперметра и вольтметра.
Далее проводится расчет работы и мощности тока по формулам.
Рисунок 5 – Измерение мощности амперметром и вольтметром
Меры служат для воспроизведения физических величин заданного размера. По количеству воспроизводимых размеров величины меры делятся на однозначные, многозначные и наборы мер.
К однозначным мерам электрических величин относят измерительные катушки сопротивления, катушки индуктивности и взаимной индуктивности, измерительные конденсаторы постоянной емкости, нормальные элементы и стабилизированные источники напряжения.
Однозначной мерой ЭДС и напряжения является нормальный элемент, представляющий собой специальный химический источник электрической энергии, ЭДС которого известна с большой точностью и при неизменной внешней температуре отличается большим постоянством во времени. Выпускают нормальные элементы с насыщенным и ненасыщенным раствором электролита, отличающиеся своими характеристиками. В зависимости от температуры окружающей среды ЭДС нормального элемента с насыщенным раствором электролита определяется выражением:
(10)
где Е20 — ЭДС нормального элемента при температуре 20 °С (Е20= 1,0185 ÷ 1,0187 В). Нормальные элементы могут иметь классы точности от 0,0002 до 0,02.
Меры напряжения иллюстрируются на рисунке 6.
Рисунок 6 - Меры напряжения
Измерительные катушки сопротивления выполняют на номинальное значение сопротивления 10±n Ом, где n — целое число. Они имеют четыре зажима, два из которых называют токовыми, а два — потенциальными. Между потенциальными зажимами сопротивление катушки соответствует номинальному значению при включении катушки в цепь с помощью токовых зажимов. Обмотку катушки сопротивления выполняют из манганина, имеющего большое удельное электрическое сопротивление при малом температурном коэффициенте сопротивления, малой термо-ЭДС в паре с медью и при высокой стабильности своих свойств. Катушки сопротивления могут иметь класс точности от 0,0005 до 0,1 при номинальном сопротивлении от 10-5 до 1010 Ом.
При работе в цепях переменного тока полное сопротивление измерительной катушки меняется при изменении частоты тока из-за собственной емкости С и индуктивности L. Степень реактивности катушки характеризуют постоянной времени τ=(L/R) —RC, где R — сопротивление катушки на постоянном токе. Постоянная времени может быть от 0,5·10-8 до 2,5·10-6 с.
Внешний вид измерительных катушек сопротивления представлен на рисунке 7.
Рисунок 8 - Внешний вид измерительных катушек сопротивления
Измерительные катушки индуктивности выполняют из проволоки, намотанной на каркас. Они выпускаются с номиналами от 10-6 до 1 Гн классов точности от 0,05 до 0,5 и с верхним пределом частоты 100 кГц (рисунок 9). Эквивалентная схема катушки индуктивности совпадает с эквивалентной схемой катушки сопротивлений, но с иным соотношением параметров.
Рисунок 9 - Внешний вид измерительных катушек индуктивности
Катушки взаимной индуктивности имеют две обмотки, намотанные на общем каркасе. Катушки выпускают с номиналами от 10-4 до 10-2 Гн с допускаемой основной погрешностью ±0,1% и с верхним пределом частоты 50 кГц.
В качестве однозначных мер электрической емкости применяют воздушные и газонаполненные конденсаторы и конденсаторы со слюдяной изоляцией. Емкость воздушных конденсаторов не превышает 10 000 пФ. Для работы в цепях высокого напряжения применяют газонаполненные конденсаторы. Измерительные конденсаторы имеют класс точности от 0,005 до 1.
В качестве многозначных мер получили распространение магазины сопротивлений, емкости и индуктивности, в которых с помощью соответствующих переключателей можно устанавливать необходимое значение величины, воспроизводимой мерой.
Магазины сопротивлений выпускают с диапазоном воспроизведения значения величины от 10-2 до 1010 Ом и классами точности от 0,01 до 0,2 (рисунок 10).
Рисунок 10 - Внешний вид магазина сопротивлений
Магазины емкости имеют диапазон воспроизведения 10-3—109 пФ и классы точности от 0,005 до 1. Магазины индуктивности (взаимной индуктивности) выпускают с номинальными значениями индуктивности (взаимной индуктивности) старшей декады от 0,001 до 10 000 мГн с числом декад от 1 до 5; класс точности магазинов от 0,02 до 1.
Рисунок 11 - Внешний вид магазина емкости
Находят применение также наборы мер, например набор измерительных конденсаторов. Меры, входящие в набор, могут иметь разные классы точности и различный допустимый частотный диапазон.
Внешний вид магазина индуктивности представлен на рисунке 12.
Рисунок 12 – Внешний вид магазина индуктивностей
Контрольные вопросы
1. Дайте определение процесса нормирования метрологических характеристик. Приведите общий перечень основных нормируемых метрологических характеристик средства измерения.
2. Дайте определения понятий: качество измерительного прибора, постоянная прибора, чувствительность прибора, порог чувствительности измерительного прибора, точность измерительного прибора.
3. Дайте определения понятия класс точности измерительного прибора и порядок его определения.
4. Причины и виды погрешностей средств измерений.
5. Приведите общий порядок подготовки измерительных приборов электрических величин и проведения ими измерений.
6. Приведите схему и порядок измерения тока амперметром (мультиметром).
7. Приведите схему и порядок измерения напряжения вольтметром (мультиметром).
8. Приведите схему и порядок измерения электрического сопротивления омметром (мультиметром).
9. Приведите схему и порядок измерения электрической мощности ваттметром (амперметром и вольтметром).
10. Назначение и особенности характеристик мер эдс и напряжения, измерительных катушек сопротивления.
11. Назначение и особенности характеристик мер электрической емкости и измерительных катушек индуктивности.