Принципы построения и особенности комбинированных универсальных приборов.

ЛЕКЦИЯ № 4

Тема: Принципы построения и особенности работы средств измерений основных электрических и радиотехнических величин (вольтметров, амперметров, комбинированных универсальных приборов)

 

Учебные вопросы лекции:

Основные параметры токов и напряжений и особенности их измерения.

Принципы построения и особенности амперметров и вольтметров.

Принципы построения и особенности комбинированных универсальных приборов.

 

Вступительная часть

 

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.

 

1 ВОПРОС. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Целью измерения 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 А и В.

Рисунок 1 – Иллюстрация напряжения в электрической цепи

 

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. 2) и определяют для каждого момента времени.

Рисунок 2 - Иллюстрации понятия амплитуда напряжения:

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

 

Измеряемые напряжения могут иметь различный вид, например, форму импульсов, гармонического или негармонических колебаний — суммы си­нусоиды с постоянной составляющей и т.д. (рис. 2,а,б,в). При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают два амплитудных значения (рис. 2,г):положительное и отрицательное: и .

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

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 (синусоидальный)			0,707 um
Импульсный (прямоугольный, меандр)

Измерения тока и напряжения имеет свои особенности. Для измерения тока в цепи амперметр (рис. 3) или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником электрической энергии.

Рисунок 3 – Схема измерения электрического тока

 

Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, амперметры выполняют с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения. Амперметр можно включать в цепь только последовательно с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Для расширения пределов измерения амперметров, предназначенных для работы в цепях постоянного тока, их включают в цепь параллельно шунту (рис. 4). При этом через прибор проходит только часть I_А измеряемого тока I_х, обратно пропорциональная его сопротивлению R_А. Большая часть I_ш этого тока проходит через шунт.

Рисунок 4 – Схема измерения электрического тока с помощью шунта

 

Прибор измеряет падение напряжения на шунте, зависящее от проходящего через шунт тока, т. е. используется в качестве милливольтметра. Шкала прибора градуируется в амперах. Зная сопротивления прибора R_A и шунта R_ш можно по току I_А, фиксируемому прибором, определить измеряемый ток:

I = I_А (R_А+R_ш)/R_ш = I_Аn, (6)

где n = I/I_А = (R_A + R_ш)/R_ш — коэффициент шунтирования. Его обычно выбирают равным или кратным 10. Сопротивление шунта, необходимое для измерения тока I, в n раз большего, чем ток прибора I_А,

Rш = R_A/(n-1). (7)

Конструктивно шунты либо монтируют в корпус прибора (шунты на токи до 50 А), либо устанавливают вне его и соединяют с прибором проводами. Если прибор предназначен для постоянной работы с шунтом, то шкала его градуируется сразу в значениях измеряемого тока с учетом коэффициента шунтирования и никаких расчетов для определения тока выполнять не требуется. В случае применения наружных (отдельных от приборов) шунтов на них указывают номинальный ток, на который они рассчитаны, и номинальное напряжение на зажимах (калиброванные шунты).

Измерение напряжения. Для измерения напряжения U, действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр (рис. 4, 5) присоединяют к этим точкам, т.е. параллельно источнику электрической энергии или нагрузке.

Рисунок 5 – Схема измерения электрического напряжения

 

Для того чтобы включение вольтметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, вольтметры выполняют с большим сопротивлением. Поэтому практически можно пренебрегать проходящим по вольтметру током.

Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с обмоткой прибора включают добавочный резистор (R_д). При этом на прибор приходится лишь часть U_v измеряемого напряжения U, пропорциональная сопротивлению прибора R_v (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема измерения электрического напряжения с использованием добавочных сопротивлений

Зная сопротивление добавочного резистора и вольтметра, можно по значению напряжения U_v, фиксируемого вольтметром, определить напряжение, действующее в цепи:

U = U_v×(R_v+R_д)/R_v = nU_v.(8)

Величина n = U_х/U_v=(R_v+R_д)/R_v показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U_х больше напряжения U_v, приходящегося на прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметром при применении добавочного резистора.