Измерение напряжения и силы тока

Измерение напряжения и силы тока относят к классическим видам электроизмерений. В радиоизмерительной практике в последние годы получили распространение цифровые измерители напряжения и тока, использующие процессорные и интегральные технологии. Тем не менее в промышленности еще эксплуатируется довольно значительное число аналоговых электроизмерительных приборов поколения ретро. Очевидны преимущества приборов этого класса:

• • при производстве используются отлаженные технологические процессы;
• • простота эксплуатации и невысокая стоимость;
• • наглядность результата измерения (стрелочный индикатор воспринимается проще, чем индикация цифровая с разделением на запятые).

В последние годы у этих приборов обнаружилось еще одно серьезное преимущество — помехоустойчивость. Электроизмерительные приборы, как правило, независимы от сетевого напряжения и невосприимчивы к различным видам помех, передающихся кондуктивно по сетевым линиям. Эти приборы малочувствительны к электростатическим разрядам (ЭСР) и воздействию радиочастотных полей, что имеет несомненное преимущество при измерениях в условиях часто работающих сотовых телефонов. Все это позволяет считать аналоговые измерители напряжения и тока базовыми измерительными приборами в радиоизмерениях.

Измерение напряжения и силы тока — наиболее распространенный вид измерений. В различных областях науки и техники эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот — от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более) и в большом диапазоне измеряемых значений напряжения и тока — соответственно от нановольт до сотен киловольт и от 10~¹⁶ до десятков и сотен ампер (при большом многообразии форм измеряемых напряжения и тока).

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значений и полярности. Целью измерения переменных напряжения и силы тока является нахождение какого-либо их параметра. Выбор метода и средств измерений напряжения и силы тока обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи, и т. д.

В зависимости от способа получения результата методы измерений делятся на прямые, при которых значение напряжения (тока) измеряется непосредственно, и косвенные, получаемые, но результатам прямых измерений величин, связанных с интересуемой величиной той или иной функциональной зависимостью.

Оба класса приборов по системе отсчета показаний можно разделить на аналоговые и дискретные (цифровые).

К аналоговым приборам следует отнести стрелочные, со световым указателем, с ручным или автоматическим уравновешиванием (имеющие реохорд) и самопишущие. К цифровым приборам следует отнести приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием, имеющие набор (магазин) переключаемых элементов, результат измерений которых представляется в виде дискретного (цифрового) кода.

Все электроизмерительные приборы по способу получения измеряемой величины, позволяющей произвести отсчет ее значений, можно разделить на электромеханические, электротепловые, электронные и электронно-лучевые.

В электромеханических приборах для перемещения подвижной части прибора используются различные электромагнитные процессы. В зависимости от преобразования подводимой электромагнитной энергии в механическую для перемещения подвижной части приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические.

В электротепловых приборах для перемещения подвижной части прибора используется тепловое действие электрического тока.

Электронные приборы представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерителя (аналогового или цифрового).

Электронно-лучевые приборы используют подводимую энергию электромагнитного поля для перемещения электронного луча в электронной трубке.

В общем виде структурная схема аналогового электроизмерительного прибора непосредственной оценки состоит из входного устройства, измерительного преобразователя, измерительного механизма и отсчетного устройства (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Структурная схема аналогового измерительного прибора непосредственной оценки.

Входное устройство и измерительный преобразователь трансформируют измеряемую величину x (t) в некоторую промежуточную y{t), находящуюся к определенной функциональной зависимости от измеряемой и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

По принципу действия и конструктивным особенностям измерительные преобразователи можно разделить на выпрямительные, термоэлектрические и электронные.

Измерительный механизм однозначно преобразует подводимую электрическую энергию, определяющую величину y (t), в механическую энергию перемещения подвижной части.

Для измерения напряжения и силы постоянного и переменного токов применяются все перечисленные виды приборов.

Электромеханические приборы находят применение преимущественно в цепях постоянного тока и переменного тока промышленной частоты и представляют собой сочетание измерительного механизма и отсчетного устройства. В большинстве конструкций таких приборов энергия измеряемой величины непосредственно воздействует на перемещение подвижной части измерительного механизма.

В соответствии с реакцией на перемещение подвижной части прибора системы классифицируются следующим образом:

• • магнитоэлектрические, в которых подвижная часть отклоняется в результате взаимодействия поля постоянного магнита и контура с протекающим по нему током. Магнитоэлектрические приборы применяются как самостоятельно, так и в сочетании с различными преобразователями переменного тока в постоянный при измерении переменного тока и напряжения. В качестве преобразователей могут использоваться термопары, детекторы и электронные преобразователи;
• • электромагнитные, в которых подвижная часть отклоняется в результате взаимодействия магнитного поля катушки с протекающим по ней током и ферромагнитного сердечника;
• • электродинамические, основанные на взаимодействии неподвижной и подвижной катушек с протекающими по ним токами. Разновидностью этой системы является ферродинамическая система;
• • индукционные, содержащие катушки, питаемые переменным током и создающие переменные магнитные поля. Эти поля наводят токи в подвижной части прибора, которые взаимодействуют с магнитными потоками, в результате чего подвижная часть перемещается;
• • электростатические, в которых подвижная часть перемещается в результате взаимодействия электрически заряженных проводников;
• • тепловые, в которых подвижная часть отклоняется в результате удлинения проводника, нагреваемого протекающим по нему током;
• • вибрационные, основанные на явлении механического резонанса.

Термоэлектрические приборы представляют собой сочетание термопреобразователя с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Принцип действия такого преобразователя основан на двух физических явлениях: выделении тепла при прохождении по проводнику электрического тока и появлении ЭДС постоянного тока при нагревании места соединения двух различных металлов.

По принципу действия термоэлектрические приборы являются измерителями тока, протекающего по нагревателю термопреобразователя. При протекании по нагревателю измеряемого тока i_x выделяется тепло, под действием которого нагревается сплав термопары, а на ее холодных концах возникает ЭДС, пропорциональная количеству тепла Q, выделяемому нагревателем, Е_т = k_xQ. Количество тепла, в свою очередь, пропорционально квадрату измеряемого тока.

откуда величина тока в цени измерительного механизма.

где г — полное сопротивление цепи измерительного механизма.

Угол отклонения подвижной части прибора.

где S_{ — чувствительность магнитоэлектрического механизма к току; k — постоянный коэффициент, зависящий от свойств термопары и параметров измерительного механизма.

Термоэлектрические приборы пригодны для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока. Шкала приборов градуируется в среднеквадратических значениях тока или напряжения и имеет квадратический характер.

Электронные приборы, предназначенные для измерения тока и напряжения, представляют собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического или цифрового измерителя (отсчетного устройства).

Свойства электронных амперметров и вольтметров определяются входной схемой, полным входным сопротивлением, схемой преобразователя, характером шкалы, чувствительностью, зависимостью показаний от формы и частоты измеряемого сигнала, пределом измерения, погрешностью.

По способу отсчета электронные приборы разделяют на цифровые и аналоговые. Цифровые вольтметры (амперметры) в отличие от аналоговых содержат аналого-цифровой преобразователь (ЛДП) и устройство цифрового отсчета. Такие приборы способны измерять в широких пределах, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения напряжений и других электрических и неэлектрических величин. Цифровые приборы позволяют обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых величин, автоматическую коррекцию погрешности, высокую точность измерений в широком диапазоне измеряемых величин, выдачу результатов измерения в цифровом виде, ввод измерительной информации в компьютер и информационноизмерительные системы по каналу общего пользования.

Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот. Наиболее высокая точность достигнута в цепях постоянного тока. При измерении в цепях переменного тока она понижается с повышением частоты, где кроме оценки срсднсквадратического, средневыпрямленного, среднего и максимального значений иногда требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжений.