Измерение электрических величин

Измерение токов и напряжений

Методы измерения токов и напряжений зависят от величины и вида этих электрических величин.

Для определения малых постоянных токов можно использовать как прямые, так и косвенные измерения. В первом случае ток можно измерять зеркальными гальванометрами и стрелочными магнитоэлектрическими приборами. Наименьший ток, который можно измерить зеркальным гальванометром, равен приблизительно 10'^п А, а стрелочный магнитоэлектрический прибор позволяет измерить величину 10⁶ А.

Косвенно неизвестный ток определяют по падению напряжения на высокоомном резисторе или по заряду, накопленному конденсатором. В качестве приборов используются баллистические гальванометры с минимально измеряемым током 10‘¹² А и электрометры с минимально измеряемым током 10¹⁷ А.

Электрометрами называют приборы высокой чувствительности по напряжению с входным сопротивлением до 10¹⁵ Ом. Механизм электрометра представляет собой разновидность механизма электростатического прибора, который имеет один подвижный и несколько неподвижных электродов, находящихся под разными потенциалами.

Квадрантный электрометр представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема квадрантного электрометра в двух проекциях

Устройство имеет подвижную часть 1 с зеркалом 2, которая закреплена на подвесе 3 и расположена внутри четырех неподвижных электродов 4, называемых квадрантами. Измеряемое напряжение Их включается между подвижной частью и общей точкой, а на квадранты от вспомогательных источников подаются постоянные напряжения U, значения которых равны, но противоположны по знаку. Отклонение подвижной части в этом случае равно.

где С — емкость между подвижным электродом и двумя соединенными между собой квадрантами, М- удельный противодействующий момент, зависящий от конструкции подвеса. Отклонение подвижной части, а следовательно, и чувствительность электрометра пропорциональны вспомогательному напряжению U, значение которого обычно выбирают в пределах до 200 В. Чувствительность квадрантных электрометров при вспомогательном напряжении 200 В достигает 10⁴ мм/В.

К средним токам и напряжениям условно можно отнести токи в диапазоне от 10 мА до 100 А и напряжения от 10 мВ до.

600 В. Для измерения средних 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.

Наиболее точные приборы магнитоэлектрической системы, предназначенные для измерения средних токов и напряжений, имеют класс точности 0,1.

В тех случаях, когда необходимо измерить напряжение или ток с высокой точностью, используют потенциометры постоянного тока, цифровые вольтметры и амперметры. Класс точности наиболее точных потенциометров 0,001, цифровых вольтметров — 0,002, а цифровых амперметров — 0,02. Измерение тока при помощи потенциометра проводят косвенным путем, при этом искомый ток определяют по падению напряжения на образцовом резисторе. Преимуществом потенциометров и цифровых приборов является малое потребление мощности.

Измерение больших токов и напряжений проводят с помощью аттенюаторов. Шунтирование магнитоэлектрических приборов дает возможность измерять постоянные токи до нескольких тысяч ампер. Обычно для измерения больших токов часто используют несколько шунтов, соединенных параллельно. Несколько одинаковых шунтов подключают в разрыв шины, а проводники от потенциальных зажимов всех шунтов подводят к одному и тому же прибору.

Электростатические вольтметры позволяют измерять напряжения до 300 кВ. Для определения более высоких значений напряжения используют измерительные трансформаторы.

Для оценки переменных токов и напряжений используют понятия действующего или среднеквадратического значения, амплитудного или максимального значения и средневыпрямленного значения.

Действующее, амплитудное и средневыпрямленное значения связаны между собой через коэффициент формы кривой и коэффициент амплитуды.

Коэффициент формы сигнала равен.

где U_a — действующее значение сигнала, U_cp — средневыпрямленное значение сигнала.

Коэффициент амплитуды сигнала определяется как.

где Uа — амплитудное значение сигнала.

Значения этих коэффициентов зависят от формы кривой напряжения или тока. Для синусоиды = 1,11 и к_а= л/2 = 1,41. Отсюда, измерив одно из трех указанных выше значений измеряемой величины, можно определить остальные.

При несинусоидальном сигнале чем ближе он будет к прямоугольной форме, тем ближе к единице будут коэффициенты кф и к_и. Для узкой и острой формы кривой измеряемой величины эти коэффициенты будут иметь большее значение.

Приборы электродинамической, ферродинамической, электромагнитной, электростатической и термоэлектрической систем реагируют на действующее значение измеряемой величины. Приборы выпрямительной системы реагируют на средневыпрямленное значение измеряемой величины. Приборы электронной системы, как аналоговые, так и цифровые, в зависимости от типа измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное, могут реагировать на действующее, средневыпрямленное или амплитудное значение измеряемой величины.

Вольтметры и амперметры всех систем обычно градуируют в действующих значениях при синусоидальной форме кривой тока. При несинусоидальной форме кривой у приборов, реагирующих на средневыпрямленное или амплитудное значение тока или напряжения, будет возникать дополнительная погрешность, так как коэффициенты кф и к_а при несинусоидальной форме кривой отличаются от соответствующих значений для синусоиды.