Расширение пределов измерения амперметра

Лекция Измерение электрического тока и напряжения, мощности и энергии, сопротивления

Измерение тока

Для измерения тока используется амперметр, включаемый в цепь последовательно с электроприемником. Показания амперметра позволяют судить с определенной погрешностью о токе I_Н протекающем через данный электроприемник–нагрузку R_{Н .}

При измерении переменного синусоидального тока стрелкиприборов электромагнитной, электродинамической, выпрямительной и тепловой систем будут давать отклонения пропорционально действующему значению тока, и в этих значениях, как правило, градуируют шкалы таких приборов.

При измерении несинусоидального переменного тока появляется дополнительная погрешность, вызванная влиянием высших гармоник в кривой тока на вращающий момент подвижной части и отклонение стрелки и, следовательно, на показания прибора.

Сопротивление измерительной катушки амперметра очень малои его последовательное включение с нагрузкой практически не вызывает увеличение сопротивления цепи и потери мощности. Так, внутреннее сопротивление амперметров колеблется от R_А= 0,2 Ом (электромагнитные и электродинамические системы амперметров) до R_А= 0,01 Ом (магнитоэлектрические приборы).

Расширение пределов измерения амперметра

Для расширения пределов измерения амперметров применяют шунты и измерительные трансформаторы тока.

Шунт представляет собой активное сопротивление (резистор) R_Ш сравнительно малой величины, включаемое параллельно к зажимам амперметра.

В том случае, когда сопротивление шунта R_Ш меньше сопротивления измерительной катушки амперметра R_A, сравнительно большая часть измеряемого тока I_Н проходит через шунт, а в амперметр ответвляется только его небольшая часть I_A, определяемая соотношением сопротивлений амперметра R_A и шунта R_Ш:

Из этой формулы можно получить выражение для расчета необходимой величины сопротивления шунта:

Шкала амперметра с шунтом градуируется на полный ток I_Н, протекающий через нагрузку.

Таким образом, использование в амперметрах шунтов позволяет измерять большие постоянные или синусоидальные токи приборами, измерительные катушки которых рассчитаны на малые токи.

Измерение напряжения

Для измерения напряжения используются вольтметры. Зажимы этих приборов включаются параллельно нагрузке, как показано на рисунке ниже.

Чтобы включение вольтметра не приводило к изменению токов в цепи и режима работы нагрузки, его собственное сопротивление R_B должно быть намного больше сопротивления нагрузки R_H. Оно колеблется от 3–5 кОм (электромагнитные и электродинамические приборы) до 6–10 кОм (магнитоэлектрические приборы) и свыше 10 кОм (электронные приборы).

При включении вольтметра параллельно участку цепи отклонение его стрелки будет пропорционально напряжению на этом участке цепи. Вольтметры переменного тока указывают действующее значение измеряемого напряжения.

При ошибочном включении вольтметра, то есть последовательно с электроприемником, напряжение которого должно быть измерено, прибор не будет поврежден, так как через него будет протекать ничтожно малый ток из-за очень большого внутреннего сопротивления вольтметра. В то же время, показания вольтметра при таком включении будут неверны, так как напряжение на нагрузке значительно уменьшится (в сотни и тысячи раз), а вольтметр будет показывать напряжение, близкое к напряжению источника питания.

Расширение пределов измерения вольтметра

Для расширения пределов измерения вольтметра используют добавочное активное сопротивление R_Д, включаемое последовательно с измерительной катушкой вольтметра.

Величина добавочного сопротивления R_Д рассчитывается, исходя из требуемой кратности расширения предела измерения n_u:

n_u = U_Н/U_B

по формуле: R_Д = R_B (n-1),

где U_Н – измеряемое напряжение на нагрузке, U_B – напряжение на вольтметре, R_B – активное сопротивление измерительной катушки вольтметра.

С помощью разных добавочных сопротивлений можно получить многопредельный вольтметр с разной ценой деления шкалы.

Измерение мощности

Мощность Р_Н, выделяемая в нагрузке с сопротивлением R_Н, может быть измерена косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра, так как Р_Н = UI.

Более точно мощность можно измерить непосредственно электродинамическим ваттметром.

Вращающий момент подвижной катушки ваттметра пропорционален произведению токов в проводниках обеих катушек: М_ВР= К I I_U,

где I – ток в неподвижной токовой катушке, практически равный току нагрузки; I_U=U/R_U – ток в подвижной катушке напряжения (причем I_U<< I); R_U – сопротивление цепи подвижной катушки напряжения (причем R_U>>R_Н).

Следовательно М_ВР= К×I×U/R_U=C×U×I = C×P, где С – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, вращающий момент ваттметра пропорционален мощности Р и его шкала отградуирована непосредственно в ваттах или киловаттах.

Для измерения мощности в однофазной цепи синусоидального тока в основном используются электродинамические ваттметры, которые включают так же, как и при измерениях в цепи постоянного тока.

Ток I_U в подвижной катушке пропорционален напряжению U и практически совпадает с ним по фазе, а ток I в неподвижной токовой обмотке равен току нагрузки. Поэтому вращающий момент ваттметра

М_ВР=CUIcosj = CP,

где j – угол сдвига фаз между U и I; С – коэффициент пропорциональности.

Зажимы токовой обмотки и обмотки напряжения ваттметра, помеченные звездочками (*) и называемые генераторными, следует включать в электрическую цепь со стороны источника питания.

Для измерения активной мощности в трехфазной цепи переменного тока применяется несколько способов измерения мощности в зависимости от характера трехфазной нагрузки.

При симметричной нагрузке активную мощность в трехфазной цепи можно измерить путем замера мощности в одной фазе с помощью ваттметра.

После измерения мощности в одной из фаз Р_Ф, соединенных звездой (U) или треугольником (D) показания ваттметра умножают на три, так как при симметричной нагрузке мощности всех трех фаз одинаковы:

Р_Yсим=3Р_Ф; Р_Dсим=3Р_Ф,

где Р_Yсим и Р_Dсим – активная мощность в трехфазной симметричной нагрузке соединенной звездой и треугольником, соответственно.

В трехпроводной трехфазной цепи при любой нагрузке (симметричной или несимметричной) и любом способе соединения электроприемников (звездой или треугольником) общую активную мощность трехфазной нагрузки можно измерять с помощью двух ваттметров.

При этом алгебраическая сумма активных мощностей Р_W1 и Р_W2 2-х ваттметров W₁ и W₂ равна активной мощности Р_Y,D  в трехпроводной трехфазной цепи при соответствующем способе соединения фаз (Y или D):

P_Y,D = P_W1+P_W2 = U_ABI_Acosj_A + U_BCI_Ccosj_C.

Суммарная мощность двух ваттметров вычисляется с учетом знака мощностей этих ваттметров, как алгебраическая сумма. Практически, для отсчета отрицательной мощности по показаниям ваттметра необходимо изменить направление тока в обмотке напряжения, для чего переключатель направления тока на корпусе ваттметра надо переключить с «+» на «-».

Измерить активную мощность в четырехпроводной трехфазной цепи при несимметричной нагрузке соединенной звездой можно тремя ваттметрами.

Поскольку, в этом случае каждый из ваттметров измеряет активную мощность одной фазы, то мощность в четырехпроводной трехфазной цепи:

Р_Y = P_A + P_B + P_C,

где P_A, P_B, P_C – активные мощности фаз А, В, С, соответственно.

Применяются также специальные ваттметры трехфазного тока.

При измерении мощности в трехфазных цепях высокого напряжения и с большими токами ваттметры включаются через измерительные трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.