Измерение постоянного тока

При измерении тока I методом непосредственной оценки измеритель­ный прибор – амперметр, миллиамперметр, микроамперметр или гальванометр, включается в разрыв электрической ветви (см. рис. 3а). Такое включение из­мерительного прибора с внутренним сопротивлением R_пр в цепь с источни­ком Е и сопротивлением R (выходное сопротивление цепи) увеличи­вает общее сопротивление ветви и уменьшает протекающий в ней ток до зна­чения I_x.

В связи с этим, относительная погрешность δ_I измерения тока ветви I_x, очевидно, составит:

δ_I=I_x-I=(E/(R+R_пр)-E/R)/(E/R)=-(R_пр/R)/(1+R_пр/R)

Из приведённого выражения следует, что погрешность измерения тем меньше, чем меньше внутреннее сопротивление измерительного прибора.

Для измерения постоянного тока могут быть использованы электроиз­мерительные приборы всех систем (за исключением индукционной и элек­тростатической). Для измерений малых токов используют, так называемые, гальванометры, которые могут строиться на основе любой измерительной системы. Однако, массовое применение получили гальванометры магнито­электрической системы, обеспечивающие высокую чувствительность при­бора – 10^-11 А.

При измерении больших токов применяют шунты – это специальные ре­зисторы, подключаемые параллельно измерительному механизму и служа­щие для расширения пределов измерения прибора (см. рис. 3б).

Рис. 3. Измерение тока методом непосредственной оценки

При использовании шунта R_ш ток I_x, протекающий через измерительный механизм прибора, определяется выражением:

I_x=I_пр(R_ш+R_пр)/R_ш=I_пр·n

где: n=(R_ш+R_пр)/R_ш – коэффициент шунтирования.

Сопротивление шунта выбирается таким образом, чтобы б о льшая часть измеряемого тока I_x протекала по шунту I_ш, а оставшаяся часть – не превы­шала допустимого значения для используемого прибора.

Конструкция шунтов и условия их применения определяются пределами измерений. Обычно, шунты, предназначенные для измерения сравнительно небольших токов (до 30 А), монтируются внутри корпуса измерительного прибора; токи б о льшего значения (до нескольких сотен и тысяч ампер) изме­ряются с помощью наружных шунтов. Отечественной промышленностью шунты изготавливаются следующих классов точности: 0.001, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0.

Измерение постоянного тока аналоговыми приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0.1 %. Более точные измерения можно выполнить с помощью метода сравнения или компенсации. Приборы, работа которых основана на этом методе, получили название по­тенциометров или компенсаторов. При измерении тока наибольшее распро­странение получила схема, изображённая на рисунке 4а.

Как видно из рисунка в разрыв электрической ветви с измеряемым то­ком подключается схема, состоящая из индикатора И, измеряющего напря­жение между точками «а» и «б», образцового потенциометра R_обр и образцо­вого источника напряжения Е_обр.

Измерение выполняется следующим образом: последовательными изме­нениями сопротивления образцового потенциометра добиваются выравнива­ния значений измеряемого тока I_x и рабочего тока I_р в измерительной цепи. Очевидно, признаком равенства токов I_x=I_р являются нулевые показания ин­дикатора И. При этом равенство потенциалов точек «а» и «б» позволяет оп­ределить искомое значение тока из выражения:

I_x=I_р=Е_обр/R_обр

Среднее значение образцовой ЭДС насыщенных нормальных элементов при температуре 20⁰ С известно с точностью до пятого знака (Е_обр=1.0186 В). Следовательно, точность результата измерения, в значительной степени, оп­ределяется точностью изготовления образцового резистора R_обр и точностью установления момента уравновешивания, которая определяется порогом чув­ствительности нулевого индикатора И.

Рис. 4. Измерение тока методом сравнения и косвенным методом

Существенной особенностью метода сравнения является отсутствие ме­тодической ошибки измерения. Действительно, в момент равенства токов I_x и I_р измерительная цепь не вносит никаких изменений в измеряемую цепь, по­скольку из-за равенства потенциалов точек «а» и «б» входное сопротивление измерительной цепи равно нулю. Таким образом, использование в схеме из­мерения дополнительного, образцового источника напряжения Е_обр позво­ляет компенсировать возможное уменьшение измеряемого тока I_x.

Потенциометры постоянного тока выпускаются следующих классов точности: 0.0005, 0.001, 0.002, 0.005 и т.п.

Кроме прямого измерения токов с помощью амперметров возможно косвенное измерение с использованием образцового резистора R_обр и высо­кочувствительного вольтметра. Образцовый резистор включается в разрыв электрической ветви с измеряемым током, с помощью вольтметра измеряется падение напряжения на резисторе U_обр (см. рис. 4б). Измеряемый ток опреде­ляется с помощью выражения: I_x=U_обр/R_обр. Очевидно, для получения мини­мальной погрешности сопротивление образцового резистора должно быть возможно меньше сопротивления ветви R.