Лекция № 10. Измерение постоянных токов и напряжений

 

Измерение малых токов и напряжений. 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 ^-11 А, а стрелочным маг­нитоэлектрическим прибором - 10 ^-6 А. Чтобы повысить чувствительность, измеряемый ток подают на вход уси­лителя постоянного тока, к выходу которого присоединя­ют стрелочный магнитоэлектрический прибор. Для этого обычно используют фотогальванометрические усилители или полупроводниковые усилители с преобразованием постоянного тока в переменный. С помощью усилителей можно измерять токи до10 ^-10 A.

Более точный, но менее чувствительный способ изме­рения малых токов заключается в измерении падения на­пряжения на образцовом резисторе при помощи потен­циометра постоянного тока. Таким способом можно из­мерять токи начиная от 10 ^-8 А.

Для точного измерения малых токов можно исполь­зовать цифровые пикоамперметры, принцип действия ко­торых сводится к измерению падения напряжения на высокоомном резисторе цифровым милливольтметром. Эти приборы позволяют измерять токи от 10 ^-8А с погреш­ностью, не превышающей 0,5%.

Для измерения малых постоянных напряжений мож­но использовать магнито-электрические гальванометры, потенциометры постоянного тока, цифровые микро-   вольтметры и стрелочные магнитоэлектрические приборы. С помощью магнитоэлектри- ческих гальванометров можно измерять напряжения порядка 10 ^-7 — 10 ^-8 В.

Потенциометры постоянного тока существенно пре­восходят гальванометры по точности и входному сопро­тивлению, но уступают им по чувствительности: они поз­воляют измерять напряжение, начиная от 10 ^-5 — 10 ^-6 В.

Цифровые микровольтметры по точности и чувстви­тельности практически не уступают потенциометрам по­стоянного тока. Они позволяют измерять напряжение на­чиная от 10 мкВ с погрешностью 0,3 — 0,5%.

Для измерения напряжений порядка 10 ^-6 — 10 ^-7 В и более можно использовать нано- вольтметры, состоящие из фотогальванометрического усилителя, к выходу которого присоединен измерительный механизм магнитоэлектрической системы. Классы точности этих приборов 1,0—1,5. Микровольтметры, состоящие из электронного усилителя с подключенным к его выходу прибором магнитоэлектрической системы, имеют приблизительно ана­логичные характеристики по точности, но обладают бо­лее высоким входным сопротивлением и несколько меньшей чувствительностью.

Милливольтметры магнитоэлектрической системы ис­пользуются для измерения напряжений от 10 ^-4 В и от­личаются простотой и удобством в эксплуатации. Классы точности милливольтметров не лучше 0,2; 0,5.

Измерение средних токов и напряжений. К средним токам и напряжениям условно можно отнести токи в диа­пазоне от 10 мА до 50—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.

Постоянные токи от 1 мкА до 6 кА и напряжения от 1 мВ до 1,5 кВ обычно измеряют приборами магнито­электрической системы. В микро- и миллиамперметрах этой системы весь ток протекает через рамку измери­тельного механизма. Этот ток, как правило, не превыша­ет 20—50 мА. Для расширения пределов измерения из­мерительного механизма по току используют шунты, а по напряжению — добавочные резисторы.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической си­стемы успешно сочетают высокую точность с малым по­треблением мощности и имеют равномерную шкалу. Наиболее точные приборы магнитоэлектрической систе­мы, предназначенные для измерения средних токов и на­пряжений, имеют классы точности 0,1; 0,2.

Приборы электродинамической системы предназна­чены для измерения токов от 10 мА до 100 А и напряже­ний от 100 мВ до 600 В. По точности они эквивалентны приборам магнитоэлектрической системы, но потребляют значительно большую мощность и имеют неравномерную шкалу.

Приборы ферродинамической системы применяются для измерения постоянных токов и напряжений очень редко из-за низкой точности и большой потребляемой мощности.

Приборы электромагнитной системы используются для измерения токов от 10 мА до 200 А и напряжений от 1 В до 75 В. Наиболее точные приборы этой системы имеют классы точности 0,2; 0,5. Их главное достоинст­во — низкая стоимость.

Для измерения постоянных напряжений в диапазоне от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт при­меняются также электростатические вольтметры. Их преимущество заключается в ничтожном потреблении мощности от объекта измерения. Наиболее точные при­боры этой системы имеют класс точности 0,05. Однако точные электростатические приборы очень сложны и до­роги и выпускаются в небольшом количестве. Подавляю­щее же большинство вольтметров этой системы имеет классы точности 0,5; 1,0 и 1,5.

При напряжениях, не превышающих 600 В, вместо приборов электростатической системы можно применять вольтметры электронной системы. Они также потребля­ют ничтожную мощность. Класс точности электронных вольтметров постоянного тока невысокий: лучшие из них имеют классы точности 0,5; 1,0.

В тех случаях, когда необходимо измерить напря­жение или ток с высокой точностью, используют потен­циометры постоянного тока, цифровые вольтметры и ам­перметры. Классы точности наиболее точных потенцио­метров 0,001; 0,002, цифровых вольтметров 0,002; 0,005, цифровых амперметров 0,02. Цифровые вольтметры из­меряют напряжение до нескольких тысяч вольт, а циф­ровые амперметры — ток до нескольких ампер. Потен­циометрами постоянного тока при использовании дели­телей напряжения можно измерять напряжение до 1000В.

Измерение тока при помощи потенциометра проводят косвенным путем — искомый ток определяют по падению напряжения на образцовом резисторе. Погрешность из­мерения в этом случае возрастает за счет погрешностей образцового резистора. Преимуществом потенциометров и цифровых приборов является малое потребление мощ­ности, особенно при измерении напряжений.

Ток можно также найти, измерив падение напряжения на образцовом резисторе при помощи вольтметров электростатической или электронной систем. Однако для сред­них токов этот способ распространения не получил, так как измерение с помощью магнитоэлектрических амперметров проще, удобнее и, как правило, точнее.

Измерение больших токов и напряжений. Шунтирование магнитоэлектрических приборов дает возможность измерять постоянные токи до нескольких тысяч ампер. Отдельные шунты на токи свыше 10 кА не изготовляются вследствие их больших размеров и большой стоимости. Поэтому для измерения больших токов часто используют несколько шунтов, соединенных параллельно.

Для измерения постоянного напряжения до 6 кВ ча­ще всего применяют магнитоэлектрические вольтметры с добавочными резисторами.

При больших напряжениях использование добавоч­ных резисторов сопряжено с большими трудностями, выз­ванными их громоздкостью и значительной потребляе­мой ими мощностью. В этих случаях применяют электро­статические вольтметры, позволяющие измерять напря­жение до 300 кВ или включают обычные вольтметры через измерительные трансформато­ры постоянного напряжения.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Измерение малых токов и напряжений?

2. Измерение средних токов и напряжений?

3. Измерение больших токов и напряжений?

4. Когда применяют электро­статические вольтметры?

 

 

Литература:

 

1. Малиновский В.Н. Электрические измерения. М., Энергоиздат, 1983, с.392.

2. Попов B.C. Электрические измерения. М., Энергия, 1974, с.398.

3. Гуржій А.М., Поворознюк Н.І. Електричні і радіотехнічні вимірювання. Київ, Навчальна книга, 2002, с.287.