Измерение токов и напряжений

Цель: научиться измерять ток и напряжение.

Ход работы:

1.Единство и различие амперметров и вольтметров.

2.Измерение постоянных токов и напряжений.

3.Измерение действующих значений переменных токов и напряжений электромагнитными, электродинамическими, ферродинамическими и электростатическими приборами.

4.Вывод.

У вольтметра большое сопротивление и маленький ток, т. к. он включается параллельно источнику напряжения. У амперметра, наоборот, маленькое сопротивление, т. к. он включается в разрыв цепи и не должен влиять на её работу. Можно сделать и вольтметр, и амперметр из высокочувствительной магнитоэлектрической головки, у которой уже при 100 мкА и 100 мВ стрелка отклоняется на всю шкалу. Для измерения тока параллельно её клеммам подключается шунт, сопротивление которого во столько раз меньше сопротивления головки, во сколько раз измеряемый ток больше, чем 100 микроампер. А для измерения напряжения последовательно с головкой включается дополнительное сопротивление, которое во столько раз больше сопротивления головки, во сколько раз больше измеряемое напряжение, чем 100 мВ. Так, собственно, и были устроены старые аналоговые авометры (ампервольтомметры, тестеры). Сейчас все они цифровые, и там стоит АЦП, но остальное осталось - шунты и добавочные сопротивления, только всё коммутируется электронными ключами, а не поворотом большого переключателя или перетыканием в разные гнёзда.

Измерение постоянного тока и напряжения чаще всего производится щитовыми приборами магнитоэлектрической, а при измерении высоких напряжений - электростатической и ионной систем. Иногда применяют приборы электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем, они значительно уступают приборам магнитоэлектрической системы в отношении точности, чувствительности, потребляемой мощности, имеют неравномерную шкалу, чувствительны к воздействию внешних магнитных полей.

Для проведения точных измерений все большее применение находят цифровые вольтметры, амперметры и комбинированные приборы, обладающие большим быстродействием и малой погрешностью измерения (0,01-0,1 %).

Простейшим способом измерения постоянного тока и напряжения является непосредственное включение приборов в цепь.

Для измерения 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.

Сопротивление амперметра отлично от нуля, а сопротивление вольтметра не равно бесконечности, поэтому включение амперметра или вольтметра в электрическую цепь изменяет измеряемую величину. Погрешность, возникающая в результате включения измерительных приборов в исследуемую цепь и обусловленная потребляемой ими мощностью, называется методической погрешностью.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы успешно сочетают высокую точность с малым потреблением мощности и имеют равномерную шкалу. Наиболее точные приборы магнитоэлектрической системы 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 1000 В.

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.

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 из-за их больших размеров и большой стоимости. Поэтому 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. При равенстве сопротивлений Я шунтов и сопротивлений потенциальных проводников наличие переходных сопротивлений в местах присоединения шунтов к шинам Я_]2, Я₂₁, Я₂₂, Я₃₁ и Я_п не отражается на показаниях прибора, а ведет лишь к неравномерному распределению токов между шунтами. Ток /_у, протекающий через прибор, определяется только сопротивлениями шунтов, потенциальных проводников и прибора, т. е. точно так же, как и при измерении тока с помощью одного шунта. Практически используют несколько однотипных шунтов.

Но этот способ не дает возможности отделить цепь прибора от цепи измеряемого тока, что не позволяет применять его в цепях высокого напряжения, где требуется заземлять цепь прибора для защиты обслуживающего персонала. При измерении тока в цепях высокого напряжения рекомендуется использовать гальванически развязанную измерительную цепь на основе датчиков Холла.

Вывод: электромагнитные, электродинамические, ферродинамические и электростатические приборы измеряют действующие значения постоянных и переменных напряжений и токов.