Измерение постоянных и переменных напряжений

Для измерения постоянных напряжений наиболее часто используют приборы магнитоэлектрической системы, которым свойственны высокая чувствительность, точность и широкий диапазон измерений от 10^-5 до 1000 В. Магнитоэлектрические вольтметры с добавочным сопротивлением можно использовать для измерения напряжения до 20 кВ.

Для измерения постоянных напряжений могут использоваться электродинамические, ферродинамические и электромагнитные приборы, но диапазон измерений у них уже (1 … 600 В), кроме того, приборы данной системы обладают большой потребляемой мощностью, поэтому использование их в маломощных цепях приводит к большим погрешностям измерения. Для измерения высоких напряжений до 300 кВ используют электростатические приборы.

Наиболее широкими возможностями для измерения напряжения обладают электронные приборы, которые позволяют измерять напряжение от 10^-9 В. Класс точности электронных приборов достигает 0,002. Они обладают высоким быстродействием, автоматическим выбором диапазона измерения и определением полярности, а также потребляют мало мощности.

Наиболее точно напряжение можно измерить с помощью компараторов.

Для измерения действующих значений переменного напряжения промышленной частоты чаще всего используются электромагнитные, электродинамические и ферродинамические приборы. На повышенных частотах – термоэлектрические, выпрямительные и электронные приборы. Средневыпрямленное и амплитудное значение измеряют выпрямительными и электронными приборами.

Средняя область значений переменного напряжения от 1 до 600 В, охватывается диапазонами измерений всех вышеперечисленных систем. Однако при выборе конкретных типов приборов следует учитывать их отличительное свойство, в частности, высокоточные электродинамические приборы можно применять только для измерений в сравнительно мощных цепях, т.к. значительное потребление мощности этими приборами может вызвать большую погрешность метода (до 10 В). Эти замечания относятся к электромагнитным и ферродинамическим приборам. Наиболее пригодными к использованию в маломощных цепях являются электростатические, выпрямительные и электронные приборы, однако выпрямительные приборы имеют погрешность от несинусоидальности формы кривой напряжений. Для измерения напряжений ниже 0,1 В применяются только электронные приборы, нижний предел которых достигает 10^-6А. Самый высокий предел измерения 300 кВ имеют электростатические вольтметры. Термоэлектрические приборы используются для измерений при частоте до 100 МГц. Используются спаи, состоящие из железа - константана (при t = 600⁰С термо–ЭДС = 30 мВ), хромель - копеля (термо–ЭДС = 49 мВ), золото - палладия (при t = 1000⁰С, термо–ЭДС = 40 мВ).

Недостатки термоэлектрических приборов: малое быстродействие, малая перегрузочная способность, большая потребляемая мощность (при токе 5А –
1 Вт), класс точности – 1,0; 1,5. Для расширения диапазонов измерения в цепи переменного тока используют трансформаторы напряжения.

При измерении токов и напряжений необходимо учитывать не только тип приборов, но и место включения их в измерительную цепь, так как это может повлиять на точность измерения.

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивление R_V, вольтметр включают параллельно нагрузке (рисунок 7.1, а).

а) б)

Рисунок 7.1 – Схемы прямого измерения напряжения и тока

Если внутреннее сопротивление вольтметра R_V, то относительная погрешность измерений напряжения равна:

,

где U – действительное значение напряжения на нагрузке R до включения вольтметра;

U_x – измеренное значение напряжения на нагрузке R.

Отношение сопротивлений R/R_V обратно пропорцио­нально отношению мощности потребления вольтметра Р_V к мощности цепи Р, поэтому

(δ_U = 0 как при P_V = 0, так и при R₀ = 0).

Для уменьшения погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико (R_V = ∞).

Напряжение в цепях постоянного тока можно изме­рить любым измерителем напряжения, работающим на постоянном токе (аналоговыми магнитоэлектрическими, электродинамическими, электромагнитными, электростати­ческими, аналоговыми цифровыми и электронными вольт­метрами). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измере­ния мощный, используют электромеханические вольт­метры и мощность потребления ими не учитывается; ес­ли же объект измерения маломощный, то мощность потребления нужно учитывать либо использовать элек­тронные вольтметры.

При прямом измерении тока амперметр включается последовательно в разрыв исследуемой цепи (рисунок 7.1, б).

Последовательное включение амперметра с внутренним сопротивлением R_A в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) приводит к возрастанию общего сопротивления и уменьшению протекающего в цепи тока.

Относительная погрешность δ_I тока I_Х

где I - действительное значение тока в цепи до включения амперметра;

I_X - измеренное значение тока в цепи R.

Отношение сопротивлений можно заменить отношени­ем мощностей потребления Р_A и Р ам­перметра и самой цепи соответственно:

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощ­ность потребления амперметра Р_A по сравнению с мощ­ностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последова­тельно в цепь измерения, должен обладать малым сопро­тивлением, т. е. R_А → 0.

На рисунке 7.2 приведены схемы включения приборов для косвенного измерения сопротивления.

Значение сопротивлений, вычисленные по показаниям приборов, для схемы 7.2, а)

R_x = U / I_x = (U_x + U_А) / I_x = R_x + R_А.

Относительная методическая погрешность измерения

γ = ∆R_x / R_x = R_А / R_x.

Рисунок 7.2 – Схемы косвенного измерения сопротивления

Для схемы 7.2, б

R_x = U_x / I_x = U_x / (I_x + I_V) = R_x /[1+ (R_x / R_V)],

где R_A и R_V – сопротивления амперметра и вольтметра соответственно.

Относительная методическая погрешность измерения

γ = - R_x / (R_V + R_x).

Очевидно, что схема, приведенная на рисунке 7.2, а обеспечивает меньшие погрешности при измерении больших сопротивлений, а на рисунке 7.2, б - при измерении малых сопротивлений.