Измерения в цепях постоянного тока

Измерение I и U в цепях постоянного тока выполняются чаще всего приборами магнитоэлектрической системы с током полного отклонения (20-50)мА. Внутреннее сопротивление таких приборов обычно =1000 2000 Ом.

Для расширения пределов измерений амперметров используются шунты.

R_пр I_x

Здесь n = I_x\I_пр- коэффициент шунтирования.

R_ш I_ш

Шунты делятся на внутренние (позволяющие измерять токи до 30 А) и наружные (для измерения токов более 30 А). Их можно так же подразделить на индивидуальные (применяются только с тем механизмом с которым градуируются) и калиброванные (рассчитанные на номинальные токи и пригодные для любой измерительной системы).

Для расширения пределов вольтметров применяют добавочные сопротивления.

Здесь - коэффициент расширения предела.

Расчет проведен по аналогичному алгоритму. Учитывая, что получим . Откуда .

Добавочные сопротивления подразделяются на виды, аналогично шунтам.

Измерение напряжения и тока в цепях промышленной частоты

Для этих целей используют приборы электромагнитной, электродинамической и электростатической систем.

- при использовании для измерения тока катушка прибора ЭМ системы включается в цепь последовательно;

- приборы ЭД системы в качестве амперметра включаются последовательно при токах до 0,5А, при больших токах катушки включаются параллельно. У вольтметров катушки и добавочные сопротивления включаются последовательно;

- приборы ЭС системы используются только для измерения напряжения. На постоянном токе расширяют пределы с помощью добавочных сопротивлений, на переменном токе- с помощью конденсаторов.

Из рассмотренного выше материала следует, что наиболее высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками обладают приборы МЭ системы. Это и обусловило их доминирующее применение в области электрических (радиотехнических) измерений. Однако следует еще раз отметить их основной недостаток- недопустимость даже кратковременных перегрузок ( перегорают и деформируются токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

Измерение тока и напряжения приборами с преобразователями

Измерение переменного тока приборами МЭ системы требует осуществления специальной операции – преобразования переменного напряжения в постоянное с дальнейшим измерением его прибором магнитоэлектрической системы.

Если в качестве преобразователей используются полупроводниковые элементы, то в этом случае прибор называется выпрямительным. В качестве преобразователя могут использоваться так же термопреобразователи – в этом случае имеем термоэлектрический вольтметр. Термоэлектрические приборы используются в диапазоне низких и высоких частот.

Выпрямительные вольтметры

По выпрямительной схеме они подразделяются на однополупериодные и двухполупериодные. Вариант схемы однополупериодного выпрямителя показан на рис.9.

а) б)

Рис.9.

В этом случае при подаче на вход гармонического напряжения, через прибор будет проходить пульсирующий ток i(t). Учитывая, что показание прибора МЭ системы пропорционально среднему значению получим

.

Выпрямительные приборы градуируются в среднеквадратических значениях синусоидального тока. Коэффициент градуировки С, связывающий отклик прибора с его показаниями, является коэффициентом формы К_ф (С=К_ф), который может быть выражен через средневыпрямленное и среднеквадратическое значения тока .

Показание прибора или отсчёт по шкале равен

,

где определяется по известной формуле: .

При однополупериодном выпрямлении К_1ф = 2,22, а при двухполупериодном - К_ф2= 1,11.

Таким образом, в выпрямительных приборах отклик и градуировка не совпадают, поэтому их показания справедливы только для синусоидального сигнала. Если форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от синусоидальной, то появляется погрешность измерения.

Пусть измеряется несинусоидальное напряжение и показание выпрямительного прибора равно . Тогда средневыпрямленное значение измеряемого напряжения можно рассчитать по формуле

.

Если известна форма кривой измеряемого напряжения или его К_фх, то среднеквадратическое значение измеряемого напряжения можно определить следующим образом:

.

Как видно значения U_ск и U_шк для несинусоидального напряжения не совпадают. Относительная погрешность между искомым значением напряжения несинусоидального тока и отсчётом по шкале U_шк равно

.

Чтобы определить показания вольтметра при данной кривой тока (напряжения) необходимо проделать следующее:

1. Зная форму измеряемого напряжения определить форму тока, протекающего через измерительный механизм.

2. Определить величину средневыпрямленного напряжения по формуле

.

3. Вычислить показания приборов по формулам:

- однополупериодное выпрямление,

- двухполупериодное выпрямление.

Пример3. Определить ток через измерительный прибор при подаче напряжения пилообразной формы

Определяем на выходе выпрямителя . Показания на шкале прибора с учетом градуировки .

Среднеквадратическое значение напряжения для данного сигнала можно рассчитать по формуле . Тогда погрешность измерения составит

Достоинства

1. Простота схемной реализации.

2. Высокая надёжность.

3. Возможность работы с высокочастотными сигналами.

Недостатки

1. Нелинейные ВАХ диодов и их разброс.

2. Влияние температуры окружающей среды.

3. Частотные погрешности из-за наличия ёмкости р-n перехода диодов.

Для устранения последних двух недостатков применяют схемы частотной и тепловой компенсации.

Область применения

Используются в комбинированных приборах для измерения тока и напряжения в сочетании с омметрами, например в приборах серии Ц (Ц20, Ц4117, Ц4353) .