Измерение электрических величии

Измерение токов и напряжений.

Измерение постоянных токов и напряжений.

Измерение малых токов и напряжений до 1 мА и до 1 мВ. Могут быть использованы методы прямого и косвенного измерения. Прямое измере­ние тока заключается в применении чувствительных магнитоэлектрических приборов, в том числе зеркальных гальванометров. Чувствитель­ность микроамперметров составляет 10^-6 А, а гальванометров до 10^-11 А.

Если необходимо измерить еще более слабые токи, то используют косвенные методы - по заряду, накопленному конденсатором или по па­дению напряжения на высокоомном резисторе. В качестве приборов ис­пользуют баллистический гальванометр (чувствительность 10^-12 А) или электрометр (чувствительность 10 ^-17 А). В последнем случае через провод­ник проходит всего 62 электрона в секунду.

Электрометрами называют приборы высокой чувствительности с очень большим входным сопротивлением (10¹⁰ - 10¹⁵ Ом). Они представ­ляют собой разновидность электростатического измерительного механиз­ма. На рис. 10.1.1 показана схема квадратного электрометра, содержащего 4 неподвижных электрода в виде квадрантов и одного подвижного элек­трода, подвешенного на растяжке, на которой закреплено отражающее зеркало оптического указателя. Квадранты попарно запитаны от двух источников напряжения U, равных по величине, но противоположных по полярности. Измеряемое напряжение U_x подается на подвижный электрод относительно общей точки. Отклонение подвижной части зависит от про­изведения напряжений UU_x ; несмотря на малость U_х за счет большого значения U можно достичь заметного отклонения:

DC

α ═ ─── ─── UU_x

W dα

Электрометры обладают очень высокой чувствительностью (до 10⁴ мм/В).

При измерении малых токов по падению напряжения на известном высокоомном сопротивлении ro включают электрометр по схеме рис.10.1.2. а). Здесь U₀=I_xR₀ – измеряемое напряжение. Ключ необходим для сня­тия

заряда с электродов конденсатора электрометра перед началом изме­рения. Возможности такого способа измерения ограничиваются тепловы­ми шумами в резисторе R₀ , вызывающими нестабильность нуля.

При измерении малых токов по заряду, накопленному известным конденсатором С_о , электрометр включают по схеме рис. 10.1.2.б). После размыкания ключа конденсатор С₀ заряжается. За время t, отсчитываемое по секундомеру, конденсатор получит заряд Q=I_xt. Напряжение на кон-­
денсаторе

Q I_xt

U₀ ═ ───── ═ ──────

C₀ +C_э C₀ +C_э

Если С₀ > С_э , то I_x ≈ U₀C₀/t .

Более точный, но менее чувствительный способ измерения малых

токов заключается в измерении падения напряжения на образцовом рези­сторе при помощи потенциометра (компенсатора) постоянного тока. При этом можно обеспечить точность 0,5 % при токах не менее 10⁸ А. При­мерно такой же чувствительностью и точностью обладают некоторые цифровые амперметры (пикоамперметры), принцип действия которых сводится к измерению падения напряжения на образцовом резисторе цифровым милливольтметром.

Для измерения малых напряжений используются магнитоэлектриче­ские гальванометры, компенсаторы постоянного тока, цифровые микро­вольтметры и стрелочные милливольтметры (самостоятельно или в соче­тании с электронным усилителем).

Стрелочные магнитоэлектрические милливольтметры могут изме­рять напряжения начиная с 10^-4 В при классе точности 0,2-0,5.

Чувствительность гальванометров гораздо выше - до 10^-7 – 10^-8 В при таком же классе точности.

Потенциометры (компенсаторы) превосходят гальванометры по точности и входному сопротивлению, но уступают по чувствительности: 10^-5 - 10^-6 В. Примерно такие же возможности цифровых милливольтмет­ров: 10^-5 В, 0,5%.

Для измерения очень слабых напряжений, порядка 10^-7 В, использу­ют также серийные нановольтметры на базе фотогальванометрического усилителя. Электронные микровольтметры имеют хуже чувствительность, но значительно большее входное сопротивление.

Измерение средних значений постоянных токов и напряжений 10 мA - 100 А, 1 мВ - 600 В наиболее часто встречается в метрологической практике. Используются прямые и косвенные методы измерения токов, и только прямые методы измерения напряжений. В указанном диапазоне работают электромеханические стрелочные приборы различных систем, а также многие электронные и цифровые приборы.

Магнитоэлектрические приборы могут измерять непосредственно токи от 1 мкA – до 6 к А, а напряжения от 1 мВ до 1,5 кВ. Обычный класс точности 0,1 – 0,2. Обладают малым потреблением мощности.

Электродинамические приборы измеряют токи от 10 мА до 100 А и напряжение от 100 мВ до 600 В. По точности эквивалентны магнитоэлек­-
трическим приборам, но потребляют гораздо большую мощность и имеют
неравномерную шкалу.

Электромагнитные приборы могут измерять токи от 10 мА до 200А и напряжения от 1 В до 75 В. Классы точности 0,2 - 0,5. Главное их пре­имущество - нткая стоимость.

Электростатические вольтметры работают в диапазоне от 10 В до сотен кВ с классами точности 0,5 - 1,5. Эти приборы очень сложны, доро­гие и выпускаются в малом количестве. Используются в тех случаях, ко­гда недопустимо потребление энергии от измеряемой цепи.

Электронные приборы имеют широкий диапазон измерении, но не­высокую точность: классы 0,5 - 1,0 для лучших образцов.

Наиболее точное измерение можно осуществить с помощью потен­циометров (компенсаторов) постоянного тока (класс точности 0,001-0,002) и цифровых вольтметров и амперметров (класс точности 0,005-0,02).

Измерение больших постоянных токов и напряжений - килоамперы и киловольты.

Магнитоэлектрические амперметры используются с шунтами, кото­рые выпускаются на токи до 10 кА. При больших токах используют не­сколько параллельно соединенных однотипных шунтов. В том случае, ко­гда хотят гальванически отделить прибор от силовой цепи, применяют измерительные трансформаторы постоянного тока.

Можно разработать специальные нестандартные приборы для кос­венного измерения больших токов по создаваемому ими магнитному по­лю.

Магнитоэлектрические вольтметры с добавочными сопротивления­ми используются для измерения напряжений до 6 кВ. При больших на­пряжениях необходимо использовать трансформаторы постоянного на­пряжения или вольтметры электростатической системы, работающие в диапазоне до 300 кВ.