Измерение напряжения и силы тока. Общие сведения.
Измерение напряжения и силы тока наиболее часто применяют в практике метрологии, электроизмерениях и радиоизмерениях. При этом в телекоммуникаци-онных системах преобладающее значение имеет измерение напряжения, так как чаще всего этой величиной принято характеризовать режимы работы различных электротехнических и радиотехнических цепей и устройств. К тому же параллельный метод подключения вольтметра к участку цепи, как правило, не приводит к нарушению электрических процессов в ней, поскольку его входное сопротивление выбирается достаточно большим значением. При измерениях же тока приходится размыкать исследуемую цепь и в ее разрыв последовательно включать амперметр, внутреннее сопротивление которого отлично от нуля. Однако в ряде случаев необходимы прямые или косвенные измерения силы тока, поэтому вопросы измерения напряжения и силы тока рассматриваются совместно.
Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значения (величины) и полярности. Целью измерения переменных напряжения и силы тока является определение какого-либо их параметра.
Поскольку напряжение и ток связаны прямопропорциональной зависимостью, чаще проводят измерение напряжения и по его значению аналитически вычисляют силу тока.
Напряжение между точками Аи Весть скалярная величина, определяемая выражением
(7.1)
где - напряженность электрического поля; - расстояние между точками.
В настоящее время метрологическая техника позволяет измерять напряжения в диапазоне 10-10...106 В и токи в диапазоне 10-18...105 А. Вместе с тем данные измерения должны осуществляться в очень широкой] полосе частот - от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более). Поэтому такие крайние значения величин требуют уникальных методов измерения и в этом учебнике не изучаются. Как уже отмечалось, приборы, измеряющие параметры сигналов с частотами до 104 Гц, являются низкочастотными, до 108 - высокочастотными, свыше - диапазон сверхвысоких частот, требующий специальных измерительных методов. Измерение параметров напряжения переменного тока - довольно сложная метрологическая задача, связанная с обеспечением требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого сигнала. Переменное напряжение характеризуется несколькими параметрами, и его уровень может быть определен по амплитудному, действующему (среднеквадратическому, эффективному)или средневыпрямленному(постоянному) значению. Напомним некоторые характеристики и параметры напряжения переменного тока.
Мгновенные значения напряжения u(t)наблюдают на осциллографе или экране любого другого устройства (рисунок 7.3) и определяют для каждого момента времени.
Амплитуда (высота; устаревший термин - пиковое значение) Um - наибольшее мгновенное значение напряжения за время наблюдения, или за период.
Измеряемые напряжения могут иметь различный вид, например, форму импульсов, гармонического или негармонических колебаний - суммы синусоиды с постоянной составляющей и т.д. (рисунок 7.3, а, б, в). При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают два амплитудных
значения (рисунок 7.3, г): положительное и отрицательное: и .
Рисунок 7.3 Иллюстрация к понятию амплитуда напряжения:
а) - импульсы положительной полярности; б) - синусоидальное напряжение;
в) - сумма синусоиды и постоянной составляющей; г) - несинусоидальное колебание.
Действующее ( среднеквадратическое )напряжение определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напряжения за время измерения (или за период):
(7.2)
При несинусоидальном периодическом сигнале квадрат действующего значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и действующих значений гармоник:
(7.3)
Среднее значениенапряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:
(7.4)
Средневыпрямленное (постоянная составляющая)напряжение определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:
(7.5)
Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямленное значения равны. В случае разнополярных напряжений эти два значения могут существенно отличаться друг от друга. Так, для гармонического напряжения ,
Наибольшая потребность существует в измерении действующего значения напряжения, так как этот параметр связан с мощностью, нагревом, потерями. Часто же проще измерить амплитудное или средневыпрямленное значение и произвести пересчет с применением коэффициентов амплитуды Каи формы Кф:
(7.6)
В частности, для гармонического напряжения: Ка = 1,41; Кф = 1,11.
Значения этих коэффициентов для наиболее употребляемых видов сигналов и соотношения между ними приведены в таблице 7.2, где все величины напряжений обозначены буквой и.
Таблица 7.2