Измерение постоянного и переменного напряжения
Методика измерения в электрических цепях
Производится вольтметрами, рассчитанными для работы соответствующего типа напряжения.
В тех случаях, когда необходимо измерить напряжение больше того, на которое рассчитан вольтметр, необходимо последовательно с ним включить добавочный резистор.
Тогда часть измеряемого напряжения будет падать на добавочный резистор, а часть на прибор.
Подбирая величину сопротивления добавочного резистора, можно в широких пределах расширить возможности измерения больших напряжений.
Если известно сопротивление вольтметра Rпр и выбран коэффициент расширения пределов измерения:
n = Ux/Uпр,
где Ux – максимальное напряжение на входе схемы, подлежащее измерению;
Uпр – максимальные пределы измерения непосредственно вольтметром.
Величина сопротивления добавочного резистора м.б. найдена по следующей формуле:
Rдоб =Rпр(n – 1).
Обычно для удобства производства отсчетов коэффициент n выбирают кратным 2; 5 или 10.
Для измерения высоких значений переменных напряжений используют измерительные трансформаторы напряжения.
Они представляют собой понижающие трансформаторы, т.е. такие, у которых число витков вторичной обмотки W2, к которой подключается вольтметр, меньше числа витков W1 первичной обмотки.
Коэффициент расширения пределов измерения n = W1/W2.
Схемы подключения вольтметров для измерения напряжения приведены на рис. 1.
Рисунок 1 – Схемы измерения напряжения
Согласно ГОСТ 22261-82 средства измерения напряжений относятся к подгруппе В. Подгруппа в свою очередь на следующие виды:
В1 – приборы для установки или проверки вольтметров;
В2 – вольтметры постоянного напряжения;
В3 – вольтметры переменного напряжения;
В4 – вольтметры импульсного напряжения;
В6 – селективные вольтметры;
В7 – универсальные вольтметры;
В8 – измерители отношения напряжений и (или) разности напряжений;
В9 – преобразователи напряжения.
Помимо деления на виды, вольтметры принято делить на аналоговые и цифровые.
В дальнейшем будут рассмотрены вольтметры постоянного и переменного напряжения, цифровые и аналоговые.
Измерение электродвижущей силы (ЭДС)
Измерение Е имеет свои особенности.
При подключении вольтметра к источнику ЭДС для ее измерения через него всегда будет проходит ток, а т.к. любой источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением Rвн, то напряжение на таком источнике
U = E – IRвн
и вольтметр будет измерять величину меньшую, чем ЭДС Е.
Если нет требований к высокой точности измерения ЭДС, то для уменьшения тока можно воспользоваться вольтметром с большим внутренним сопротивлением, например электронным.
В этом случае можно считать, что измеренное напряжение U ≈ Е.
Более точные методы измерения ЭДС связаны с использованием компенсационных схем (рис. 2).
Рисунок 2 – Схемы измерения ЭДС
В них напряжение, измеряемое вольтметром PV, снимаемое с переменного резистора R, сравнивается с напряжением на источнике ЭДС.
Изменяя напряжение на выходе переменного резистора (потенциометра), можно добиться такого условия, когда измерительный прибор Р покажет отсутствие тока через источник ЭДС.
В этом случае показания вольтметра будут точно соответствовать величине ЭДС источника, т.е. U = Е.
Измерение тока
Можно производить измерение тока непосредственно амперметром, включенным в разрыв измеряемой цепи (рис. 3, а).
При необходимости расширить пределы измерения амперметра необходимо параллельно амперметру включить резистор (рис. 3, б), который чаще всего называют шунтом.
Т.к. сопротивление амперметра обычно небольшое, то для существенного расширения пределов измерения сопротивление шунта д.б. очень небольшим.
Существуют формулы для расчета сопротивления шунта, но обычно на практике приходится вручную подгонять его сопротивление, контролируя ток эталонным амперметром.
Рисунок 3 – Схемы измерения силы тока
Для измерения больших переменных токов часто используют измерительные трансформаторы токов (рис. 3, в).
У них первичная обмотка, включаемая в разрыв измеряемой цепи, имеет число витков W1 меньшее, чем число витков W2 вторичной обмотки, т.е. трансформатор является повышающим по напряжению, но по току он понижающий.
Амперметр подключается к выходу вторичной обмотки трансформатора тока.
Часто лабораторные трансформаторы тока вообще не имеют изготовленной заранее первичной обмотки, а в их корпусе имеется широкое сквозное отверстие, через кот. сам экспериментатор наматывает необходимое число витков (рис. 3, г).
Зная число витков вторичной обмотки (обычно оно указывается на корпусе трансформатора тока), можно выбрать коэффициент трансформации n = W1/W2 и определить измеряемый ток Ix по показаниям амперметра Iпр по следующей формуле:
Ix = Iпр/n.
Совершенно по иному производят измерение токов в электронных схемах, которые обычно спаяны, изготовлены на печатных платах; произвести какой-либо разрыв в них практически невозможно.
Обычно для измерения токов в этих случаях используют вольтметры (обычно электронные с большим внутренним сопротивлением для устранения влияния прибора на работу электронной схемы), подключая их к резисторам схемы, величины которых либо известны, либо м.б. предварительно измерены.
Воспользовавшись законом Ома, можно определить силу тока: I = U/R.
Измерение сопротивлений
Часто при работе с электрическими установками или при наладке электронных схем необходимо производить измерение различных сопротивлений.
Простейший способ измерения сопротивления заключается в использовании двух измерительных приборов: амперметра и вольтметра.
С их помощью измеряют напряжение и ток в сопротивлении R, подключенном к источнику питания, и по закону Ома находят величину искомого сопротивления:
R = U/I.
Однако этот способ измерения сопротивлений не позволяет получить результаты измерения с высокой точностью, т.к. на результаты измерения оказывают влияние собственные внутренние сопротивления амперметра и вольтметра.
Рисунок 4 – Схема для измерения сопротивлений методом амперметра и вольтметра (а) и схема омметра (б).
Так, на приведенной на рис. 4, а схеме амперметр измеряет не только ток, проходящий через вольтметр, чем вносится методическая погрешность измерений.
Этим способом производят измерение обычно в тех случаях, когда нет специальных приборов – омметров.
Одна из возможных схем омметра (рис. 4, б) – последовательная, она состоит из автономного источника питания Е, переменного резистора R и миллиамперметра магнитоэлектрического типа РА.
В качестве источника питания обычно используют сухие элементы или батареи напряжением 1,4…4,5 В.
Если к выводам прибора подключить сопротивление Rx, величину которого необходимо определить, то по цепи пойдет ток, величина которого будет зависеть от величины сопротивления.
Т.к. миллиамперметр измеряет этот ток, то его шкала м.б. непосредственно отградуирована в Омах.
Шкала у такого омметра обратная, т.е. нуль находится в правой части шкалы, т.к. при сопротивлении на входе, равном нулю (режим короткого замыкания), через амперметр будет протекать максимальный ток.
Если внешняя цепь разорвана, что соответствует бесконечно большому сопротивлению на входе, то стрелка миллиамперметра будет находиться в самой левой части шкалы, где стоит знак ∞.
Шкала такого омметра резко нелинейная, что в какой-то мере затрудняет считывание результатов.
Переменный резистор омметра служит для установки прибора на нуль перед началом работы с ним.
Для этого замыкают выводы омметра накоротко и, вращая ручку переменного резистора, добиваются нулевых показаний прибора.
Т.к. ЭДС элемента питания с течением времени за счет разряда уменьшается, такую установку нуля необходимо периодически контролировать.
С помощью подобных омметров можно измерять сопротивления от нескольких омов до сотен килоомов.
Измерение больших сопротивлений до 100 МОм обычно производится с помощью мегомметров (рис. 5, а).
Рисунок 5 – Схема мегомметра (а) и электрического моста (б).
В своем классическом виде он представляет собой комбинацию автономного источника питания и измерительного прибора – логометра.
Логометр – разновидность магнитоэлектрического прибора, у которого вместо одной рамки имеются две, соединенные жестко между собой под некоторым углом.
Так же, как и в обычном магнитоэлектрическом приборе, с ними связана стрелка прибора и находятся они в магнитном поле постоянного магнита.
При пропускании тока через обмотки рамок они создают вращающие моменты противоположных знаков, в результате чего положение стрелки будет зависеть от отношения токов в рамках.
В цепь одной из рамок включен резистор R, а в цепь другой – сопротивление Rх, величина которого д.б. определена.
Применение логометра объясняется тем, что его показания определяются только отношением токов в рамках и не зависят от изменения питающего напряжения Uпит.
В качестве источника напряжения для мегомметра используют любой индуктор, приводимый во вращение рукой оператора, либо аккумуляторную батарею с электронным преобразователем напряжения.
Такая система питания определяется тем, что для работы прибора требуются большие напряжения – порядка 500 В, т.к. при меньших напряжениях токи в обмотках прибора были бы слишком малыми для его нормальной работы.
Использование автономного источника питания диктуется тем, что мегомметром часто измеряют сопротивление изоляции кабелей; при этом, естественно, напряжение в них бывает отключенным.
Кроме того, с его помощью часто проводят измерения вне помещений, где нет электрической сети.
Измерение малых сопротивлений (меньше 1 Ом), а также измерения других сопротивлений в широком диапазоне значений с высокой точностью могут проводиться с помощью электрических мостов.
Электрический мост (рис. 5, б) представляет собой четыре сопротивления (одно из них - Rх подлежит измерению), включенные по кольцевой схеме.
Каждое из сопротивлений образует плечо моста.
В одну диагональ моста подают постоянное напряжение питания Uпит, а к другой подключается измерительный прибор – гальванометр Р.
Он представляет собой высокочувствительный магнитоэлектрический прибор с нулем посередине шкалы.
Его назначение – фиксировать момент, когда ток будет отсутствовать.
Приборы подобного типа часто называют нуль индикаторами.
Одно или два сопротивления в плечах моста делаются переменными, и именно ими добиваются нулевых показаний прибора.
Мост при этом считается сбалансированным.
Как показывает теория электрических мостов, условие баланса достигается при равенстве произведения сопротивлений противоположных плеч, т.е. при условии R1Rx = R2R3.
Следовательно, после балансировки моста можно, зная величины всех сопротивлений, определить значение неизвестного сопротивления
где N = R2/R1 – множитель.
Точность измерения с помощью мостов постоянного тока м.б. очень велика.
Результирующие значения сопротивлений могут иметь более пяти значащих цифр.
В то же время мост не позволяет оперативно производить измерения, т.к. процесс балансировки требует определенного времени и навыка оператора.