Измерение тока и напряжения

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Схемы включения амперметра и вольтметра

Измерение тока и напряженияПоказание амперметра определяется током в его измерительном механизме. Поэтому для измерения тока в каком-либо участке электрической цепи, приемнике или генераторе амперметр надо включить так, чтобы измеряемый ток проходил через него. Следовательно, амперметр включается последовательно с приемником, генератором или участком цепи (рис. 7-7).

Рис. 7-7. Включение амперметров и вольтметров.

Включение амперметра не должно изменить режим работы цепи» следовательно, сопротивление его должно быть малым по сравнению с сопротивлением приемника или участка цепи. При малом сопротивлении амперметра (ra) и номинальном токе его (Ia,н) мала и номинальная мощность потерь в нем

Рa.н = I2а.нra

Если измеряемый ток больше номинального тока измерительного механизма (амперметра), то для расширения предела измерения тока в цепях постоянного тока применяют шунты, рассмотренные ниже, а в цепях переменного тока — трансфо рматоры тока.

Показание вольтметра определяется напряжением на его зажимах. Поэтому для измерения напряжения на зажимах приемника или генератора необходимо его зажимы соединить с зажимами вольтметра, т. е. присоединить вольтметр п араллельно потребителю или генератору (рис. 7-7).

Сопротивление вольтметра должно быть большим по сравнению с сопротивлением приемника энергии (генератора), параллельно которому он включается с тем, чтобы его включение не влияло на измеряемое напряжение (на режим работы цепи). При большом сопротивлении вольтметра (ra) номинальный ток ero(Iв,н) мал, мала и номинальная мощность потерь в нем (Рв,н), так как

Iв.н = Uв.н /rв и Рв.н =U2в.н /rв

Напряжение на зажимах измерительного механизма

Uи = Iиrи

Так как сопротивление медной обмотки измерительного механизма rи изменяется на 4% при изменении температуры на 10° С, то напряжение Uи не пропорционально току Iи, а следовательно, и углу поворота подвижной части. Таким образом, точное измерение напряжения невозможно.

Включив последовательно с измерительным механизмом большое добавочное сопротивление (rД rииз манганина, температурный коэффициент которого близок к нулю, получим сопротивление вольтметра rвrиrД практически независимым от температуры.

Таким образом, угол поворота подвижной части вольтметра будет пропорционален не только току, но и напряжению на зажимах

Uв = Iи(rи + rд) = Iиrв = Iиconst.

Добавочное сопротивление, кроме того, применяется для увеличения номинального напряжения вольтметра, так как номинальное напряжение измерительного механизма обычно мало.

Для расширения предела измерения напряжения в цепях переменного тока высокого напряжения наряду с добавочным сопротивлением применяют измерительные трансформаторы напряжения.

Из изложенного следует, что амперметр и вольтметр могут иметь измерительные механизмы одинакового устройства, отличающиеся только своими параметрами. Но амперметр и вольтметр по разному включаются в измеряемую цепь и имеют разные внутренние измерительные схемы.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры

Выше указывалось, что наибольший номинальный ток, на который изготовляются магнитоэлектрические измерительные механизмы, не превышает 100 ма. Таким образом, магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов (гальванометры, микроамперметры, миллиамперметры) представляют собой измерительный механизм, катушка которого присоединена к зажимам прибора, расположенным на его корпусе, а на шкалах непосредственно наносятся значения измеряемого тока.

Измерительный механизм с шунтом

Рис. 7-8. Измерительный механизм с шунтом.

Магнитоэлектрический амперметр представляет собой измерительный механизм той же системы с шунтом для расширения предела измерения тока. Шунт присоединяется параллельно измерительному механизму (рис. 7-8).

Измеряемый ток в узле а делится на две части: ток шунта Iɯ и ток измерительного механизма IиПадение напряжения на разветвлении (рис. 7-8)

Uаб = Iиrи = I((rиrш)/rи+rш)

откуда

I = Iи((rи+rш) /rш) = Iиp

Амперметр с многопредельным шунтом

Рис. 7-9. Амперметр с многопредельным шунтом.

При постоянных значениях сопротивления шунта rш и сопротивлении измерителя rи измеряемым током итоком измерительного механизма Iи будет постоянное отношение р.. Следовательно, по углу поворота подвижной части измерительного механизма можно определять измеряемый ток. Шунты должны иметь достаточное сечение, исключающее возможность их нагревания и связанных с этим погрешностей, Шунты на токи до 25—50 а обычно помещаются в кожухе прибора, а на большие токи — вне прибора отдельно от него.

Технические амперметры имеют однопредельные шунты, а образцовые и лабораторные—многопредельные (рис. 7-9).

Рис. 7-10. Измерительный механизм с добавочным сопротивлениемИзмерительный механизм с добавочным сопротивлением

Различные пределы измерения получаются изменением сопротивления шунта при перестановке штепселя из одного гнездами другое. Магнитоэлектрический вольтметр представляет собой измерительный механизм той же системы с добавочным сопротивлением для расширения предела измерения напряжения (рис. 7-10). На шкале вольтметра наносятся деления, дающие значения напряжения на его зажимах:

U = I(rи + rд)

которое больше напряжений на измерительном механизме

Uи = Irи в р = (rи + rд)/rи раз

Технические вольтметры имеют однопредельное, а образцовые и лабораторные — многопредельные добавочные сопротивления (рис. 7-11). Различные номинальные напряжения получаются использованием различных добавочных сопротивлении, что достигается переносом одного из проводов с одного зажима вольтметра на другой, или переключением переключателя или штепселя.

Вольтметр с многопредельным добавочным сопротивлением

Рис 7-11. Вольтметр с многопредельным добавочным сопротивлением.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры изготовляются как образцовые и лабораторные (класс точности 0,1—0,5), так и технические (класс 1—2,5).

Они обладают высокой чувствительностью, малым влиянием внешних магнитных полей, незначительным влиянием температуры, малой мощностью потерь, чувствительностью к перегрузкам.

Выпрямительные амперметры и вольтметры

Выпрямительные амперметры представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковым выпрямителем (рис. 7-12).

В течение одного пол у пер иода ток идет по пути абгв, в течение второго пол у периода по пути вбга. Следовательно, через измерительный механизм в течение каждого полупериода переменного тока проходит полуволна тока одного и того же направления. Средний вращающий момент и угол поворота подвижной части зависят от среднего тока, а этот последний при синусоидальном токе пропорционален действующему значению тока, значения которого и наносятся на шкале амперметра.

Расширение предела измерения тока достигается применением шунтов.

Схема выпрямительного амперметра и кривая тока в измерительном механизме

Рис. 7-12. Схема выпрямительного амперметра и кривая тока в измерительном механизме.

Выпрямительные вольтметры представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковым выпрямителем и добавочным сопротивлением (рис. 7-13).

Угол поворота подвижной части, как и у амперметра, при синусоидальной измеряемой величине пропорционален действующему значению тока, а при постоянном сопротивлении вольтметра — действующему значению напряжения,  которые и наносятся на шкале вольтметра.

Выпрямительные амперметры и вольтметры имеют класс точности 1,5—2,5. Они применяются главным образом в цепях переменного тока повышенной частоты до 10 кгц.

Схема выпрямительного вольтметра

Рис 7.13 Схема выпрямительного вольтметра

Термоэлектрические амперметры и вольтметры

Термоэлектрический амперметр представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с термопреобразователем (рис. 7-14), а вольтметр, кроме того, имеет добавочное сопротивление.

Два сваренных конца двух проводов из разных металлов называются термопарой. Несваренные концы термопары называются с в о б о д н ы м и, сваренные — рабочими.

При нагреве рабочих концов термопары на свободных концах появится разность потенциалов называемая термоэлектродвижущей силой — термо-э д. с. Термо-э. д. с. зависит от металлов, образующих термопару, и разности температур между рабочими и свободными концами термопары, а при постоянной температуре свободных концов — от температуры рабочего конца термопары. Приварив к рабочему концу термопары проводник — нагреватель, получим термопреобразователь.

Термоэлектрический амперметр

Рис. 7-14. Термоэлектрический амперметр.

При прохождении переменного тока по нагревателю он нагревается, нагревает рабочий конец термопары и на свободных концах ее появится термо-э. д. с. Если к этим концам присоединен измерительный механизм, то в нем появится ток и подвижная часть повернется на угол зависящий как от термо-э. д. с.,так и от измеряемого переменного тока, проходящего по нагревателю. На шкале амперметра наносятся действующие значения тока.

Вольтметр отличается от амперметра добавочным сопротивлением, соединенным последовательно с нагревателем термопреобразователя. В этом случае угол поворота подвижной части зависит не только от тока, но и от напряжения на зажимах вольтметра. На шкале наносится действующее значение этого напряжения.

Точность термоэлектрических приборов соответствует классам 1,5—2,5.

Термоэлектрические приборы применяются в цепях переменного тока повышенной и высокой частоты (до 10— 50 Мгц).

Электромагнитные амперметры и вольтметры

Показание электромагнитного измерительного механизма зависит от тока в его катушке, значения которого и наносятся на шкале амперметра. Катушка электромагнитного амперметра неподвижна вес ее не влияет на погрешность от трения, поэтому она может быть изготовлена из провода любого сечения и, следовательно, на любой номинальный ток. Щитовые амперметры изготовляются нашими заводами на номинальный ток до 300 а.

Схема электродинамического миллиамперметра

Рис. 7-15. Схема электродинамического миллиамперметра.

Электромагнитный вольтметр состоит из одноименного измерительного механизма на номинальный ток 20—30 ма и последовательно соединенного с ним добавочного сопротивления из манганина (рис. 7-10).Добавочное сопротивление — активное и несоизмеримо больше реактивного сопротивления катушки измерительного механизма, поэтому общее сопротивление вольтметра практически активное и мало зависит от рода тока и частоты. При постоянном сопротивлении вольтметра угол поворота подвижной части зависит не только от тока в катушке, но и пропорционального ему напряжения на зажимах вольтметра, значения которого и наносятся на шкале прибора.

Электромагнитные амперметры и вольтметры широко применяются в установках переменного тока технической частоты как щитовые, приборы классов точности 1,5—2,5. Наша промышленность наряду с техническими приборами выпускает также переносные амперметры и вольтметры для постоянного и переменного тока класса точности 0,5,

Электродинамические и ферродинамические амперметры  и вольтметры

Электродинамический амперметр представляет собой измерительный механизм того же названия, катушки которого соединены последовательно или параллельно в зависимости от его номинального тока, а на шкале нанесены деления, соответствующие значениям тока, проходящего по амперметру.

Подвижная катушка для уменьшения погрешности от трения делается легкой из провода малого сечения на номинальный ток не выше 100 ма. Неподвижную катушку изготовляют из провода разного сечения в зависимости от номинального тока, который может быть 5 а и выше. Поэтому в миллиамперметрах катушки соединяются последовательно (рис. 7-15), а в амперметрах — параллельно (рис. 7-16).

Схема электродинамического амперметра

Рис. 7-16. Схема электродинамического амперметра.

При последовательном соединении катушек токи в них одинаковы и совпадают по фазе, следовательно, угол поворота подвижной части прибора пропорционален квадрату тока

α = Ʀ1I1I2 cosΨ = Ʀ2I2

При параллельном соединении катушек амперметра и постоянных сопротивлениях ветвей каждый из токов катушек I1 и I2 пропорционален измеряемому току Если, кроме того, активные и реактивные сопротивления ветвей подобраны так, что токи I1 и I2 совпадают по фазам (Ψ — 0), то как и в предыдущем случае угол поворота подвижной части амперметра будет пропорционален квадрату измеряемого тока, т. е.

α = Ʀ1I1I2 cosΨ = Ʀ2I2

Электродинамические вольтметры состоят из измерительного механизма того же названия, катушки которого изготовлены из провода малого сечения на номинальный ток 20—50 ма и соединены последовательно между собой и с добавочным сопротивлением (рис. 7-17).

Схема электродинамического вольтметра

Рис. 7-17. Схема электродинамического вольтметра.

Добавочное сопротивление предназначено для расширения предела измерения напряжения и уменьшения влияния температуры, рода тока и частоты на показание вольтметра.

Электродинамические амперметры и вольтметры изготовляются в качестве образцовых и лабораторных приборов (класс точности 0,1—0,5) для цепей переменного тока стандартной и повышенной частоты до 2 000 гц. Электродинамические приборы обладают высокой точностью и пригодны для постоянного и переменного тока.

Они чувствительны к перегрузкам и к влиянию внешних магнитных полей.

Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют те же внутренние измерительные схемы, что и электродинамические приборы. Они применяются главным образом как самопишущие приборы для цепей переменного тока. Ферродинамические приборы обладают невысокой точностью (класс точности 1,5—2,5), большим вращающим моментом, прочной и надежной конструкцией. Они практически не чувствительны к влиянию внешних магнитных полей.

 

Статья на тему Измерение тока и напряжения