Лекция 02 Тема: Измерение тока и напряжения План 1. Общие сведения об измерении тока. 2. Методы измерения тока. 3.Электромеханические амперметры. 4. Общие сведения об измерении напряжения. 5.Методы измерения напряжения 6.Электромеханические вольтметры. 7. Термоэлектрические и выпрямительные приборы. 8. Электронные вольтметры. 9. Цифровые электронные вольтметры. 1. Измерение силы тока протекающего по электрической цепи осуществляется с помощью амперметра. Перед измерением тока необходимо иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности значения и о сопротивлении цепи, в которой производится измерение. 2. Для измерения тока применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения. Метод непосредственной оценки осуществляется с помощью прямопоказывающих приборов – амперметров. Амперметр включают последовательно нагрузке в разрыв цепи, чтобы прибор не оказывал влияние на режим работы цепи, необходимо чтобы его внутреннее сопротивление было маленьким. R Рисунок 1 Схема включения амперметра Метод сравнения обеспечивает более высокую точность. 3. Электромеханические амперметры выполняют на основе магнитоэлектрических, ферродинамических, электродинамических, электромагнитных механизмов. В магнитоэлектрических амперметрах обмотка подводимой катушки выполняется из тонкого провода, поэтому магнитоэлектрические амперметры могут непосредственно измерять только микро- или мили амперы. Для измерения больших постоянных токов параллельно зажимам подключается электрический шунт, представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов свыше 50А применяются наружные шунты. Шунты изготавливают однопредельными или многопредельными. Шунтированный амперметр, в следствие неточности изготовления шунтов имеет более высокую погрешность В электродинамических и ферродинамичсеких амперметрах обе катушки соединяют параллельно или последовательно. I I I I Рисунок. 2 Соединение катушек ЭДМ для измерения тока. Переносные амперметры имеют шкалы от 5мА до 10А. Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают с пределами измерения от 1 до 200А. Расширение пределов до 6кА осуществляют при помощи измерительных трансформаторов тока. В электромагнитных амперметрах катушку изготавливают из медного провода, расчитанного на номинальное значение тока 5А. Число витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе. Щитовые амперметры изготавливают со шкалами от 100мА до 500А. Для расширения пределов измерения переменного тока применяют измерительные трансформаторы. Электростатические механизмы для построения амперметров не используют. 4. Измерение напряжения, действующего на каком либо участке электрической цепи или подводимого к потребителю электрической энергии, производится с помощью вольтметра. Перед измерения напряжения нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и о сопротивлении цепи, в которой производится измерения 5. Для измерения напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения. Метод непосредственной оценки осуществляют с помощью прямопоказывающих приборов-вольтметров со шкалами градурироваными в единицах измеряемой величины (вольтах) Вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, падение напряжение на котором нужно измерить. Что бы прибор не оказывал влияние на режим работы цепи, необходимо чтобы внутренние сопротивление вольтметра было во много раз больше сопротивления нагрузки RH (RV ≥ RH) Не выполнение этого условия приведет к систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадет со значением отношений RH / RV Рис 1. Измерение напряжений вольтметрами. На практике, при помере повреждений в электрических цепях величины напряжений на различных участках цепи измеряют одни вольтметром, присоединяя его к различным точкам цепи. Рис 2. Измерение напряжения на различных участках одним вольтметром. Условие RV ≥ RH особенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивление в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры. Такие вольтметры работают на методе сравнения. Метод сравнения обеспечивает более высокую точность. Приборы, работающие на этом методе имеют большое входное сопротивление. 6.Электромеханические магнитоэлектрических, вольтметры выполняют электродинамических, на основе ферродинамических, электромагнитных ,электростатических измерительных механизмов. В магнитоэлектрических вольтметрах магнитоэлектрический механизм включают параллельно участку электрической цепи. Сопротивление обмотки подвижной катушки мало, поэтому при измерении больших напряжений последовательно измерительному механизму включают добавочные сопротивления. Вольтметры МЭС измеряют только постоянное напряжение. Рис. 3 Схема расширения пределов вольтметра В электромагнитных вольтметрах катушку изготовляют из большого числа витков тонкого медного провода, достаточного для постоянного отклонения указателя при данном значения тока. Ворльтметры электромагнитной системы измеряют постоянное и переменное напряжения. Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В и добавочными сопротивлениями на 450, 600, 750 В: класс точности 1,5 Для измерения более высоких напряжений до 15 кВ на рабочей частоте 50 Гц применяют измерительные трансформаторы напряжения. Электродинамические вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносимые от 7,5 до 600 В. Измеряют постоянное и переменное напряжения. Для расширения пределов измерения до 30 кВ применяют измерительные трансформаторы напряжения. В Ферродинамических вольтметрах неподвижные катушки заключены в сердечник из ферромагнитного материала, что обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей, по наличие сердечника приводит к увеличению погрешности прибора. При использовании электродинамической и ферродинамической системы в качестве вольтметра катушки соединяют так, как указано на рисунке 4. U U Rд Рис 4. Соединение катушка ЭДС для работы ее в качестве вольтметра. Электростатические вольтметр выполняют щитовых и переносных вольтметров и киловольтметров для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 20 Гц до 30 МГц. 7.Выпрямительные и термоэлектрические приборы Переменные напряжения и токи широко используются во всех областях экономики. Наиболее полной информационной характеристикой переменного тока есть кривая тока или напряжения в течение периода. На практике чаще всего достаточно знать основные параметры переменных токов и напряжений: среднеквадратическое (действующие) значение, средневыпрямленное, амплитудное (пиковое), среднее. Пиковое значение Um. – это наибольшее мгновенное значение напряжения за период. Среднее значение Uср. за период (постоянная составляющая напряжения) – это среднее арифметическое мгновенных значений за период. Средневыпрямленное значение Uсв. (рассматривается двухполупериодное выпрямление напряжения) – среднее арифметическое из абсолютных мгновенных значений. Среднеквадратическое значение U за период определяется как корень квадратный из среднего значения квадрата напряжения. Связь между пиковым (амплитудным), среднеквадратическим и средневыпрямленным значениями напряжения данной конкретной формы устанавливают через коэффициенты амплитуды Ка = Um/U и коэффициента формы кривой Кф = U/Ucв Для синусоидальной формы напряжения. Ка = 1.41 Кф = 1.11 Значение Ка и Кф для других форм напряжения смотреть Таблица 61 стр. 99 в учебном пособии «Практикум по электрорадиоизмерениям» Ц.Ю.Зайчик, Б.И.Зайчик. Выпрямительные преобразователи являются преобразователями средних значений переменных токов и напряжений. Различают однополупериодные и двухполупериодные схемы выпрямления. Наиболее широкое распространение получили мостовые схемы выпрямления. Рис.5 Схема выпрямительного преобразователя. Рис.6 Осциллограммы кривых до преобразования и после. Переменное входное напряжение подается на одну диагональ моста, а выходное пульсирующее напряжение снимается с другой диагонали. В течение положительного полупериода входного напряжения диоды Vд1 и Vд4 открыты, а диоды Vд2 и Vд3 заперты. В течение отрицательного полупериода Vд1 и Vд4 закрыты, а Vд2 и Vд3 открыты. Через нагрузку в оба полупериода проходит ток, если в качестве нагрузки включить магнитоэлектрический измерительный механизм, то можно получить выпрямительный измерительный прибор, способный измерять переменный ток и напряжение. Шкалы приборов градуируют в действующих значениях при синусоидальном токе. При отклонении формы кривой измеряемого тока (напряжения) от синусоидальной в показаниях приборов возникает погрешность. Для расширения пределов измерения приборов по току и напряжению применяют шунты и добавочные сопротивления. Для уменьшения температурной погрешности применяют различные схемы температурной компенсации. Для компенсации частотной погрешности параллельно добавочным сопротивлениям включают емкости. Промышленностью выпускаются многопредельные выпрямительные ампервольтметры показывающие и самопишущие. Достоинства выпрямительных чувствительность; малое собственное частотный диапазон (до 200 кГц). вольтметров – высокая потребление мощности; узкий Недостатки – невысокая точность и зависимость показаний от формы кривой. В настоящее время для уменьшения погрешностей выпрямительных приборов, применяют активные выпрямители на основе операционных усилителей. Термоэлектрические преобразователи являются преобразователями среднеквадратических значений переменных токов и напряжений. Термоэлектрический преобразователь состоит из термопары и нагревателя. В качестве нагревателя используется тонкая проволока (нихром, константан). Термопары хромель – копель или золото – палладий, платина – платинородий. Различают контактные и бесконтактные термопреобразователи. При прохождении измеряемого тока по нагревателю, на термопаре возникает ТермоЭДС, пропорциональная количеству теплоты, выделенной измеряемым током в месте присоединения спая. Количество теплоты пропорционально квадрату измеряемого тока. Ток в цепи измерительного механизма I1 = E/R, где Е – термо-ЭДС; R – полное сопротивление цепи прибора. Сочетание термоэлектрического преобразователя магнитоэлектрическим прибором – термоэлектрический прибор. с Для расширения пределов измерения термоэлектрических амперметров используют специальные ВЧ экранированные трансформаторы тока. В термоэлектрических сопротивления. вольтметрах включают добавочные Достоинства: высокая точность измерения в широком диапазоне частот; независимость показаний от формы кривой тока и напряжений. Недостатки – малая перегрузочная способность; большое собственное потребление мощности; неравномерная шкала. Электронные вольтметры --распространенные электрорадиоизмерительные приборы .которые предназначены для измерения постоянных и переменных напряжений. Они имеют высокую чувствительность, большое входное сопротивление, малую входную емкость и работают в широком диапазоне частот. Электронным вольтметром называется измерительный прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, то есть энергией источника питания вольтметра. Электронные вольтметры подразделяют на: Вольтметры для поверки (В1) Вольтметры постоянного тока (В2) Вольтметры переменного тока (В3) Вольтметры импульсные (В4) Вольтметры селективные (В6) Вольтметры универсальные (В7) Вольтметры электронные аналоговые переменного тока делят: 2.1.по характеру измеряемого напряжения: а) вольтметры, которые измеряют среднеквадратическое (действующее) значение;U б) вольтметры, которые измеряют средневыпрямленное значение;Ucр в) вольтметры, которые измеряют амплитудное значение.Um 2.2. По частотному диапазону вольтметры разделяют: на низкочастотные, высокочастотные и СВЧ. 2.3. По схеме входа: с открытым и закрытым входом 2.4. По отображению информации электронные вольтметры разделяют на: аналоговые (стрелочные) и цифровые. 2.5. По точности электронные вольтметры имеют классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0. Аналоговые электронные вольтметры переменного тока выполняют в основном по двум структурным схемам: детектор-усилитель и усилительдетектор. ВхУ Детектор Упост.Т МЭС 1.1 ВхУ Упер.Т Детектор МЭС 1.2 Рис 7. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров Вольтметры среднеквадратических значений обеспечивают высокую точность измерения напряжений, которые имеют большое количество гармонических составляющих. Такие вольтметры строятся по структурной схеме 1.2 (рис.1),в качестве преобразователей используют преобразователи действующих значений (ПДЗ). ПДЗ используемые в электронных вольтметрах содержат в себе компараторную схему с термоэлектрическими преобразователями. По этой же схеме строятся вольтметры средневыпрямленных значений, они обеспечивают высокую точность при измерении напряжений с малым уровнем высших гармонических составляющих. Преобразователи средневыпрямленных значений (ПСЗ) строятся на основе усилителей переменного тока, охваченных ООС по току, в качестве нагрузки используется двухполупериодная выпрямительная цепь с магнитоэлектрическим механизмом. Входное устройство представляет собой катодный повторитель, который выполняется в виде выносного пробника, связанного с другой частью усилителя кабелем. Выбор границы измерения осуществляется делителем напряжения, включенным между двумя усилителями переменного напряжения.. Вольтметры, построенные по структурной схеме второй 1.2(рис.1), характеризуются высокой чувствительностью, частотный диапазон лежит в пределах 10 Гц-50Мгц. Вольтметры амплитудных значений отличаются самым большим диапазоном частот 10Гц-1000МГЦ, широким диапазоном измеренных напряжений от частиц милливольт до 1000В. Строятся по структурной схеме 1.2 (рис.1).В качестве преобразователя используется амплитудный преобразователь с открытым или закрытым входом. а. б. Рис8. а - ПАЗ с открытым входом; б - ПАЗ с закрытым входом. Преобразователь амплитудных значений выполнен в виде выносного пробника, который дает возможность делать измерения непосредственно у источника сигнала. Усилители, применяемые в электронных вольтметрах влияют на метрологические характеристики (чувствительность, диапазон частот измеренных напряжений, в значительной мере на погрешность прибора). Основным узлом вольтметра переменного тока есть преобразователь переменного тока в постоянный, исходное напряжение которого пропорционально одному из значений переменного напряжения: амплитудному, средневыпрямленному и среднеквадратическому. Тип преобразователя также влияет на метрологические характеристики (чувствительность, характер шкалы, входное сопротивление, схему входа). Импульсные вольтметры используются для измерения амплитуды периодической последовательности импульсов. Строятся такие вольтметры по схемам вольтметров амплитудных значений. С помощью таких вольтметров можно измерять амплитуду импульсов, которые имеют скважность Q от 2000- 5000 при продолжительности импульсов 0,1 Мкс и выше. Селективные вольтметры предназначены для измерения напряжения отдельных составляющих спектра сложного сигнала, значения сигнала в присутствии помех, наводки в электрических цепях, для определения ослабления электромагнитных полей соответствующими экранами, для исследованияспертральной плотности шумовых сигналов. В селективных цепях используются встроенные узкополосные фильтры. Селективные вольтметры бывают: НЧ селективный мікровольтметр; ВЧ селективный микровольтметр. Цифровые вольтметры - приборы с цифровым ОУ. Они предназначены для измерения напряжения постоянной или медленно изменяющейся за такт измерения величины. При измерении переменного напряжения, оно предварительно преобразуется в постоянное. Промышленностью выпускаются ЦВ постоянного тока, универсальные (для переменного и постоянного напряжения) и импульсные. По сравнению с аналоговыми, цифровые вольтметры имеют ряд преимуществ: 1. высокую точность измерений, т.к. принцип действия большинства приборов основан на методе сравнения и цифровой отсчёт исключает погрешность считывания. 2. широкий диапазон измеряемых напряжений (от 1 мВ до 1000 В). 3. индикация результатов в цифровой индикации. 4. автоматизированный процесс измерения: т.к. ЦВ обычно имеют: автоматическое управление родом работ, режимов, временем или циклом измерения, выбором пределов. 5. быстродействие (от нескольких тысяч в секунду). 6. возможность подключения цифропечатающего устройства, 7. возможность ввода информации об измеримых величинах в ЭВМ. Использование современной элементной базы позволяет значительно уменьшить габариты, стоимость, повысить надёжность. Принцип работы цифрового прибора основан на преобразовании непрерывных, аналоговых величин в числовой эквивалент (цифру). Обобщённая схема(рис.1) имеет вид: Рис. 9 Аналого-цифровые преобразования в ЦВ осуществляются при сравнении измеряемого напряжения с образцовым. В зависимости от типа элементов преобразователей ЦВ бывают: 1. Электромеханические (контактные), в которых применяются различные электромеханические элементы и устройства (реле, шаговые искатели). 2. Электронные, в схемах которых применяются только бесконтактные электронные устройства. По методу аналого-цифрового преобразователя различают следующие виды ЦВ: 1. 2. 3. 4. ЦВ с время-импульсным преобразованием. ЦВ с частотным преобразованием. ЦВ с двойным интегрированием. ЦВ с позарядным уравновешиванием. Упрощённая структурная схема ЦВ с время-импульсным преобразованием(рис.9) Рис. 10 Структурная схема ЦВ с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени Т, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования. Вольтметр работает циклами, длительность которых Т устанавливаются с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск. В начале цикла импульс управляющего устройства запускает генератор линейно-подающего образцового напряжения ГЛН и сбрасывает показания предыдущего цикла, заполнявшие электронный счётчик ЭСи. Входное напряжение Ux и образцовое напряжение Uo6p поступают на входы сравнивающего устройства СУ1, и в момент их равенства t1 на входе последнего возникает импульс, открывающий временный селектор ВС; через него на электронный счётчик начинают проходить импульсы от генератора счётных импульсов ГсчИ, с частотой fcr или периода Тсч. В момент времени t2, когда образцовое напряжение достигает нуля, второе сравнивающее устройство СУ2 вырабатывает импульс, закрывающий временной селектор; прохождение счётных импульсов прекращается, и на табло цифрового индикатора ЦИ появляются показания, пропорциональные числу счётных импульсов, прошедших через ВС за интервал времени T=t2t1. Из диаграммы напряжений следует, что Ux= T tgB, T=NTсч=N/fсч. Множитель tgB численно равен скорости V изменения образцового напряжения в/с. Подставляя Т и V получаем Ux=VN/fcч=RN, где R=V/fcч=const. Коэффициент k устанавливается равным 10-m, где m=0, 1, 2,... Показатель степени m изменяется при переключении пределов измерения, что отражается в положении замкнутой в цифровом отсчёте. Погрешность измерения возникает вследствие нелинейности измерения линейнопадающего напряжения, нестабильности порога срабатывания сравнивающих устройств и возможности потери счётного импульса, т.е. погрешности дискретности. Основная погрешность составляет обычно 0,1%. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменения момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота. Рис. 11Осциллограмы, поясняющие принцип работы ЦВ. Временные диаграммы, поясняющие работу ЦВ с время-импульсным преобразователем. Литература : Н.В. Кушнир Электрорадиоизмерения стр 39-70. 1. 53-75,75-96. 2. Б.П.Хромой, Ю.Г.Моисеев "Электрорадиоизмерения" стр. 70-92 3. Р.М.Демидова-Панферова, В.Н.Малиновский «Электрические измерения» 1982г. Стр.82-100 Контрольные вопросы. 1.Как включают амперметр в схеме относительно нагрузки? 2.Каким должно быть внутреннее сопротивление амперметра? 3.Устройство магнитоэлектрической системы. 4. Принцип работы электродинамической системы. 5. Достоинства и недостатки магнитоэлектрической системы. 6. Почему магнитоэлектрическая система применяется только в цепях постоянного тока? 7. С какой целью применяют шунты МЭ амперметрах? 8. Условные графические обозначения, наносимые на шкалу прибора. 9. Устройство электромагнитной системы 10. Какая электромеханическая система применяется в качестве индикатора в выпрямительных и термоэлектрических приборах? 11. Назовите недостатки выпрямительных приборов. 12.Составьте схему структурную термоэлектрического прибора. 13.Достоинства термоэлектрических приборов. 14.Как Вы понимаете, что такое импульсное значение напряжения? 15.Чем отличается импульсное значение напряжения от действующего? 16. Назначение импульсных вольтметров. 17. Назначение селективных вольтметров. 18. Как подразделяются селективные вольтметры по частотному диапазону? 19. Какой тип преобразователя используется в импульсных вольтметрах? 20. Назначение селективных вольтметров. 2 1.Принцип работы цифровых вольтметров. 2 2.Разновидности аналоговых электронных вольтметров. 2 3.Назначение сравнивающего устройства в цифровом вольтметре с времяимпульсным преобразованием. 2 4.Форма сигнала, которую выдает генератор счетных импуьсов. 2 5.В какой момент срабатывает СУ2.