Измерение переменного тока.

Приборы для измерения переменного тока могут быть различными.

Для измерения тока промышленной частоты (50 – 100 Гц) используют в основном приборы непосредственной оценки на основе электромагнитной и электродинамической систем, а также термоэлектрической систем.

В маломощных цепях высоких частот ток измеряется выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми и аналоговыми вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением. Амперметр должен иметь минимальные значения входного сопротивления, индуктивностей и емкостей.

Приборы электромагнитной системы. Принцип действия этих приборов основан на явлении втягивания стальной пластины, соединенной со стрелкой, магнитным полем катушки. Отклонение подвижной части измерительного механизма зависит от квадрата измеряемого тока и может быть использовано для измерения как постоянного, так и переменного тока с частотой не выше 5 кГц. Подбором формы сердечника удается получить практически равномерную шкалу. Амперметры магнитоэлектрической системы выпускаются в качестве щитовых приборов классов точности 0,5, 1,0, 2,5 на частотах до 1500 Гц, и 0,5, 1,0 – до 2400 Гц. Для расширения пределов измерения тока электромагнитным амперметром применяются не шунты, а секционные катушки или трансформаторы. Достоинства – простота конструкции, дешевизна и надежность. Недостатки – малая точность и чувствительность. Электромагнитные амперметры применяют для непосредственного измерения токов до 200 А, катушка измерительного механизма включается последовательно в цепь измеряемого тока. Предел измерения определяется числом витков катушки. Чем выше предел, тем меньше витков из более толстого провода.

Электродинамические приборы. Принцип действия основан на взаимодействии двух магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими по двум катушкам, одна из которых подвижна. В результате взаимодействия магнитных полей катушек и противодействующих пружин, подвижная катушка поворачивается на некоторый угол, пропорциональный токам в катушках. Измеряется этими приборами действующее (среднеквадратическое) значение тока. Схемы включения обмоток катушек различны. При последовательном включении измеряются малые токи (менее 0,5 А), шкала прибора квадратична. При параллельном включении обмоток измеряются большие токи, шкала тоже квадратичная. Электродинамические амперметры выпускаются различных классов точности до 0,1. Применяются в основном на промышленных частотах. Для расширения пределов применяют переключение катушек измерительного механизма с последовательного на параллельное и трансформаторы тока.

Выпрямительные приборы.

Они широко применяются для измерения тока в звуковом диапазоне частот. Принцип действия основан на выпрямительных свойствах диода. Постоянная составляющая выпрямленного диодом тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы. Обычно используются выпрямители однополупериодные и двухполупериодные. Выпрямительные приборы измеряют среднее значение переменного тока, а не среднеквадратическое. Шкалу прибора градуируют в среднеквадратических значениях, поэтому показания пересчитывают через коэффициент формы. Выпрямительные приборы для измерения токов широко применяют как составные элементы комбинированных приборов:тестеров, авометров, используемых для измерения токов, напряжений, сопротивлений. При использовании соответствующих диодов выпрямительные приборы могут применяться в диапазоне СВЧ. Германиевые и кремниевые диоды обеспечивают частотный диапазон до 100 МГц. Основные достоинства выпрямительных приборов – высокая чувствительность, малое собственное потребление и возможность измерения в широком диапазоне частот. Недостаток – невысокая точность. Основные источники погрешностей – изменение параметров диодов со временем. Класс точности выпрямительных приборов 1,5 и 2,5, пределы измерений по току от 2 мА до 600 А, по напряжению от 0,3 до 600 В.

Термоэлектрические приборы.

Они используются для измерения токов высокой частоты. Прибор состоит из термопреобразователя, термоэлемента и измерительного прибора.

Измерительный прибор И выполнен по магнитоэлектрической системе. Простейший термопреобразователь имеет подогреватель 2 и термопару 1 из двух разнородных проводников, спаянных между собой. Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток, то вследствие нагрева спая в цепи термопары и прибора И будет протекать термоток постоянного напряжения. Прибор измеряет действующее значение переменного тока. Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратичной. Чувствительность зависит от материала термопары. Достоинства термоэлектрических приборов – высокая чувствительность, большой диапазон измерения токов, широкий диапазон частот, возможность измерения токов произвольной формы. Недостатки – неравномерность шкалы, которая в начальной части получается сжатой. Кроме того показания зависят от температуры. Общий частотный диапазон термоэлектрических приборов лежит в пределах от 45 Гц до 300 МГц, номинальные токи – от 1 мА до 50 А, классы точности – от 1,0 до 2,5.

Измерение напряжения

Измерение постоянного напряжения

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором надо измерить напряжение. Относительная погрешность измерения напряжения равна
, т.е. чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения.

Измерение постоянного напряжения может быть выполнено любыми измерителями напряжений постоянного тока (магнитоэлектрическими, электродинамическими, электромагнитными, электростатическими, аналоговыми и цифровыми вольтметрами.) Выбор вольтметра обусловлен мощностью объекта измерений и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от долей микровольт до десятков киловольт.

Если необходимая точность может быть обеспечена приборами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственной оценки. При измерении напряжений с более высокой точностью следует использовать приборы, основанные на методе сравнения. При любом методе измерения могут быть использованы аналоговый и цифровой отсчеты.

Приборы непосредственной оценки.

Магнитоэлектрические приборы используются при проверке режимов радиосхем и используются при измерении напряжений в приборах других систем. Кроме того они используются в качестве индикаторов. Вольтметры магнитоэлектрической системы имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но низкое входное сопротивление.

Электростатические вольтметры имеют достоинство малое потребление, независимость от температуры окружающей среды, высокое входное сопротивление, а недостатки – неравномерная шкала и опасность пробоя между пластинами.

Наиболее широко для измерения постоянного напряжения применяют электронные вольтметры. Они могут быть аналоговыми и цифровыми.

Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока.

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного тока имеют высокое входное сопротивление и малое потребление тока от измерительной цепи. На рисунке М2-6 представлена структурная схема аналогового электронного вольтметра.

Рисунок М2-6. Структурная схема аналогового электронного вольтметра постоянного напряжения.

Основными элементами являются входное устройство, усилитель постоянного тока и измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Входное устройство содержит входные зажимы, делитель напряжения, предварительный усилитель. Высокоомный делитель на резисторах служит для расширения пределов измерения. Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствительности вольтметра и является усилителем мощности измеряемого напряжения до значения, необходимого для создания достаточного вращающего момента у измерительного прибора.

К усилителям постоянного напряжения предъявляются такие требования, как высокая линейность характеристики, постоянство коэффициента усиления. Основные технические характеристики вольтметров постоянного тока приведены в таблице М2-3.

Таблица М2-3. Основные технические характеристики вольтметров постоянного тока.

Измерение постоянного напряжения цифровыми приборами.

Цифровые вольтметры все шире применяются для измерения напряжений и токов. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на рис.М2-7.

Рисунок М2-7. Структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму и представляет его цифровым кодом. Цифровое отсчетное устройство регистрирует измеряемую величину.

По типу АЦП цифровые вольтметры делятся на кодоимпульсные и времяимпульсные. Поскольку АЦП преобразует сигнал постоянного тока в цифровой код, цифровые вольтметры считают приборами постоянного напряжения. Для измерения переменного напряжения на выходе вольтметра ставится преобразователь.

По виду измеряемой величины цифровые приборы делятся на приборы:

для измерения постоянного напряжения;

для измерения переменного напряжения;

мультиметры (универсальные вольтметры для измерения напряжения, сопротивления, тока)

Цифровые вольтметры обычно имеют высокое входное сопротивление более 100 Мом, диапазоны измерений 100мВ, 1 В, 10В, 100 В, 1000В. Порог чувствительности на диапазоне 1 00 мВ может быть 10 мкВ.