Меню

Когда при измерениях силы постоянного тока следует использовать метод непосредственной оценки

Метод непосредственной оценки

Лекция 6. Измерение постоянного тока

Измерение тока возможно методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами, а также косвенно. Диапазон значений токов, измеряемых в различных областях электроники, очень широк, от 10 -17 до сотен тысяч ампер.

Метод непосредственной оценки

Амперметр включается последовательно в разрыв цепи. Такое включение амперметра с внутренним сопротивлением Rпр в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) увеличивает общее сопротивление и уменьшает протекающий в цепи ток.

Относительная погрешность измерения тока Ix:

где I — действительное значение тока в цепи до включения амперметра;

Ix — измеренное значение тока в цепи R.

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощностей Рпр и Р потребления соответственно амперметра и самой цепи:

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра Рпр по сравнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен иметь малое сопротивление, т.е. Рпр→0. Для измерения постоянного тока могут быть использованы приборы всех электроизмерительных систем (кроме индукционной и электростатической): магнитоэлектрические, электродинамические, аналоговые и цифровые электронные амперметры. Измерение малых токов осуществляется магнитоэлектрическим измерителем совместно с усилителем постоянного тока (УПТ), высокочувствительными магнитоэлектрическими зеркальными гальванометрами и гальванометрическими компенсаторами.

Магнитоэлектрические приборы благодаря своей простоте и достаточно высокой точности получили наибольшее распространение при измерении постоянного тока. Магнитоэлектрические приборы непосредственно позволяют измерять токи от 0,1 до 300 мА. Для расширения пределов измерения применяются специальные резисторы-шунты, позволяющие в сотни и даже тысячи раз расширять пределы измерения.

Рис. 6.1. Схема включения миллиамперметра в цепь измерения (а) и его эквивалентная схема (б)

При измерении тока в цепи амперметр включается в разрыв цепи (точки А, В на рис. 6.1, а). Эквивалентная схема такого прибора (микро- и миллиамперметра), предназначенных для измерения малых постоянных токов, показана на рис. 6.1, б. Здесь rр — сопротивление обмотки рамки; rп — сопротивление пружинок, через которые подводится ток к рамке; общее сопротивле­ние такого прибора Rnp = rp + 2rп.

Сопротивление шунта Rш выбирается таким образом, чтобы большая часть измеряемого тока Ix протекала по шунту Iш, а остальная часть не превышала допустимого значения для измерительного прибора. При этом сопротивление шунта определяется из равенств IпрRпр = Iш Rш и Ix = Iпр + Iш, откуда Rш = Rпр(Iпр/Iш) = Rпр/(n – 1).

Рис. 6.2. Схема включения миллиамперметра с однопредельным (а), многопредельным (б) шунтов и эквивалентная схема прибора (в)

Основным источником температурных погрешностей является изменение сопротивления измерительной цепи при изменении температуры. Наибольшее влияние температура оказывает на сопротивление обмотки рамки прибора. Температурная погрешность зависит от схемы электрической цепи измерителя. Например, в амперметрах без шунтов изменение температуры вообще не вызывает погрешностей, так как прибор включается в цепь последовательно и его показания будут всегда соответствовать измеряемому току цепи.

Наибольшая погрешность может возникать в амперметрах с шунтами. В этих приборах изменение температуры приводит к перераспределению токов между измерительной рамкой, выполняемой, как правило, из медного провода, и манганиновым шунтом, сопротивление которого практически не зависит от температуры.

Для компенсации температурной погрешности применяются специальные схемы. На рис.6.3 приведены наиболее распространенные схемы температурной компенсации. В приборах невысокого класса точности применяется простейшая схема компенсации температурной погрешности (рис. 6.3, а). Здесь последовательно с обмоткой рамки включено добавочное сопротивление Кд из манганина, в результате чего общее сопроти­вление цепи измерителя мало зависит от температуры.

На рис. 6.3, б приведена схема компенсации температурной погрешности, используемая в приборах высоких классов точности (0,1; 0,2; 0,5). В этой схеме последовательно с медным сопротивлением Rnp рамки измерителя включено манганиновое сопротивление R3.

Рис. 6.3. Схема компенсации температурной погрешности амперметров с шунтом с помощью добавочных сопротивлений (а, б) и термосопротивлений (в).

Сопротивление R1, шунтирующее ветвь измерителя, выполнено из меди или никеля, a R2 — из манганина. В этой схеме изменение тока Iпр за счет изменения сопротивления обмотки рамки компенсируется соответствующим изменением напряжения между точками а и б ветви измерителя.

При повышении температуры вследствие возрастания сопротивлений Rпр и R1, увеличивается общее сопротивление цепи авб, что приводит к уменьшению тока I2. Поскольку сопротивление R2 с увеличением температуры не изменяется, то напряжение на нем uвб = R2I1 уменьшается. Это приводит к увеличению напряжения uаб, так как uав = uаб – uвб, где uаб = RшIш = const. Подбирая сопротивления R1, R2 и R3, можно добиться требуемой температурной компенсации.

Читайте также:  Генератор тока в схемотехнике

В последнее время для компенсации температурной погрешности применяются термосопротивления (RТС) с отрицательным температурным коэффициентом (рис. 6.3, в).

Гальванометры постоянного тока применяются для измерения малых значений токов и напряжений. Гальванометры могут строиться на принципе любой электроизмерительной системы. Массовое распространение получили только гальванометры магнитоэлектрической системы, обеспечивающие высокую чувствительность прибора (10 -11 A по току, 10-8 В по напряжению). Выбор гальванометра определяется требуемой чувствительностью по току или напряжению, соответствием его данной схеме по критическому сопротивлению (сопротивлению, при котором время возвращения указателя гальванометра в нулевое положение — наименьшее). Критическое сопротивление гальванометра желательно иметь на 10 — 20% меньше сопротивления схемы, на которую замкнут гальванометр.

Если критическое сопротивление гальванометра мало, то успокоение колебаний подвижной части будет недостаточно. При критическом сопротивлении, большем сопротивления схемы, гальванометр окажется переуспокоенным.

Чувствительность гальванометра, характер движения подвижной части и время ее успокоения определяются соотношением между конструктивными постоянными гальванометра и сопротивлением внешней цепи, на которую замкнута его рамка. Эти соотношения можно получить при исследовании переходных процессов в гальванометре.

Рис. 6.4. Схема измерения тока с помощью образцового сопротивления

Токи 10 -17 – 10 -6 А можно измерить непосредственно с помощью электрометров (типов В7-29, В7-30 и др.), магнитоэлектрических гальванометров, чувствительность которых может быть повышена специальными усилителями: гальванометрическими, электрометрическими, фотогальванометрическими, образующими совместно с гальванометром гальванометрические компенсаторы.

Источник



Методы измерения напряжения и тока

Для измерения напряжения и тока используют метод непосредственной оценки, при котором числовое значение изме­ряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуиро­ванному в единицах этой величины, и метод сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воз­действия измеряемой величины на какую-либо систему, с воздействием на эту же систему образцовой меры.

Метод непосредственной оценки

Этот метод реализуется с помощью прямопоказывающих приборов. Вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение.

Измерение напряжений всегда сопровождается погрешностью, ве­личина которой зависит от внутреннего сопротивления вольтметра Rv. Включение вольтметра в исследуемую цепь искажает режим работы этой цепи.

Например, напряжение на резисторе R2 до включения вольтме­тра (рис. 4.3)

Рисунок 4.3 – Схема измерения напряжения методом

Напряжение на этом же резисторе после включения вольтметра будет равно

Погрешность измерения в данном случае тем больше, чем меньше сопротивление вольтметра:

Относительную погрешность измерения напряжения можно выра­зить также через мощность Рv, потребляемую вольтметром, и мощ­ность цепи Р:

Следовательно, погрешность от искажения режима работы цепи при измерении напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потребля­емая из цепи, и сопротивление R1.

При непосредственной оценке тока результат измерения (как и при измерении напряжения) сопровождается погрешностью, величина кото­рой зависит от внутреннего сопротивления амперметра RA.

Например, включение амперметра в цепь (рис.4.4) приведет к тому, что вместо тока I = U/R, который протекал в цепи до включения амперметра, будет протекать ток I’ = U/(R+ RA).

Рисунок 4.4 – Схема измерения тока методом непосредственной оценки

Погрешность ∆ = I’ — I тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Относительная погрешность измерения тока в этом случае

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощности РA, потребляемой амперметром, к мощности в самой цепи Р:

Таким образом, погрешность измерения тем меньше, чем меньше RA, т.е. чем меньше мощность, потребляемая амперметром РA, по срав­нению с мощностью потребления цепи, в которой осуществляется из­мерение.

Метод сравнения с мерой

Метод сравнения основан на сравнении измеряемого напряжения с известным напряжением, установленным с высокой точностью. Из об­щеизвестных методов сравнения наибольшее применение при измерении напряжения получил компенсационный метод.

Суть компенсационного метода измерения постоянного напряжения состоит в уравновешивании неизвестного напряжения на образцо­вом сопротивлении R. Момент компенсации определяется по нулевому показанию гальванометра. Принцип действия компенсатора поясняется схемой, приведенной на (рис.4.5), где используется нормальный элемент Ен, вспомогательный источник напряжения Евсп, потенциометр R, пе­реключатель П и гальванометр Г.

Читайте также:  Зависимость скорости плавления металла от полярности тока электрической дуги

Рисунок 4.5 – Схема компенсатора постоянного тока

Измерение напряжения происходит в два этапа.

Переключатель устанавливают в 1-е (верхнее) положение, с помо­щью потенциометра R достигается нулевое показание гальванометра. В этом случае падение напряжения за счет тока I от Евсп на участке аb (Rab) резистора R компенсируется источником Ен:

Переключатель устанавливают во 2-е (нижнее) положение, и с по­мощью потенциометра R вновь уравновешивается схема. При этом дви­жок потенциометра займет новое положение, сопротивление участка аb будет равно R’ab, и будет справедливо равенство

Из равенства токов (4.19) и (4.20) следует, что

Условие равновесия (4.21) показывает, что точность измерения в данном методе зависит от точности, с которой известны ЭДС нормаль­ного элемента Ен и отношение установившихся значений сопротивлений потенциометра, а также чувствительности гальванометра.

Нормальный элемент Ен в рассматриваемой схеме — это электро­химическое устройство, воспроизводящее единицу измерения напряже­ния. Наибольшее распространение получили нормальные элементы с насыщенным электролитом (Ен = 1,01865 В при температуре 20 °С, внутреннее сопротивление 1кОм, ток 1 мкА).

Точность отсчета с потенциометра достигается обычно за счет ис­пользования специальных схем многоразрядных дискретных делителей напряжения.

К достоинствам метода можно отнести:

— в момент компенсации ток от измеряемого источника напряжения
в цепи компенсации отсутствует, т.е. практически измеряется значение ЭДС на зажимах источника напряжения;

— отсутствие тока в цепи гальванометра позволяет исключить влияние
сопротивления соединительных проводов на результат измерения;

— при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется (тока нет).

Метод сравнения применяется также для измерения переменных на­пряжений. Принцип действия схем сравнения на переменном токе также состоит в урав­новешивании измеряемого напряжения известным напряжением, созда­ваемым переменным (обычно синусоидальным) током на активных со­противлениях вспомогательной цепи. Для уравновешивания схемы здесь необходимо добиться равенства модулей измеряемого и сравниваемого напряжений, их частот, а также противоположность фаз. Полного урав­новешивания в таких схемах добиться сложно, поэтому компенсаторы переменного тока имеют меньшую точность измерения по сравнению с компенсаторами постоянного тока.

В зависимости от способа уравновешивания по величине и фазе из­меряемого известного напряжения различают полярно-координатные и прямоугольно-координатные схемы.

Источник

Метод непосредственной оценки

Раздел 4. Измерение тока и напряжения

Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот и импульсных цепях. В цепях постоянного тока наиболее высокая точность измерений, в цепях переменного тока она понижается с повышением частоты.

Выбор приборов, выполняющих измерения тока и напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых:род измеряемого тока; примерные диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон; форма кривой измеряемого напряжения (тока); мощность цепи, в которой осуществляется измерение; мощность потребления прибора; возможная погрешность измерения.

Измерение напряжения выполняют методами непосредственной оценки и сравнения. Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения.

Измерение тока возможно прямое (методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами) и косвенное. При этом напряжение измеряется на резисторе с известным сопротивлением. Для исследования формы и определения мгновенных значений напряжения и тока применяют осциллографы.

Метод непосредственной оценки

Измерение тока этим методом выполняют с помощью амперметров и вольтметров со шкалами, градуированными в единицах измеряемой величины. Амперметр включают последовательно с нагрузкой (в разрыв цепи); вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, падение напряжения на котором нужно измерить (рис. 4.1). На схеме: Rн – сопротивление нагрузки; RА – внутреннее сопротивление амперметра; RV – внутреннее сопротивление вольтметра; R – внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Определим относительную погрешность, возникающую при включении амперметра в электрическую цепь. Требуется измерить ток в цепи, имеющей сопротивление , к которой приложено напряжение U (рис. 4.1, а). Ток в этой цепи, до включения амперметра, равен

После включения амперметра, имеющего сопротивление , ток в цепи изменится и станет равным:

Читайте также:  Основные технические характеристики электрического тока

Амперметр измеряет именно это значение тока. Относительная погрешность измерения тока , вызванная включением амперметра, составит:

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощностей потребления и :

где – мощность, потребляемая амперметром; – мощность, потребляемая в цепи.

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра по сравнению с мощностью потребления цепи , в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т. е. 0.

Рассмотрим случай, когда надо измерить падение напряжения на сопротивлении нагрузки (рис. 4.1, б). В этом случае относительная погрешность измерения напряжения (формула дается без вывода):

где U – действительное значение напряжения на нагрузке до включения вольтметра; – измеренное значение напряжения на нагрузке.

Отношение сопротивлений обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра к мощности цепи , поэтому

( как при , так и при ).

Для уменьшения погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико ( ).

Таким образом, включенный в цепь прибор оказывает на ее режим определенное влияние, для уменьшения которого необходимо строго выполнять следующие условия: внутреннее сопротивление амперметра RAдолжно быть много меньше сопротивления нагрузки Rн; внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления нагрузки. Невыполнение этих условий приводит к систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадает со значениями отношений RA /Rни Rн/RV . Условие RV >> Rнособенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивлением в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры с входным сопротивлением до сотен мегаом.

Измерения постоянного тока выполняют с меньшими погрешностями, чем измерения переменного. С повышением частоты погрешность увеличивается.

Метод сравнения

Этот методобеспечивает более высокую точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов – компенсаторов, отличающихся тем свойством, что в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется, т. е. входное сопротивление практически бесконечно. Это свойство позволяет применять компенсаторы для измерения ЭДС. Метод сравнения реализуется также в цифровых вольтметрах дискретного действия и аналоговых компенсационных вольтметрах, благодаря чему погрешность измерения составляет десятые, сотые и даже тысячные доли процента.

Источник

Метод непосредственной оценки

Методы измерения напряжения и тока

Для измерения напряжения и тока используют метод непосредственной оценки, при котором числовое значение изме­ряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуиро­ванному в единицах этой величины, и метод сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воз­действия измеряемой величины на какую-либо систему, с воздействием на эту же систему образцовой меры.

Этот метод реализуется с помощью прямопоказывающих приборов. Вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение.

Измерение напряжений всегда сопровождается погрешностью, ве­личина которой зависит от внутреннего сопротивления вольтметра Rv. Включение вольтметра в исследуемую цепь искажает режим работы этой цепи.

Например, напряжение на резисторе R2 до включения вольтме­тра (рис. 4.3)

Рисунок 4.3 – Схема измерения напряжения методом

Напряжение на этом же резисторе после включения вольтметра будет равно

Погрешность измерения в данном случае тем больше, чем меньше сопротивление вольтметра:

Относительную погрешность измерения напряжения можно выра­зить также через мощность Рv, потребляемую вольтметром, и мощ­ность цепи Р:

Следовательно, погрешность от искажения режима работы цепи при измерении напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потребля­емая из цепи, и сопротивление R1.

При непосредственной оценке тока результат измерения (как и при измерении напряжения) сопровождается погрешностью, величина кото­рой зависит от внутреннего сопротивления амперметра RA.

Например, включение амперметра в цепь (рис.4.4) приведет к тому, что вместо тока I = U/R, который протекал в цепи до включения амперметра, будет протекать ток I’ = U/(R+ RA).

Рисунок 4.4 – Схема измерения тока методом непосредственной оценки

Погрешность ∆ = I’ — I тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Относительная погрешность измерения тока в этом случае

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощности РA, потребляемой амперметром, к мощности в самой цепи Р:

Таким образом, погрешность измерения тем меньше, чем меньше RA, т.е. чем меньше мощность, потребляемая амперметром РA, по срав­нению с мощностью потребления цепи, в которой осуществляется из­мерение.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник