Какое значение переменного тока наносят на шкалах амперметров и вольтметров

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Схемы включения амперметра и вольтметра

Показание амперметра определяется током в его измерительном механизме. Поэтому для измерения тока в каком-либо участке электрической цепи, приемнике или гене раторе 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 (r_a) и номинальном токе его (I_{a, н}) мала и номинальная мощность потерь в нем

Е сли измеряемый ток больше номинального тока изме рительного 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 (r_a) номинальный ток ero( I_{в, н}) мал, мала и номинальная мощность потерь в нем (Р _{в, н}), так как

Напряжение на зажимах измерительного механизма

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

Включив последовательно с измерительным механизмом большое добавочное сопротивление (r_Д > r_и ) из манганина, температурный коэффициент которого близок к нулю, получим сопротивление вольтметра r _в= r_и+ r_Д практически независимым от температуры.

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

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.

Рис. 7 -8. Измерительный механизм с шунтом.

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

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

Рис. 7-9. Амперметр с многопредельным шунтом.

При постоянных значениях сопротивления шунта r_ш и сопротивлении измерителя r _и измеряемым током I и током измерительного механизма I_и 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 сопротивлением

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

которое больше напряжений на измерительном механизме

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

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 а— б — г —в, в течение второго пол у периода по пути в— б — г —а. 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.

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.

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.

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.

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).

Рис. 7-16. Схема электродинамического амперметра.

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

При параллельном соединении катушек амперметра и постоянных сопротивлениях ветвей каждый из токов катушек I₁ и I₂ пропорционален измеряемому току I 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.

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).

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

Похожие страницы:

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ ТОКА Мощность Р цепи постоянного тока можно определить, измеряя амперметром и вольтметром ток I и напряжение цепи U, так как Р =.

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ Мост для измерения сопротивления Мерой электрического сопротивления, т. е. образцом единицы сопротивления, является образцовая катушка сопротивления. Набор катушек.

Период и частота переменного тока Большим преимуществом переменного тока, обеспечивающим ему повсеместное применение, является возможность просто и почти без потерь.

ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЗНАЧЕНИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ Расчет цепей переменного тока упрощается, если пользоваться понятием действующего (эффективного) значения переменного тока. Действующее значение.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПРИБОРОВ Измерительный механизм — основная часть каждого измерительного прибора. При воздействии на измерительный механизм измеряемой или функционально связанной.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Для измерения электрической энергии применяются счетчики электроэнергии. Из различных систем счетчиков наибольшее распространение получили электродинамические счетчики для.

Leave a Comment

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов

Задумайтесь: что вам прежде всего хотелось бы понять, когда вы смотрите на измерительный прибор? Скорее всего, это будет его назначение. «Если оно похоже на утку, двигается как утка и крякает как утка, то это, должно быть, и есть утка». Но с техническими приборами задача резко усложняется. Легко по внешнему виду узнать весы, какими бы они ни были: рычажными, пружинными, или электронными. Можно прикинуть, что если измерительный прибор круглый и расположен вертикально, то, наверное, он измеряет какие-то параметры жидкости или газа, из которых первыми приходят в голову расход и давление. Конечно, мы так или иначе представляем счетчики электрической энергии. Но что, если мы зайдем в электротехническую лабораторию или трансформаторную будку?

Электричество – вещь необыкновенная. Оно невидимо, но может совершать колоссальную работу и обладает рядом параметров со своими единицами измерения:

• Напряжение: В или V – вольт
• Ток: А — ампер
• Мощность:
• Активная: Вт или W – ватт
• Реактивная: вар или var
• Полная: В·А или VA – вольт-ампер
• Коэффициент активной и реактивной мощности: безразмерная величина
• Энергия: кВт·ч или kWh – киловатт-час, реже – Дж или J — джоуль
• Угол сдвига фаз между током и напряжением: ° — градусы, от -90° до +90°
• Количество фаз: в квартирах – 1, в трансформаторных подстанциях и электрощитах – 3, в некоторых электроприемниках (например, компьютерах) количество фаз может доходить до 24
• Частота: Гц или Hz – герц.

Электричество передается по проводникам и преобразовывается различными электроустановками, у которых есть свои характеристики:

• Сопротивление: активное и реактивное, а также полное, называемое импедансом — Ом
• Емкость: Ф или F — фарад
• Индуктивность: Гн или H — генри
• Магнитная индукция: Тл или T — тесла

Соответственно, каждый параметр требует своего измерительного прибора. Например, прибор для измерения постоянного тока может не подходить для измерения переменного. Или прибор может не выдержать прикладываемого напряжения, хотя может выдержать измеряемый ток. Для этого рядом со шкалой наносят условные обозначения, которые зафиксированы в ГОСТ 23217-78. Приведем некоторые из них. Начнем с тока:

Рис.1 — Условные обозначения тока

Перейдем к классам испытательного напряжения: это напряжение, которое может выдержать изоляция данного прибора. Если измеряется в кВ – киловольтах, т.е. тысячах вольт, то значение указывается внутри звездочки.

Рис.2 — Условные обозначения классов испытательного напряжения

Далее посмотрим на условные обозначения принципа действия аналоговых измерительных приборов, то есть приборов, в которых значение измерения может принять любое значение в пределах шкалы, грубо говоря, это «стрелочные» приборы. О том, каким образом происходит преобразование электрической величины в показания прибора, говорилось в этой статье.

Надо обращать внимание на приведенные ниже символы, когда дело касается рода тока или напряжения: постоянные они или переменные. Например, магнитоэлектрическим прибором измеряют постоянные величины. Если этими приборами измерять переменный ток, стрелка начнет дрожать около нулевого показания шкалы. Электромагнитными приборами могут измеряться как постоянные, так и переменные величины. Ферродинамические приборы менее точны, но зато просты и могут использоваться в щитах, расположенных в местах с повышенной тряской и вибрациями. Индукционные приборы применялись во времена СССР как счетчики электрической энергии. Электростатические приборы имеют высочайшие классы точности (0.005) и выпускаются на напряжения в милливольты и киловольты.

Рис.3 — Обозначение приборов

Класс точности прибора помещают в круг на циферблате, записывают перед ГОСТом или через дробную черту вроде 0,02/0,01. Для определения погрешности с помощью значений класса точности используют определенные формулы, которые находятся в справочниках или ГОСТ 8.401-80. И, конечно, надо отметить знаки и ⊥, что означает соответственно положение (шкалы) прибора горизонтально и вертикально.

Рис.4,5 — Панель приборов

Огромное количество производителей и колоссальное разнообразие моделей цифровых электроизмерительных приборов не позволяет в этой статье охватить весь спектр их обозначений, но общие принципы просты: главное – правильно выбрать род тока или напряжения и предел измерения, и, разумеется, соблюдать технику безопасности. О цифровых приборах, которыми мы пользуемся в «ТМРсила-М», читайте здесь.

Как видно, электрические измерения – ответственная работа, требующая понимания метрологии, электротехники, а также электроники и магнитных систем. Если вы хотите провести качественные электрофизические измерения, обращайтесь к специалистам в «ТМРсила-М».

Тема 2. 2. Измерение тока и напряжения

Изменяемые параметры тока и напряжения. Измерение постоянных тока и напряжения состоит в нахождении их величин и полярности. Целью измерения переменных силы тока и напряжения является определение какого-либо их параметра:

• мгновенного значения (путём наблюдения на осциллографе и измерения для определенного момента времени);
• амплитуды (U_m или I_m) – наибольшего мгновенного значения;
• размаха сигнала – величины от максимального значения до минимального за период;
• среднего значенияU_ср=;
• средневыпрямленного значенияU_ср=;
• действующего значения (среднеквадратического, эффективного)

U=U_{ср. кВ}=. Связь между амплитудным, средневыпрямленным и действующим значениями, например напряжения, выражается коэффициентами (таблица 2.1): Коэффициент амплитуды:K_a=U_m/U;Коэффициент формы:K_ф=U/U_{ср. в}. Таблица 2.1

Форма сигнала	Ka	Kф
Синусоидальная		1,11
Прямоугольная	1	1
Пилообразная	1,73	1,16

Приборы для измерения тока (амперметры) и напряжения (вольтметры) чаще всего являются электромеханическими, которые по принципу действия могут быть магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими и электростатическими. Приборы магнитоэлектрические. Их принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с измеряемым током, проходящим по обмотке измерительного механизма. Обмотка наматывается на лёгкую алюминиевую рамку, которая закреплена на полуосях и поворачивается при протекании по обмотке тока. При этом на оси рамки жёстко закреплена стрелка отсчётного устройства со шкалой, проградуированной в единицах измеряемой величины. Особенности магнитоэлектрических приборов:

• шкала равномерная;
• являются наиболее точными (классы точности 0,05 — 0,5);
• обладают высокой чувствительностью;
• малая стойкость к перегрузкам и невозможность их использования в цепях переменного тока без специальных преобразователей (это их недостатки).

Применение: в гальванометрах, амперметрах, вольтметрах, омметрах, логометрах. Приборы электромагнитные.Принцип действия их основан на взаимодействии подвижного ферримагнитного сердечника с магнитным полем, создаваемым в обмотке измеряемым током. При этом сердечник поворачивает ось вместе с закреплённой на ней указательной стрелкой. Противодействующий момент создаётся закручивающейся при повороте пружиной. Особенности электромагнитных приборов:

• шкала неравномерная;

• точность ниже, чем в магнитоэлектрических (классы точности 0,5 — 2,5);
• устойчивы к перегрузкам;
• показания не зависят от направления тока в обмотке;
• имеют низкую чувствительность и потребляют большую мощность (это их недостатки).

Применение: в цепях переменного тока с частотой до 8 кГц в качестве амперметров, вольтметров, в частотомерах, фазометрах, фарадометрах. Приборы электродинамические. Их принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей, создаваемых измеряемым током, проходящим по двум обмоткам катушек измерительного механизма. Особенности электродинамических приборов:

• высокая точность измерений (классы точности 0,1 — 0,2);
• неравномерная шкала;
• возможность применения как на постоянном, так и на переменном токе (до 1 кГц);
• низкая чувствительность, большая потребляемая мощность и чувствительность к влиянию внешних магнитных поле (применяют специальные экраны; это их недостатки).

Применение: в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, электронных логометрах (для измерения частоты, емкости, угла сдвига фаз). Приборы электростатические. Принцип действия их основан на взаимодействии электрически заряженных пластин. Измеряемое напряжение подводится к подвижной и неподвижной пластинам, между которыми возникает электростатическое поле. Подвижная пластина втягивается в зазор неподвижной, создавая вращающий момент. Противодействующий момент создаётся пружиной. Особенности электростатических приоров:

• классы точности 0,5 — 1,5;
• большое входное сопротивление;
• практически не потребляют активной мощности;
• шкала неравномерная и сжата вначале;
• широкий частотный диапазон (до 10 МГц);
• имеет низкую чувствительность и измерят малые напряжения (это их недостатки).

Применение: например, для измерения напряжения на конденсаторах при их заряде или разряде. Измерение тока. Для измерения постоянного тока наиболее часто используются амперметры магнитоэлектрической системы (из-за высокой точности измерения), а для измерения переменного тока промышленной частоты – амперметры электромагнитной и электродинамической систем. Амперметры классифицируют (в обозначении присутствует буква А): А2 – амперметры постоянного тока; А3 – амперметры переменного тока; А7 – универсальные амперметры; А9 – преобразователи тока. Включение амперметра (последовательно) в измерительную цепь влияет на её сопротивление, так как изменяется её режим работы за счёт внутреннего сопротивления амперметра R_A. До включения амперметра в цепь ток I_H в нагрузке R_H определяется приложенным напряжением U и сопротивлением R_н: I_н=U/R_н. После включения амперметра в цепь ток I = U/(R_A+R_H). Относительная погрешность (методическая): δ_I=тем меньше, чем меньше R_A. Относительную погрешность δ_I , вносимую включением в измеряемую цепь амперметра, можно учесть и исправить результат измерения тока, т.е.: I_испр=I/(1+ δ_I) . Включение амперметра в измерительную цепь переменного тока особенно сильно проявляется на высоких частотах: погрешность измерения тока становится настолько большой и настолько меняется электрический режим цепи, что измерение тока теряет практический смысл. Особенность измерения тока высокой частоты заключается в том, что на результат измерения влияют ёмкость амперметра, место его включения в цепь и частота измеряемого тока. Рекомендуется включать амперметр в исследуемую цепь в точку с наименьшим потенциалом относительно земли, так как при этом оказывается наименьшим ток утечки, не учитываемый амперметром. Для измерения тока высокой частоты применяют термоэлектрические амперметры, состоящие из термопреобразователя и прибора магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь содержит подогреватель и термопару из двух разных проводников, спаянных между собой в одном месте (рисунок 2.3). Через подогреватель пропускают измеряемый ток высокой частоты. В термопаре возникает термо-э.д.с. постоянного направления, величина которой зависит от свойств проводников термопары и разности температур горячего спая и холодных концов термопары. Рисунок 2.3 Для расширения пределов измерения тока высокой частоты обычно используют трансформаторы и реактивные делители тока. Шунты. Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы без дополнительных устройств позволяют измерять сравнительно малые токи. Для расширения пределов измерения в 100-1000 раз применяют специальные резисторы (изготовляют их из манганина), называемые шунтами. Они представляют собой простейшие преобразователи тока в напряжение. Принцип расширения пределов измерения тока при помощи шунта заключается в том, что большую часть измеряемого тока (рисунок 2.4) попускают через шунт Rш, а меньшую — через измерительный механизм ИМ. При этом ток через ИМ составляет определенную часть всего измеряемого тока I. Коэффициент шунтирования: р=I/I_им;I_ш>>I_им;R_ш=R_им/(р-1) , где R_им– внутреннее сопротивление измерительного механизма. Промышленностью выпускаются шунты различных классов точности (0,02 — 1,0). При измерении тока до 30 А шунты монтируются внутри измерительного прибора, а его шкала градируется с учётом коэффициента шунтирования р. Шунты чаще используют в цепях постоянного тока. Многопредельные амперметры могут быть выполнены с универсальным шунтом (рисунок 2.5). Рисунок 2.4Рисунок 2.5Выпрямительные миллиамперметры. Они используются для измерения тока звуковых частот (НЧ – от 20 Гц до 20 кГц; ультразвук от 20 кГц до 200 кГц). Принцип их работы основан на использовании выпрямительных свойств полупроводниковых диодов. Постоянная составляющая выпрямленного диодами тока измеряется приборами магнитоэлектрической системы. Особенности выпрямительных миллиамперметров:

• имеют высокую чувствительность;
• градуируются в среднеквадратических значениях измеряемого тока;
• показания приборов не зависят от формы кривой измеряемой величины;
• диапазон рабочих частот до 200 кГц;
• классы точности 1,5 и 2,5;
• широкие пределы измерений: тока 0,2 мА – 10 А, напряжения 0,3 – 100 В.

Применение: для измерения синусоидальных токов и напряжений, в комбинированных приборах (тестерах). Выпрямительные миллиамперметры выполняются по различным схемам:

1. Однополупериодная схема (рисунок 2.6): через диод VD1 проходит положительная полуволна измеряемого тока; для уменьшения вероятности пробоя диода VD1 полуволной обратного тока этот диод и ИМ шунтируют диодом VD2, который имеет малое сопротивление для полуволны обратного тока.
2. Двухполупериодная схема (рисунок 2.7).

Между амплитудным I_m, действующим I_Д и средневыпрямленным I_ср.в. значениями тока при однополупериоднойсхеме выпрямления существует следующая зависимость (при синусоидальной форме тока): I_m=; I_ср.в.=; I_Д=2,22 I_ср.в. При двухпериодномвыпрямлении: I_Д=1,11 I_ср.в.Рисунок 2.6Рисунок 2.7Измерение напряжения. Для измерения напряжения используют вольтметры, подключаемые параллельно к тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление энергии вольтметром должно быть мало, т.е. его выходное сопротивление должно быть большим: δ_u= —, где R_V — внутренне сопротивление вольтметра; R_O — внутреннее сопротивление источника э.д.с., питающего участок с нагрузкой R_H. Относительную погрешность δ_u можно учесть и исправить результат измерения: U_испр=, где U_V — напряжение, показываемое вольтметром. Вольтметры классифицируют (в обозначении присутствует буква В): В2 – вольтметры постоянного тока; В3 — вольтметры переменного тока; В4 — импульсные вольтметры; В5 — фазочувствительные вольтметры; В6 — селективные вольтметры; В7 — универсальные вольтметры; В8 — измерители отношения, разности и нестабильности напряжений; В9 — преобразователи напряжения. Добавочные резисторы. Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с измерительным механизмом ИМ (рисунок 2.8). В результате значительно повышается входное сопротивление вольтметра и становится равным R_Bm+R_Д, где R_Bm – внутреннее сопротивление ИМ; R_Д— добавочное сопротивление резистора. Предел измерения вольтметра — это его номинальное напряжение. Пусть вольтметр имеет предел измерения U_пр1 и его надо увеличить в m раз до величины U_пр2. Ток ИМ при подключении добавочного сопротивления R_Ддолжен сохранить своё значение: I. Тогда R_Д=R_Bm(m-1), где m=U_пр1/U_{пр 2}— число, показывающее во сколько раз нужно увеличить предел измерения вольтметра. Многопредельный вольтметр можно выполнить по двум схемам:

1. с отдельными добавочными резисторами (рисунок 2.9);
2. с универсальным добавочным резистором (рисунок 2.10).

Рисунок 2.8Рисунок 2.9Рисунок 2.10Аналоговые электронные вольтметры. Наиболее распространенными и надёжными являются аналоговые электронные вольтметры, выполняемые по структурной схеме, представленной на рисунке 2.11. Рисунок 2.11Входное устройство представляет собой аттенюатор (или делитель напряжения), с помощью которого расширяется предел измерения вольтметра. В качестве измерительного преобразователя применяют:

• в вольтметрах постоянного тока — усилители постоянного тока;
• в вольтметрах переменного тока — детекторы в сочетании с усилителями постоянного или переменного тока;
• в селективных вольтметрах преобразователь кроме детектирования и усиления обеспечивает избирательность сигнала по частоте;
• в фазочувствительных вольтметрах преобразователь должен давать возможность измерения амплитудных и фазовых параметров исследуемого сигнала.

Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут выполняться по следующим двум структурным схемам:

1. с детектором на входе (рисунок 2.12) — схема имеет широкий частотный диапазон, но недостаточно высокую чувствительность;
2. с усилителем переменного тока на входе (рисунок 2.13) — схема имеет более высокую чувствительность, но сравнительно узкий частотный диапазон.

Рисунок 2.12Рисунок 2.13Цифровые вольтметры. Структурная схема цифрового вольтметра с промежуточным преобразованием во временной интервал представлена на рисунке 2.14. Измеряемое переменное напряжение подаётся на вход преобразователя, а при измерении постоянного напряжения — непосредственно на вход сравнивающего устройства. Импульсом с управляющего устройства запускается генератор компенсирующего напряжения, с выхода которого пилообразное напряжение поступает на второй вход компаратора. Этот импульс одновременно открывает электронный ключ, пропускающий прямоугольный импульс с выхода детектора. Когда пилообразное напряжение достигает величины, равной измеряемому напряжению, срабатывает компаратор (прямоугольный импульс с выхода компаратора заканчивается) и электронный ключ закрывается. Показания отсчётного устройства периодически повторяются, так как электронный счётчик импульсов с генератора импульсов образцовой частоты (поступающих через электронный ключ) обнуляется в конце каждого периода импульсом сброса с управляющего устройства. При этом измеряемое напряжение , где — количество импульсов, поступивших на электронный счётчик; —период следования импульсов образцовой частоты; —коэффициент, характеризующий скорость пилообразного напряжения. Временные диаграммы, поясняющие работу цифрового вольтметра в соответствии с его структурной схемой, приведены на рисунке 2.15. Рисунок 2.14Рисунок 2.15К измерению параметров напряжения электронными вольтметрами Выпускаемые промышленностью электронные вольтметры содержат преобразователи (детекторы) переменного напряжения в постоянное разных видов: или пиковые, или квадратичные, или средневыпрямленного значения. Шкалы этих вольтметров градуируют в значениях различных параметров напряжения, при этом не всегда в значениях того параметра, который соответствует виду преобразователя. Например, преобразователь может быть пиковым, амплитудным, а шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, т.е. в этом случае показания вольтметра уменьшены в 2 раз. Поэтому при подключении к одному и тому же источнику переменного напряжения нескольких вольтметров различных типов их показания могут быть неодинаковыми, а пользователь, измеряющий это напряжение, должен уметь правильно определить результат измерения по показаниям того или иного вольтметра. При измерении напряжений синусоидальной формы вольтметром определенного типа необходимо знать его градуировочную характеристику, которая устанавливает соотношение между показанием прибора А_п и значением конкретного параметра А напряжения на входе вольтметра: , где с – градуировочный коэффициент, зависящий от вида преобразователя и измеряемого параметра, обеспечивающий получение прямого отсчета при измерении данного параметра, т.е. параметр напряжения, в значениях которого проградуирована шкалас = ———————————————————————————————параметр того же напряжения, соответствующий виду преобразователя Так, коэффициент с = 1, когда вид преобразователя в вольтметре соответствует градуировке шкалы: преобразователь пиковый и шкала проградуирована в пиковых (амплитудных) значениях напряжения, либо преобразователь квадратичный и на шкале нанесены среднеквадратические значения, либо преобразователь средневыпрямленного значения и шкала проградуирована в средневыпрямленных значениях. У таких вольтметров градуировочная характеристика не зависит от формы напряжения, посредством которого производилась операция градуировки шкалы; измерения являются прямыми, а определяемый параметр А измеряемого напряжения соответствует виду преобразователя (А= или U_m , или U, или U_ср.в) и равен показанию вольтметра А_п. Другие параметры измеряемого напряжения определяются из известных соотношений: U_m= 1,41U;U_ср.в= 0,9U. (2.1) Но в этом случае определение других параметров из этих соотношений считаются косвенными измерениями и справедливы только для напряжений синусоидальной формы. При с≠1 (когда нет соответствия между видом преобразователя и градуировкой шкалы) определяемый параметр измеряемого напряжения соответствует параметру напряжения, по которому проградуирована шкала, и равен значению А_п; измерения тоже являются прямыми. Другие параметры измеряемого напряжения также определяются из соотношений (2.1). Например, если вольтметр имеет преобразователь СВ3 (средневыпрямленного значения), а шкала проградуирована в СКЗ (среднеквадратического значения), то показания вольтметра А_п будут равны СКЗ измеряемого напряжения, т.е. U = А_п , а U_m и U_ср.в определяются из соотношений (2.1). При измерении одного и того же напряжения, например тремя вольтметрами (с различными видами преобразователя), у которых шкалы проградуированы в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, показания А_п будут примерно одинаковыми (в пределах точности вольтметров) и равны среднеквадратическому значению U измеряемого напряжения. На практике часто приходится измерять параметры несинусоидального напряжения. Поэтому для измерения необходимо выбирать вольтметр, позволяющий осуществлять прямые измерения интересующего параметра, т.е. преобразователь градуировки шкалы и определяемый параметр должны быть идентичными. Тогда n= показания прибора будут соответствовать определяемому параметру несинусоидального напряжения. Но бывают случаи, когда у пользователя имеется только вольтметр для измерения синусоидальных напряжений или для измерения напряжения произвольной формы, на шкале которого проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, а необходимо определить, например, пиковое (или средневыпрямленное) знаение несинусоидального напряжения. В таких ситуациях находят интересующий пользователя параметр исследуемого напряжения имеющимся вольтметром, т.е. проводят косвенные измерения. При измерении несинусоидальных напряжений в общем случае руководствуются следующими соображениями:

1. Фактически измеряемый вольтметром параметр напряжения определяется видом преобразовтеля: данный вольтметр измеряет только параметр, который соответствует виду преобразователя в нем.
2. Необходимо знать, в значениях какого параметра проградуирована шкала вольтметра. Если градуировка шкалы соответствует виду преобразователя, то вольтметр непосредственно показывает значение измеряемого параметра.
3. Иначе необходимо вычислить градуировочный коэффициент С. Так, если преобразователь пиковый (значит А=U_m), а шкала проградуирована в СКЗ синусоидального напряжения, то С=1/2. Следовательно, U_m=2А_п. Если преобразователь СВЗ, а шкала проградуирована в СКЗ синусоидального напряжения, то А= U_ср.в и С=1,11. Тогда U_ср.в =А_п /1,11 =0,9А_п .
4. Для нахождения других параметров напряжения, не соответствующих типу преобразователя, следует знать значения коэффициентов амплитуды К_а и формы К_ф измеряемого несинусоидального напряжения, так как U_m =К_а  U; U_ср.в = U /К_ф .
5. Измеряя параметры несинусоидального напряжения вольтметром с закрытым входом, необходимо еще учитывать, что на преобразователь вольтметра при измерении поступает исследуемый сигнал без постоянной составляющей, т.е. по форме отличающийся от исходного (на входе вольтметра) и характеризуемый поэтому своими значениями коэффициентов амплитуды К_а ! и формы К_ф ! , при этом в общем случае К_а К_а ! и К_ф К_ф ! .

Из вышеизложенного следует, что параметры исследуемого напряжения, особенно несинусоидального, нужно измерять очень вдумчиво и с большим вниманием; применять вольтметр с преобразователем, не соответствующим измеряемому параметру исследуемого сигнала, целесообразно лишь тогда, когда отсутствует вольтметр, непосредственно (прямо) измеряющий нужный параметр напряжения. Чаще всего шкалы электронных вольтметров с различными видами преобразователей градуируют в СКЗ синусоидального напряжения. Это объясняется тем, что при измерении гармонического напряжения преимущественно интересуются его среднеквадратическим значением U. В данном случае для определения любого параметра как синусоидального, для которого К_а=1,41 , К_ф=1,11 , так и несинусоидального напряжений, зная показания вольтметров (с различными видами преобразователей: пиковым, СКЗ, СВЗ) А_п измеренного напряжения и коэффициенты К_а (К_а ! ) и К_ф (К_ф ! ), можно пользоваться следующей таблицей, умножая значение А_п на коэффициенты, стоящие на пересечении соответствующих строк и столбцов:

Определяемый параметр измеряемого напряжения Вид преоб- разователя в вольтметре
Пиковый	1,41
СКЗ		1
СВЗ			0,9

Схемы амперметров с линейной шкалой для измерения переменного тока

Применив синхронное выпрямление переменного тока, автор линеаризовал шкалу шунтового амперметра магнитоэлектрического типа без какого-либо усилителя В статье предлагаются варианты схем с однополупериодным и кольцевым синхронным выпрямителем, применяемым обычно в кольцевых модуляторах.

Шкала амперметра переменного тока, построенного с использованием магнитоэлектрического стрелочного прибора с шунтом и простого выпрямителя, обычно нелинейна. Это связано с тем что при уменьшении напряжения ниже некоторого порога (0,2. 0,6 В) выпрямительные свойства германиевых и кремниевых диодов резко ухудшаются.

В результате требуется увеличивать падение напряжения на шунте либо применять линейные выпрямители на основе усилителей переменного напряжения. Однако повышение падения напряжения на шунте неизбежно приводит к потерям мощности и росту выходного сопротивления источника питания. К тому же этот способ лишь уменьшает нелинейность, но не устраняет ее полностью.

Правда, применение усилителей позволяет практически полностью устранить нелинейность, но сильно усложняет измеритель.

Между тем линейность простых из мерительных выпрямителей на полупроводниковых диодах можно значительно улучшить без особого усложнения, если использовать синхронное выпрямление.

Однополупериодный синхронный выпрямитель для амперметра

На рис 1 приведена схема однополупериодного синхронного выпрямителя для амперметра с линеаризованной шкалой. В положительный полупериод переменного напряжения (плюс на верхних концах обмоток II и III) открываются диоды VD1 и VD2 подключая микроамперметр к шунту Rш. В отрицательный полупериод диоды закрыты.

В открытом состоянии диоды имеют малое дифференциальное сопротивление, и нелинейность этого сопротивления невелика, поэтому шкала получается практически линейной.

Рис. 1. Схема амперметра с трасформатором.

При использовании микроампер метров со шкалой 50 .200 мкА с максимальным падением напряжения на рамке не более 150 мВ минимальное напряжение на обмотке III может составлять 1,5. 2 В для германиевых и 2. 2,5 В для кремниевых диодов (при меньшем напряжении его нестабильность заметно сказывается на показаниях амперметра).

Максимальное напряжение ограничивается максимально допустимым обратным напряжением используемых диодов Минимальный ток диодов должен в 10.. 20 раз превышать максимальный ток микроамперметра. Дополнительную обмотку можно изготовить самостоятельно, намотав несколько витков тонкого изолированного про вода на катушку трансформатора, если его конструкция позволяет это сделать.

Резисторы R3 и R4 служат для подстройки нуля амперметра, сдвиг которого возникает за счет тока диода VD2, протекающего через шунт, и разброса параметров диодов.

Синфазность подключения обмоток II и III важна при сравнительно низком напряжении обмотки III (менее 2 В), так как при противофазном включении этих обмоток (в этом случае полярность подключения микроамперметра нужно изменить) в приборе появляется нелинейность шкалы (цена деления в конце шкалы плавно увеличивается), что, кстати, иногда может оказаться полезным. Однако при напряжении на обмотке III выше 4 ..5 В эта нелинейность практически не заметна и на фазу включения обмоток можно не обращать внимания

Для защиты микроамперметра от случайных перегрузок параллельно его выводам полезно включить кремниевый диод Д220 КД522 или КД521 в прямом направлении, предварительно убедившись, что он не влияет на показания микроамперметра в конце шкалы.

Двухполупериодный выпрямитель для амперметра

Добавлением еще двух диодов и одного резистора синхронный выпрямитель можно преобразовать в двухполупериодный (рис 2). В качестве источника, открывающего диоды, здесь использована рабочая обмотка трансформатора

Преимущество двухполупериодной схемы выпрямления перед однополупериодной состоит в том, что требуемое падение напряжения на Вш примерно в два раза меньше при одинаковом токе полного отклонения микроамперметра.

Рис. 2. Схема двухполупериодного выпрямителя для амперметра.

Так, если в однополупериодном выпрямителе с диодами Д220 для полного отклонения стрелки микроамперметра на 200 мкА (с сопротивлением рамки около 670 Ом) требовалось падение напряжения на Rш, около 0,4 В, то в двухполупериодном это напряжение не превышало 0,2 В.

Приведенная схема является модификацией обычного кольцевого модулятора При увеличении напряжения на R„, до 0,4 В (амплитудное значение) для германиевых и 1,2 В для кремниевых диодов через диоды VD1 VD3 и VD2, VD4 начинает протекать сквозной ток нагрузки. Поэтому резисторы R3-R5 служат не только для балансировки моста Они ограничивают ток через диоды при перегрузке.

Исходя из этих соображений, в двухполупериодном выпрямителе лучше использовать кремниевые диоды и рассчитывать амперметр на максимальное падение напряжения на Rш, не более 0,5. 0,6 В.

На случаи перегрузки или КЗ можно принять дополнительные меры по ограничению тока через диоды. Это может быть увеличение сопротивления резисторов R3- R5, гасящего резистора и шунтирующих диодов или стабилитронов.

Получение открывающего напряжения непосредственно от сети 220 В

Для открывания диодов измерительного моста амперметра с линейной шкалой не обязательно использовать трансформатор. На рисунке 3 показан способ получения открывающего напряжения непосредственно от сети 220 В, стабилитрон VD1 ограничивает и стабилизирует это напряжение. Диод VD2 уменьшает нагрев гасящего резистора R5.

Рис. 3. Схема — способ получения открывающего напряжения непосредственно от сети 220 В.

Такую схему питания целесообразно использовать и в случае питания от трансформатора, если его выходное напряжение превышает несколько десятков вольт При использовании в подобном случае двухполупериодного выпрямителя диод VD2 необходимо исключить, а последовательно со стабилитроном VD1 включить встречно еще один (того же типа) или использовать двуханодный стабилитрон

При расчете элементов однополупериодного выпрямителя и проведении измерений нужно помнить об особенностях измерения несинусоидального тока или напряжения, учитывая коэффициент формы.

При изготовлении многопредельного амперметра с пределами измеряемого тока менее 0 2 0 4 А необходимо учитывать следующую особенность этих мостовых схем. Ток, открывающий диод VD1 на рис 1 (или VD1, VD2 на рис 2), замыкается непосредственно на источник питания, а ток диода VD2 (или VD3 VD4 на рис. 2) проходит через резистор Rш, и создает на нем падение напряжения, которое, как указывалось выше, компенсируется подстройкой резистора R4

Когда сопротивление резистора Rш не более 0,1. 0 20м, падение напряжения на нем от тока диода VD2 (1 . 2 мА) не превышает 0,1 .0,4 мВ. При максимальном падении напряжения на шунте 100 ..200 мВ его можно не учитывать. Если же на минимальном пределе измерения сопротивление имеет большее значение, то необходимо принимать меры по поддержанию нуля при переключении пределов измерения.

Если питание моста производится от дополнительной обмотки то на минимальном пределе можно составить шунт из двух половин и подключить вывод обмотки питания моста к средней точке шунта Возможно также использовать дополнительную секцию безразрывного переключателя, чтобы при переключении пределов ток в цепи питания отдельных плеч измерительного моста не прерывался.

При изготовлении амперметров по приведенным схемам необходимо принять меры к повышению температурной стабильности показаний прибора, которая в основном определяется равенством температур диодов измерительного моста.

Для этого целесообразно использовать диодные сборки в одном корпусе либо разместить диоды рядом друг с другом и обеспечить хороший тепловой контакт, залив их компаундом.

В. Андреев, г. Тольятти, Самарская обл. Р2001, 1.