8-4. Измерение тока и напряжения

Показания амперметра зависят от тока , идущего через него, поэтому для измерения тока в каком-либо приемнике энергии амперметр включают последовательно с этим приемником, так что (рис. 8-8).

Включение амперметра не должно плиять на измеряемый ток, поэтому сопротивление его должно быть малым по сравнению с сопротивлением приемника, последовательно с которым он включается. Малому сопротивлению амперметра соответствует и малая номинальная мощность потерь в нем

Рис. 8-8. Схема включения амперметра.

Рис. 8-9. Схема включения вольтметра.

Для измерения токов, превышающих номинальный ток амперметра (измерителя), в цепях постоянного тока применяют шунты (§ 8-4, б), а при, переменном токе — трансформаторы тока (§ 9-11).

Для измерения напряжения на каком-либо приемнике энергии зажимы вольтметра соединяют с зажимами приемника (рис. 8-9). В этом случае вольтметр покажет напряжение на своих зажимах и на зажимах приемника .

Показания вольтметра зависят от его тока Для того чтобы они однозначно зависели и от напряжения , сопротивление вольтметра должно быть постоянным, так как в этом случае .

Сопротивление медной обмотки измерителя вольтметра изменяется на 0,4% при изменении температуры на 10° С. Включая последовательно с измерителем достаточно большое добавочное сопротивление из манганина, величина которого практически неизменна, обеспечивают постоянство сопротивления вольтметра .

Включение вольтметра не должно влиять на измеряемое напряжение, поэтому сопротивление его должно быть большим относительно приемника энергии, параллельно которому он включен. При большом сопротивлении вольтметра номинальный ток его мал, мала и номинальная мощность потерь, так как

Номинальный ток вольтметра равен номинальному току его измерителя, так что

а номинальное напряжение вольтметра

пропорционально его сопротивлению.

Применяя один измеритель с различными добавочными сопротивлениями, получим различные сопротивления вольтметра и соответственно различные номинальные напряжения. Таким образом, добавочное сопротивление используют для расширения предела измерения напряжения вольтметра.

Для расширения предела измерения напряжения в цепях переменного тока, кроме добавочного сопротивления, применяют измерительные трансформаторы напряжения (§ 9-11).

Амперметры и вольтметры могут иметь измерители одинакового устройства, отличающиеся только своими параметрами, но они имеют разные внутренние измерительные схемы и по-разному включаются в измеряемую цепь.

а) Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры

Магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов — гальванометры, микроамперметры и миллиамперметры представляют собой измерительный механизм (§ 8-3, а), катушка которого присоединена к зажимам прибора, а на шкале нанесены деления, соответствующие различным значениям измеряемой величины.

Магнитоэлектрический амперметр — это измеритель (§ 8-3, а), который присоединен параллельно шунту (рис, 8-10) для увеличения номинального тока прибора.

Измеряемый ток 7 делится на ток шунта и ток измерителя Напряжение на разветвлении (рис. 8-10)

откуда измеряемый ток

При неизменных сопротивлениях измерителя и шунта между токами сохраняется постоянной отношение, что позволяет по углу поворота указательной стрелки измерителя определить ток I.

Сечение шунта должно быть достаточно большим, чтобы не было его нагревания и связанных с этим погрешностей.

Рис. 8-10. Измерительный механизм с шунтом.

Рис. 8-11. Измерительный механизм с добавочным сопротивлением.

Шунты помещаются или в кожухе прибора (встроенные) или вне его (наружные).

Магнитоэлектрический вольтметр — это измеритель (§ 8-3, а) с последовательно соединенным добавочным сопротивлением (рис. 8-11) для расширения предела измерения напряжения и для обеспечения постоянства сопротивления вольтметра. На шкале его наносятся деления, соответствующие различным значениям напряжения Между напряжением на зажимах вольтметра и напряжением на измерителе имеет место постоянное отношение

Технические вольтметры имеют однопредельные добавочные сопротивления, а образцовые и лабораторные — многопредельные, позволяющие использовать отдельные части добавочного сопротивления для получения различных номинальных напряжений.

Магнитоэлектрические приборы изготовляются классов точности 0,1-2,5.

Из свойств этих приборов отметим: пригодность для работы в цепях постоянного тока, высокую чувствительность, незначительное влияние температуры и внешних магнитных полей, равномерную шкалу, малую мощность потерь и чувствительность к перегрузкам.

б) Выпрямительные амперметры и

вольтметры

Выпрямительный

амперметр состоит из магнитоэлектрического измерителя (§ 8-3, а) и нескольких полупроводниковых вентилей, соединенных по одной из выпрямительных схем (гл. 17), а выпрямительный вольтметр, кроме того, имеет добавочное сопротивление.

Рис. 8-12. Схема простейшего выпрямительного амперметра.

В простейшем случае выпрямительный амперметр (рис. 8-12) состоит из измерителя, включенного последовательно с вентилем, пропускающим ток в одном направлении, так что через измеритель в течение каждого периода проходит только одна полуволна переменного тока. Обратная полуволна тока проходит по второй параллельной ветви, в которой вентиль включен М-обратном направлении. Средний за период вращающий момент и угол поворота подвижной части амперметра зависят от среднего значения тока, проходящего через измеритель, которое при синусоидальном токе пропорционально действующему значению тока. Эти значения и наносятся на шкале амперметра. Для расширения предела измерения тока применяются шунты.

У вольтметра вследствие постоянства его сопротивления действующие значения тока пропорциональны действующим значениям напряжения на его зажимах, которые непосредственно и отсчитываются на шкале прибора.

Выпрямительные приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10 кГц. Класс точности их 1,5-2,5.

в) Термоэлектрические амперметры и вольтметры

Термоэлектрический амперметр состоит из магнитоэлектрического измерителя с контактным (а) или бесконтактным (б) термопреобразователем (рис. 8-13), а вольтметр имеет еще добавочное сопротивление.

Термопреобразователь состоит из проводника — нагревателя Н (рис. 8-13) и приваренной к нему или не соединенной с ним термопары Т. Последняя образуется двумя проводами из разных металлов, рабочие концы которых сварены вместе, а свободные концы присоединяются к магнитоэлектрическому измерителю.

Рис. 8-13. Термоэлектрические амперметры: а — с контактным преобразователем; б - с бесконтактным преобразователем.

Измеряемый переменный ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагревание и нагревание рабочих концов термопары. Вследствие этого на ее свободных концах возникает термо-э. д. с., а в подвижной рамке измерителя ток, под действием которого рамка повертывается на угол, зависящий от измеряемого тока. На шкале амперметра наносятся деления, соответствующие действующим значениям измеряемого тока, а на шкале вольтметра деления, соответствующие действующим значениям напряжения, которые вследствие постоянства сопротивления вольтметра пропорциональны действующим значениям тока.

Термоэлектрические приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10—50 МГц. Класс точности их 1,5-2,5.

г) Электромагнитные амперметры и вольтметры

Электромагнитный амперметр — это измеритель той же системы (§ 8-3, б), на шкале которого нанесены значения измеряемого тока, проходящего по его катушке. Катушку амперметра можно изготовить из провода любого сечения, на любой номинальный ток (до 300 А и выше), так как она неподвижна и масса ее не влияет на погрешность от трения.

Электромагнитный вольтметр состоит из измерителя (§ 8-3, б) на номинальный ток 20—30 мА, добавочного сопротивления из маганина и шкалы, проградуированной в значениях напряжения.

Активное добавочное сопротивление несоизмеримо больше реактивного сопротивления катушки измерителя, так что сопротивление вольтметра, практически активное, не зависит от температуры и частоты.

Угол поворота подвижной части зависит от тока в катушке и пропорционального ему напряжения на зажимах вольтметра.

Электромагнитные приборы предназначены для цепей переменного тока промышленной частоты. Класс точности их 0,5-2,5.

д) Электродинамические и ферродинамические амперметры и вольтметры

Электродинамический амперметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого соединяются последовательно или параллельно в зависимости от номинального тока, а на шкале нанесены значения тока, проходящего по амперметру.

Подвижная катушка измерителя для уменьшения погрешности от трения делается легкой из провода малого сечения.

Рис. 8-14. Схемы соединения катушек электродинамических миллиамперметра, амперметра и вольтметра.

Неподвижная катушка выполняется из провода такого же или большего сечения в зависимости от номинального тока амперметра. В миллиамперметрах катушки соединяются последовательно, в амперметрах — параллельно (рис. 8-14).

При последовательном соединении катушек в них проходит измеряемый ток и угол поворота подвижной части прибора пропорционален квадрату тока (8-7)

При параллельном соединении катушек амперметра угол поворота стрелки так же будет пропорционален квадрату Тока (8-10), если активные добавочные сопротивления в ветвях подобрать так, чтобы токи в ветвях совпадали по фазам и каждый из них был пропорционален измеряемому току .

Электродинамический вольтметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого (номинальный ток 20—50 мА) соединены последовательно с добавочным сопротивлением (рис. 8-14).

Последнее предназначено для расширения предела измерения напряжения и уменьшения влияния температуры, рода тока и частоты на показания вольтметра.

Электродинамические приборы изготовляются классов точности 0,1-0,5 для цепей постоянного и переменного тока стандартной и повышенной частоты до 2 кГц. Они чувствительны к перегрузкам и к внешним магнитным полям. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяются экраны и астатические измерители.

Ферродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом как самопишущие приборы для цепей переменного тока, имея те же внутренние измерительные схемы, что и электродинамические приборы. Ферродинамические приборы обладают большим вращающим моментом, прочной и надежной конструкцией. Они мало чувствительны к внешним магнитным полям. Класс точности их 1,5-2,5.

е) Цифровые приборы

Цифровой прибор представляет собой измерительное устройство, в котором непрерывно изменяющаяся измеряемая величина - оценивается дискретной величиной — числом с тремя-четырьмя значащими цифрами, отсчитываемыми на его отсчетном устройстве.

Цифровые приборы можно разделить на 2 группы: электромеханические, в которых преобразование измеряемого сигнала производится при помощи электромеханических устройств и электронные, в которых используются устройства импульсной техники.

Из приборов первой группы наиболее распространенными являются вольтметры и омметры, из приборов второй группы — вольтметры, частотомеры, фазометры.

В цифровых вольтметрах в большинестве случаев измерение производится сравнением измеряемой величины с образцовой, т. е. нулевым методом.

При включении на входные зажимы измеряемой величины она при помощи весьма сложного устройства автоматически преобразуется в цифровую форму. После этого блок цифрового устройства включает лампы, соответствующие числовым значениям измеряемой величины, которые проектируются на экран для визуального отсчета (рис. 8-15).

Цифровые вольтметры изготовляются на номинальные напряжения от 100 мкВ до 1 кВ. Время одного измерения не превышает 1 с в вольтметрах первой группы и нескольких миллисекунд у приборов второй группы.

Рис. 8-15. Внешний вид цифрового вольтметра типа Щ1411.

Использование точных цифровых приборов (погрешность 0,01-0,1%) в сочетании с печатными устройствами позволяет автоматизировать процесс измерения и регистрировать его результаты. Эти приборы в сочетании с вычислительными машинами используются для непрерывного контроля автоматизации производственных процессов.

Из недостатков отметим сложность их устройства и высокую стоимость.