ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

3-1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Перед измерением тока (напряжения) нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и о сопротивлении цепи, в которой производится измерение. Эти предварительные сведения позволят выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор.

Для измерения тока и напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки осуществляют с помощью прямопоказывающих приборов — 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. 3-1). Включенный в цепь прибор оказывает на ее режим определенное влияние, для уменьшения которого необходимо строго выполнять следующие условия: внутреннее сопротивление амперметра должно быть много меньше сопротивления нагрузки внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления нагрузки. Невыполнение этих условий приводит к систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадает со значениями отношений Условие особенно 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.

Рис. 3-1. Схемы измерения методом непосредственной оценки: а — тока; напряжения

Метод сравнения обеспечивает 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.

Рис. 3-2. Формы кривых переменного напряжения: а — синусоидальная; б - иесинусоидальная; в — треугольная; г - меандр

Переменный ток промышленной частоты имеет синусоидальную форму и характеризуется мгновенным, среднеквадратическим (действующим) значением, амплитудой и фазой (рис. 3-2, а):

Мгновенные значения или и наблюдают на экране осциллографа, среднеквадратическое значение измеряется соответствующим амперметром или вольтметром, амплитуда обычно вычисляется по измеренному среднеквадратическому значению; измерение фазы изложено в гл. 7. Амплитудой напряжения называют максимальное значение из всех

мгновенных значений синусоидального изменения за период или полу период. Среднеквадратическое (действующее) значение определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений:

Подставив выражение (3-1) в формулу (3-2), получаем

Связь между амплитудой и среднеквадратическим значением при любой форме изменения мгновенных значений определяется формулой

где коэффициент амплитуды; для синусоидального напряжения

В практике измерений применяют средневыпрямленное значение, которое определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:

Средневыпрямленное и действующее напряжения связаны между собой через коэффициент формы:

Для синусоидального напряжения

Подставляя в формулу формулу получаем Связь между средневыпрямленным значением и амплитудой:

Для синусоидальной формы кривой в

В радиотехнике наряду с сигналами синусоидальной формы широко используются другие, несинусоидальные сигналы (рис. Такие сигналы характеризуются максимальными (пиковыми) значениями из всех мгновенных значений в положительной или отрицательной полуволнах и среднеквадратическим (действующим),

средневыпрямленным и средним значением, часто называемым постоянной составляющей.

Среднее значение напряжения равно среднеарифметическому всех мгновенных значений за период:

Среднеквадратическое значение несинусоидального напряжения определяют по формуле (3-2) или путем разложения в ряд Фурье. В последнем случае вычисляют среднеквадратическое значение каждой гармоники и постоянную составляющую Тогда среднеквадратическое значение несинусоидального напряжения

Рис. 3-3. Последовательность импульсов:

Средневыпрямленное значение находят по формуле а максимальное — по формулам и Для некоторых, часто используемых, форм напряжения коэффициенты амплитуды и формы вычислены. Например, для треугольной формы (рис. 3-2, в) Для меандра (рис. 3-2, г)

Разность пиковых (максимальных) напряжений называют «размахом» напряжения:

Коэффициенты формы и амплитуды однополярных импульсов (рис. 3-3) определяются их скважностью

Следовательно, среднеквадратическое значение и среднее значение (постоянная составляющая)