Eng Ru
Отправить письмо

7.3 Методы измерения напряжения и тока. Измерения напряжения

$direct1

7.3 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.

4.3.1 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)

(4.14)

Рисунок 4.3 – Схема измерения напряжения методом

непосредственной оценки

Напряжение на этом же резисторе после включения вольтметра будет равно

(4.15)

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

(4.16)

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

(4.17)

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

(4.18)

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.

4.3.2 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.

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:

(4.19)

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

(4.20)

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

(4.21)

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.

studfiles.net

5.Измерение токов и напряжений.

Приборы, предназначенные для измерения силы тока, в зависимости от их номиналов подразделяются на микроамперметры, миллиамперметры, амперметры и килоамперметры.

При измерении силы тока амперметр включают последовательно с сопротивлением нагрузки. Для того чтобы подключение амперметра на отражалось на работе нагрузки внутреннее сопротивление амперметра должно быть очень маленькое (0,008 – 0,5 Ом).

Ток высокой частоты можно измерять термоэлектрическими приборами, но они имеют высокую чувствительность к перегрузкам, большое внутреннее сопротивление и обладают тепловой инерцией. Поэтому обычно измеряют не ток в цепи, а напряжение на известном сопротивлении, а потом по закону Ома определяют ток.

Для измерения напряжения в зависимости от номиналов измеряемых величин применяются милливольтметры, вольтметры и киловольтметры. Вольтметры бывают магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, электростатической, термоэлектрической, электронной систем. Вольтметр подключается параллельно исследуемой цепи. Для того чтобы подключение вольтметра не влияло на электрический режим цепи, его внутреннее сопротивление должно быть очень большим и во много раз превышать сопротивление измеряемого участка. Чем оно больше, тем измерения будут точнее. У хороших приборов эта величина достигает более 1000 Ом на1 измеренный Вольт, а в спец. конструкциях 20000 Ом на 1В шкалы прибора.

Все стрелочные вольтметры, кроме специальных (импульсных), градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения (UД = 0,707UМ)

На сверхвысоких частотах вольтметр жестко соединяется с исследуемым объектом в единую конструкцию.

Для измерения напряжений используются электронные и цифровые вольтметры.

Электронные выполняются по двум схемам: детектор – усилитель постоянного тока (рис) и усилитель переменного тока детектор (рис). Первые предназначены для напряжений постоянного и переменного тока от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт в диапазоне частот до 700МГц. Вторые – для измерения только переменного тока от единиц микровольт до сотен вольт в диапазоне частот до десятков МГц.

Цифровые вольтметры (бывают с времяимпульсным преобразованием, со ступенчато-изменяющимся напряжением, с частотным преобразованием и комбинированные) обладают высокой точностью (отсутствуют субъективные ошибки). Они предназначены для измерения постоянных или медленно изменяющихся по сравнению с временем изменения напряжений.

В практике электрических измерений часто применяются индикаторы тока и напряжения.

Для подобных измерений также применяются гальванометры, они предназначены для измерения малых токов, напряжений и электрических зарядов.

7. Измерение уровней.

Вместо мощности, напряжения и тока, выраженных в ваттах, вольтах и амперах, используют логарифмы отношения этих величин к условным, принятым за нулевую отметку логарифмической шкалы. Указанные логарифмы отношений называют уровнями и обозначают буквой р.

Обычно мощность выражают в милливаттах, а уровень р – в специальных единицах уровней – белах:

Так же уровни выражаются в децибелах:

или неперах:

где индекс х относится к величине, действующей в рассматриваемой точке цепи, а 0 – к исходной величине.

Связь: 1 Нп = 8,7 дБ, 1дБ = 0,115 Нп.

Различают абсолютные, относительные и измерительные уровни.

Если значения мощности, напряжения или тока сравниваются с эталонными значениями одноименных величин, то уровень называют абсолютным.

Относительный уровень равен разности абсолютных уровней в данной точке и в точке, принятой за начало отсчета.

Измерительный уровень в какой-либо точке цепи представляет значение абсолютного значения мощности, напряжения или тока при подаче на вход цепи уровня 0 дБ (0 Нп).

Уровни измеряют ламповыми и полупроводниковыми вольтметрами, проградуированными в логарифмических единицах дБ и Нп. При включении параллельно (как вольтметр) указатели уровня имеют высокоомное входное сопротивление (порядка 10 -20 кОм). При включении указателей уровня как нагрузки их входное сопротивление должно быть равно входному сопротивлению измеряемой цепи. На входе указателя уровня имеется переключатель с высокоомного входа на несколько низкоомных (как правило 600, 135, 75 Ом).

Обычно уровни напряжения различных частот измеряют с помощью обычного полосового фильтра, используя принцип гетеродирования. (рис 37)

studfiles.net

Измерение напряжения - Статьи об энергетике

Измерение напряжения - самый распространенный тип измерений в радиолюбительской практике. Зная напряжения в контрольных точках любого устройства (от простейшего блока питания до телевизора) можно судить о его работоспособности или правильном функционировании. При наличии принципиальной схемы, мультиметра для измерений и понимании принципов работы транзисторов, микросхем и прочих элементов, поиск неисправностей в любом устройстве не составит труда. Кроме того, при создании любительских устройств без измерения напряжения практически не обойтись.

Рассмотрим основные принципы измерения напряжения. Для этого понадобится собрать простейшую схему (рисунок 1).

Рисунок 1.

Во-первых, для измерения напряжения в цепях постоянного тока следует учитывать полярность напряжения. Для вольтметров стрелочного типа при неправильном подключении стрелка отклонится в сторону нуля. Для цифровых мультиметров это не столь критично, поскольку для «отрицательного» напряжения перед значением будет указан «-».

Во-вторых, перед началом измерения напряжения стоит определить диапазон возможного изменения величины напряжения. В большинстве устройств измеряемое напряжение находится на уровне от 10мВ до 220В. Стоит отметить, что при установке диапазона мультиметра на 600В для измерения 200мВ будет трудно достичь требуемой точности показаний прибора. При измерениях напряжения стрелочными приборами диапазон измеряемых величин должен находиться в середине шкалы вольтметра. Если же измеряемая величина напряжения не известна, то мультиметр следует включать на максимально возможный уровень (чаще всего до 1000В), что убережет его от возможного выхода из строя.

Показания мультиметра (вольтметра)

Вернемся к рисунку 1. Определим по Закону Ома показания вольтметров для двух случаев. Суммарное сопротивление цепи составит 250 Ом (при последовательном соединении резисторов сопротивления складываются). Ток в цепи будет равен:

I = U / (R1 + R2) = 4,5 / (100 + 150) = 0,018 (А) = 180 (мА)

Падение напряжения на каждом из резисторов:

U1 = I * R1 = 0,018 * 100 = 1,8 (В), U2 = I * R2 = 0,018 * 150 = 2,7 (В),

Именно такие показания напряжения и должен показать наш измерительный прибор.

Входное сопротивление мультиметра (вольтметра)

Для большинства современных мультиметров входное сопротивление составляет 10 кОм/В или 20 кОм/В. Влияние этого параметра на показания при измерении напряжения в цепи рассмотрим ниже. Для этого рассмотрим схему делителя напряжения (рисунок 2).

Рисунок 2

Сопротивления резисторов одинаковы и равны по 1кОм, напряжение питания равно 3В. Предположим, что измерения в цепи производятся вольтметром ТЛ4 с входным сопротивлением 10 кОм/В (или 30 кОм при Uвх=3В). Таким образом, при измерении напряжения, параллельно резистору подключен еще один резистор с сопротивлением 30кОм, а общее сопротивление при этом окажется 999,999 Ом. Благодаря этому на резисторе будет присутствовать незначительное искажение напряжения. Однако, если сопротивление резисторов будет не 1 кОм, а к примеру 1 МОм, то эквивалентное сопротивление при измерении напряжения вольтметром уже будет 29,1 кОм. При этом вольтметр покажет вместо ожидаемых 1,5В значение на уровне 0,085В.

Стоит отметить, что такие элементы в делителях напряжения практически не применяются, однако они явно указывают на недостатки вольтметров с малым значением входного сопротивления. Большинство мультиметров имеют входное сопротивление в несколько МОм, поэтому их влияние на измеряемые цепи практически нивелировано.

Измерение переменного напряжения

Все ранее описанные принципы измерения напряжения справедливы как для цепей постоянного тока, так и для цепей переменного тока. Однако переменное напряжение имеет еще два показателя – частота напряжения и его форма. Для современных мультиметров также указывается диапазон частот измеряемого переменного напряжения. Как известно, повсеместно распространены сети переменного тока с синусоидальной формой напряжения. Поэтому большинство мультиметров и стрелочных вольтметров рассчитаны именно на синусоидальное напряжение. При этом показаниям измерительных приборов будет соответствовать действующее значение напряжения в цепи. Для определения амплитудного значения напряжения необходимо воспользоваться формулой:

Uм = U * √2 = 1,41 * U

Указанная формула справедлива лишь для синусоидальной формы напряжения. Для измерения иных типов переменного напряжения следует применять осциллограф.

ukrelektrik.com

Измерение напряжения

 

4.1. Аналоговые вольтметры.

 

Вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного, переменного и импульсного токов в широком диапазоне напряжений и частот. Обозначения подгрупп: В2- вольтметры постоянного тока, В3 – вольтметры переменного тока, В4 – вольтметры импульсного тока, В7 – вольтметры универсальные, В8 – измерители отношений напряжений. Добавление к основному обозначению подгруппы буквы К означает, что прибор комбинированный и может измерять несколько физических величин (ВК2-17, В7-21).

Аналоговые вольтметры делятся на электромеханические и электронные. Принцип действия электромеханических вольтметров заключается в преобразовании электромагнитной энергии, подведенной к прибору непосредственно из измеряемой цепи, в механическую энергию перемещения подвижной части. Их структурная схема в обобщенном виде изображена на рис.4.1.

 

Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину UX в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с величиной UX . Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм. В зависимости от характера преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность преобразовательных элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямительных диодов).

Измерительный механизм преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения α его подвижной части относительно неподвижной, т.е. α=f(Y)=F(UX). В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части измерительного механизма электромеханические вольтметры делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные, электростатические и т.д.

Отсчетное устройство электромеханического прибора чаще всего состоит из указателя (стрелочного или светового), жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге ≤1800) и круговые (при дуге >1800). По характеру расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые.

Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, отсчитанных по шкале, на цену деления прибора. Цена деления – значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы. Чувствительность прибора: S=Sиц∙Sим , где Sиц , Sим – чувствительности соответственно измерительной цепи и измерительного механизма. Классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. К аналоговым электромеханическим вольтметрам относятся также комбинированный прибор – ампервольтомметр (авометр) и логометр, измеряющий отношение двух эдектрических величин.

Аналоговые электронные вольтметры включают в себя электронные (активные) преобразователи измеряемой величины в постоянное напряжение (ток) и магнитоэлектрический прибор. Они отличаются Высокой чувствительностью (0,1 нВ/дел), широким частотным диапазоном (от нуля дол единиц МГц) и высоким входным сопротивлением (до 1016 Ом). Вольтметры постоянного тока в диапазоне от 10 мВ до 1000 В строят по схеме (рис. 4.2).

Резистивный делитель напряжения ДН уменьшает измеряемое напряжение UX до уровня, необходимого для нормальной работы усилителя постоянного тока УПТ. Выходное напряжение УПТ подается на магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ и преобразуется в отклонение α указателя. Для таких вольтметров γпр≥ от 0,5 до 1,0%.

Для измерения низких напряжений от долей микровольта до единиц вольт применяют микро- и милливольтметры, содержащие во входных цепях усилители с МДМ-преобразованием (рис. 4.3).

Постоянное входное напряжение Uвх преобразуется модулятором М в переменное импульсное напряжение. Модулятор М образован двумя ключами SA1 и SA2, коммутация которых производится в противофазе. Управление ключами осуществляется от специального генератора Г. Если Rкл=0 в замкнутом состоянии и Rкл=∞ в разомкнутом состоянии, и если переключение производится мгновенно, то на выходе модулятора М имеем последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой Uвх.

Эти импульсы усиливаются усилителем переменного напряжения у, выходной сигнал которого не содержит постоянной составляющей, т.к. усилители переменного напряжения не усиливают постоянной составляющей переменного напряжения. Принцип действия демодулятора ДМ аналогичен принципу действия модулятора М. На выходе ДМ при синхронной коммутации ключей (одновременно замкнуты ключи SA1 и SA3, а разомкнуты SA2 и SA4, и наоборот) полярность прямоугольных импульсов совпадает с полярностью импульсов на выходе М. Фильтром Ф импульсы усредняются и на выходе усилителя МДМ получаем усиленное постоянное напряжение, полярность которого определяется полярностью Uвх. В модуляторе М и демодуляторе ДМ в качестве ключей чаще всего используются электромеханические прерыватели (вибропреобразователи) или полевые транзисторы.

Рис. 4.3. Усилитель с МДМ-преобразованием:

а) функциональная схема;

б) упрощенные схемы модулятора и демодулятора;

в) эпюры напряжений

Применение усилителей типа МДМ по сравнению с традиционными УПТ позволяет существенно снизить погрешности от нестабильности напряжения смещения (дрейфа нуля), которые оказываются особенно значимыми при измерениях малых напряжений. Нестабильность напряжения смещения у УПТ по схеме МДМ составляет десятые доли мкВ на градус кельвина. Недостаток усилителей с МДМ – узкий частотный диапазон по входу, т.к. максимальная частота напряжения Uвх должна быть по меньшей мере на порядок ниже частоты сигнала генератора Г.

Вольтметры переменного тока строятся по двум схемам, изображенным на рис.4.4.

 

Рис. 4.4. Типовые схемы вольтметров переменного тока.

Первая схема имеет широкий частотный диапазон (до 700 МГц), но сравнительно низкую чувствительность. Вторая схема имеет более узкий частотный диапазон (до 10 МГц), определяемый полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокую чувствительность (нет УПТ и связанного с ним дрейфа нуля).

Универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназначенные для измерения в цепях постоянного и переменного токов, реализуются по комбинированной схеме (рис. 4.5).

 

Рис. 4.5. Универсальный аналоговый электронный вольтметр.

 

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжения, необходимые для дальнейшего преобразования. Им может быть либо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный, конденсаторный делитель напряжения (рис. 4.6).

Для резистивного делителя: КД=Uвых/Uвх= R2/(R1+R2)=f(ω)|ω↑.

Для конденсаторного делителя: КД=Uвых/Uвх=С1/(C1+C­2)=f(ω)|ω↓.

Для резистивно-конденсаторного делителя:

 

КД=Uвых/Uвх=Z2/(Z1+Z2) =R2/(R1+R2)= С1/(C1+C­2≠ f(ω).

Резистивно-конденсаторный делитель работает как резистивный в области низких и как конденсаторный в области высоких частот. Теоретически его КД не зависит от частоты, поэтому такой делитель называют частотно-скомпенсированным.

Обычно делители напряжения выпускаются многопредельными и выполняются по схеме с постоянным входным либо выходным сопротивлением (рис.4.7).

 
 
Электронные преобразователи (детекторы) осуществляют преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное амплитудному, среднему или действующему значениям переменного напряжения (соответствующее название носят и вольтметры):

 

Рис. 4.6. Делители напряжения:

а) резисторный;

б) конденсаторный;

в) резистивно-конденсаторный.

 

Рис. 4.7. Многопредельные делители напряжения:

а) с постоянным входным сопротивлением;

б) с постоянным выходным сопротивлением;

 

Преобразователь амплитудного значения ПАЗ изображен на рис. 4.8.

 

 

При подаче на его вход синусоидального напряжения и малой постоянной времени заряда τ3=(RИ+RД)С (RИ и RД – сопротивления источника сигнала и открытого диода) по сравнению с периодом измеряемого напряжения на конденсаторе практически повторяет входное и через четверть периода достигает Umax. После этого Uвх падает, и диод закрывается, а конденсатор разряжается через резистор R. В момент, когда входное напряжение вновь становится равным напряжению на конденсаторе, диод открывается, и конденсатор подзаряжается до Umax и т.д.

Среднее значение напряжения на Кпаз= Uсо/ Umax называется коэффициентом преобразования амплитудного значения: ПАЗ. Величину R нельзя взять бесконечно большой из-за наличия шунтирования следующим каскадом, а также из-за увеличения инерционности ПАЗ в случае изменения величины Umax (R от 10 до 50 МОм).

Если на входе ПАЗ действует последовательность прямоугольных импульсов, то выходное напряжение ПАЗ близко к их амплитуде Umax (рис. 2.9). Коэффициент заряда и разряда конденсатора. Таким путем можно измерять амплитуду импульсов с длительностью от десятых долей мкс и выше и скважностью от 2 до 1000.

Преобразователи среднего значениядиодах, соединенных по мостовой схеме (рис. 4.10). пропорциональны Uср, т.е. α=kUср (из-за инерцион Показания α микроамперметра ности подвижной части).При необходимости повышения чувствительности ПСЗ данная мостовая схема включается в качестве нагрузки усилителя переменного тока, охваченного отрицательной обратной связью по току.

Преобразователи действующего значения ПДЗ (рис. 4.11) строятся на основе термопреобразователей ТП в совокупности с операционными усилителями ОУ. ЭДС Е1 пропорциональна квадрату действующего значения Uвх, а Е2 – квадрату напряжения Uвых, т.е. Е1=k1U2вх д; Е2=k2U2вых. В свою очередь Uвых=k(E1-E2), где k1 и k2 – коэффициенты преобразования термопреобразователей ТП1 и ТП2, k – коэффициент усиления ОУ. В итоге

 

Uвых = k(k1U2вх д – k2U2вых) .

 

При k>>1 это соотношение сводится к виду

 
 
 
 

 

 

Рис. 4.11. Преобразователь действующего значения.

 

Таким образом, точность преобразования ПДЗ определяется отношением коэффициентов преобразования ТП и значительно выше, чем у обычных термоэлектрических приборов. Подобные ПДЗ наиболее эффективны при измерении напряжений, имеющих большое количество гармонических составляющих. Их γпр от 0,5 до 1,50%. Однако быстролействие из-за инерционности термопреобразователей низкое (от 1 до 3 с). Также в ПДЗ могут использоваться элементы с квадратичной вольт-амперной характеристикой i=kU2 (преобразователи на диодных цепочках).

Шкалы большинства вольтметров независимо от типа преобразования отградуированы в действующих значениях синусоидального сигнала, поэтому градуировка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметров с ПДЗ.

 

4.2. Цифровые вольтметры.

 

Принцип действия цифровых вольтметров состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в код, который отображается на табло в цифровой форме. Структурная схема цифрового вольтметра изображена на рис. 4.12.

Входное устройство осуществляет изменение масштаба измеряемого напряжения, фильтрацию помех, и, при измерении переменного напряжения, его преобразование в постоянное. В соответствии с назначением во входном устройстве имеется делитель напряжения, усилитель, фильтр, а также преобразователи ПАЗ, ПСЗ или ПДЗ, выполненные по известным схемам.

 

Рис. 4.12. Структурная схема цифрового вольтметра.

 

Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом АЦА. В соответствии с рассмотренными модификациями АЦП существуют цифровые вольтметры развертывающего типа, следящего типа, поразрядного уравновешивания. Наибольшее распространение получили интегрирующие вольтметры, которые позволяют повысить точность измерения за счет усреднения помехи.

Самой распространенной помехой является переменное напряжение частоты промышленной сети (50Гц). Для снижения действия помех в состав входного устройства и включают фильтр низких частот (ФНЧ), который вместе с тем ухудшает такие характеристики вольтметра, как сопротивление входа и быстродействие.

Для интегрирующего вольтметра ФНЧ не требуется, т.к. он показывает среднее значение входного напряжения за некоторый фиксированный интервал времени Uх ср. Действительно, в этом случае (рис. 4.13)

где Unm и ω – амплитуда и угловая частота напряжения помехи. Если tизм=2πm/ω=Tm, (m=1,2,3,…), то Uх ср=Uх.

Рассмотрим работу вольтметра с двухтактным интегрированием (рис. 4.14). В исходном состоянии аналоговые ключи Кл1 и Кл2, а также логический ключ Кл3 “разомкнуты”. Цикл измерения начинается с прихода на ключ Кл1 управляющего сигнала u1 с устройства управления УУ. В результате ключ Кл1 в течение времени ∆t1 ”замкнут”. Через него на вход интегратора И, построенного на операционном усилителе ОУ, подается измеряемое напряжение Uх.

∆t1 – это первый такт интегрирования. При Uх>0 напряжение на входе интегратора И во время первого такта линейно падает в соответствии с выражением

 
 

 

 

 

Рис. 4.14. Цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием:

а) функциональная схема;

б) эпюры напряжения.

 

По окончании первого такта U1=0, и ключ Кл1 “размыкается”. Одновременно на другом выходе УУ появляется импульсный сигнал, Устанавливающий триггер Т в состояние “1”. Выходным напряжением триггера U2 “замыкаются” ключи Кл2 и Кл3. Через ключ Кл2 на вход интегратора И поступает постоянное опорное напряжение U0, полярность которого противоположна полярности Ux. Тем самым начинается второй такт интегрирования, в течение которого выходное напряжение интегратора линейно возрастает:

 
 

Одновременно через открытый ключ Кл3 на счетчик Сч проходят импульсы u5 с генератора стабильной (кварцованной) частоты Г. Когда напряжение на выходе интегратора u4=0, срабатывает схема сравнения СС. Она обнуляет триггер Т, в результате чего “размыкаются” ключи Кл2 и КЛ3. Длительность второго такта определяется из условия

 
 
откуда имеем

 

Dt2 = Dt1 Ux ср/ U0 .

 

Число импульсов, сосчитанное счетчиком и отображенное на цифровом индикаторе ЦИ,

 

n = Dt1 Uxcp / (T0 U0) ,

 

т.е. прямо пропорционально величине Uх ср. Длительность ∆t1 выбирают равной или кратной периоду самой частой помехи – сетевой: ∆t1=20m мс, (m=1,2,…). За счет этого обеспечивается подавление сетевой помехи свыше 40 дБ. Интервал ∆t1 обычно формируется с помощью входящего в состав УУ триггерного делителя частоты, на вход которого поступают импульсы с выхода генератора Г (штриховая линия связи на рис. 4.14, а). В этом случае ∆t1=n1T0, тогда n=n1Ux ср/U0.

Погрешности такого цифрового вольтметра возникают из-за погрешности дискретного квантования ∆t2, от нестабильности U0, от влияния остаточных параметров аналоговых ключей, из-за неточного выполнения операций интегрирования реальным интегратором. Существуют и другие модификации цифровых вольтметров, в том числе классов точности 0,001 и 0,0025.

Цифровой индикатор ЦИ (цифровой дисплей) обычно включает в свой состав дешифратор, преобразователи уровня (ключи) и собственно знаковые индикаторы, осуществляющие преобразование кодовых электрических сигналов в световые, удобные для непосредственного восприятия оператором. Имеются знаковые индикаторы с катодами в форме цифр от 0 до 9, а также сегментные, в которых изображение той или иной цифры обеспечивается засвечиванием необходимой комбинации сегментов.

 

5. Измерение частоты и периода электрических сигналов

 

5.1. Измерение частоты электрических сигналов

 

Маркировка приборов для измерения частоты начинается с буквы Ч.

Частота колебаний – это число полных колебаний в единицу времени: f=1/T, где Т – период колебаний. Частота измеряется в герцах. 1Гц тождественно равен одному колебанию в секунду.

Измерение частоты выполняется с наибольшей точностью по сравнению с другими видами радиоизмерений, поэтому многие физические величины, подлежащие измерению, преобразуют предварительно в частоту для последующего точного измерения. Наиболее распространены следующие методы измерения частоты: метод перезаряда конденсатора, резонансный метод, метод сравнения и метод дискретного счета.

Сущность метода перезаряда конденсатора заключается в следующем. Если присоединить конденсатор емкости С к источнику напряжения U, то конденсатор зарядится и накопит количество электричества q=CU. Если теперь конденсатор разрядить на магнитоэлектрический амперметр, то через последний пройдет количество электричества q, вызвав отклонение указателя. Если эти две операции выполнять с частотой переключения fx раз в секунду, то через амперметр при разряде пройдет количество электричества fxq=fxCU=I, где I- среднее значение тока разряда. Следовательно, I прямо пропорционально fx, и при CU=const шкалу амперметра можно градуировать в Гц:fx=I/(CU).

Схема конденсаторного частотомера изображена на рис. 5.1,а, где приняты следующие обозначения: УФ – усилитель-формирователь, Кл – аналоговый электронный ключ. На рис. 5.1,б приведены эпюры напряжений, поясняющие работу схемы. Они полностью соответствуют изложенной выше сущности метода и не требуют дополнительных пояснений. Полупроводниковые диоды VD1 и VD2 обеспечивают разные пути протекания зарядного и разрядного токов конденсатора С.

Для смены диапазонов измерения частоты имеется набор конденсаторов С, которые коммутируются внешним переключателем. Нижний предел диапазона измерений fxmin≥10Гц, поскольку при более низких частотах подвижная часть амперметра будет совершать механические колебания в такт с измеряемой частотой. Верхний предел – 1МГц. Погрешность измерения – от 1 до 2%.

 

Рис. 5.1. Конденсаторный частотомер:

а) функциональная схема; б) эпюры напряжений.

Резонансный метод измерения частоты заключается в сравнении измеряемой частоты с собственной резонансной частотой градуированного колебательного контура. Схема резонансного частотомера показана на рис.5.2.

Источник fx с помощью индуктивного элемента связи соединяется с прецизионным измерительным контуром, который настраивается в резонанс с частотой fx изменением емкости переменного конденсатора. Момент резонанса фиксируется по максимальному показанию индикатора (вольтметра), присоединенного к контуру через второй индуктивный элемент связи. Измеряемая частота fx определяется по градуированной шкале микрометрического механизма настройки контура с большим числом отсчетных точек. Контур и индикатор конструктивно объединены в устройство, называемое резонансным частотомером. Область применения – диапазон сверхвысоких частот. Погрешность измерения – от 10 -3 до 5∙10 –4.

 
 

 

 

Рис. 5.2. Резонансный частотомер.

 

Метод сравнения для измерения частоты заключается в фиксации факта равенства или кратности частоты fx некоторой образцовой (точной) частоте fобр, значение которой известно. Для получения fобр применяют прецизионные генераторы измерительных сигналов. Индикатором равенства или кратности частот достаточно часто служит осциллограф.

При его линейной развертке сигнал fx сравнивается с частотой меток времени калибратора длительности fм. На пластины Х подается пилообразный сигнал развертки, на пластины Y – сигнал fx, импульсное напряжение с выходного калибратора длительности подается в так называемый канал Z (на модулятор яркости электронно-лучевой трубки) (рис.5.3). Устанавливают на экране два-три периода частоты fx и регулируют частоту меток fм так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода. Тогда fx= fм/n, где n – число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого напряжения.

При синусоидальной развертке внутренний генератор пилообразной развертки осциллографа отключается, и на пластины Х подается синусоидальное напряжение образцовой частоты с внешнего генератора. Изменяя образцовую частоту, добиваются получения осциллограммы в виде неподвижной или медленно перемещающейся фигуры Лиссажу. При равенстве или кратности частот фигура оказывается неподвижной. Кратность частот определяется по максимальному числу пересечений nГ и nВ осциллограммы (рис. 5.4) горизонтальной и вертикальной линиями. При этом fx = (nГ/nВ)fобр.

Если фигура Лиссажу на экране осциллографа вращается, то период повторения её формы характеризует неравенство частот: ∆f=fобр−fx=n/Tн, где n – число вращений за интервал времени наблюдения Тн. Синусоидальная развертка применяется до кратности 10, т.к. при большем числе пересечений их попросту трудно сосчитать. Погрешность метода сравнения – не хуже 10 – 4.

Благодаря широкому применению цифровых интегральных микросхем наибольшее распространение получил метод дискретного счета, в соответствии с которым переменное напряжение частоты fx преобразуют в последовательность однополярных импульсов той же частоты следования, число которых подсчитывают за эталонный промежуток времени. Данный метод положен в основу действия цифровых измерительных приборов – электронно-счетных частотомеров (рис.5.5).

Формирователь Ф1 осуществляет нормирование входного сигнала fx по амплитуде, полярности и длительности (превращает его в последовательность коротких однополярных прямоугольных импульсов той же частоты, совместимых с уровнями логических “0” и “1”, принятых в схеме частотомера). Если сигнал fx изначально представляет из себя такую последовательность, и другая его форма исключена, то необходимость включения Ф1 в схему частотомера отпадает.

Цепью, образованной генератором импульсов Г, делителем частоты ДЧ и триггером Т, формируется эталонный промежуток времени длительностью Т0, на который “замыкается ” логический ключ Кл.

Подсчет числа уложившихся в Т0 периодов сигнала fx и последующая индикация результата измерения осуществляются последовательно включенными счетчиком импульсов Сч, регистром памяти РП и цифровым индикатором ЦИ. Наличие регистра РП позволяет предотвратить смену показаний на индикаторе ЦИ во время поступления импульсов на вход счетчика Сч. Изменение длительности Т0 обеспечивается выбором потребного коэффициента деления ДЧ.

 

 

 

Рис. 5.5. электронно-счетный частотомер:

а) функциональная схема;

б) эпюры напряжений.

 

Формирователи Ф2 и Ф3, срабатывающие по спаду своего входного сигнала каждый, реализуют в частотомере микропрограммное управление, в соответствии с которым сразу же вслед за спадом импульса триггера Т, означающим завершение текущего цикла измерения, производится запись накопленной информации о частоте fx со счетчика Сч в регистр РП, и только затем обнуляется счетчик Сч, что подготавливает схему к следующему циклу измерения.

Число импульсов, подсчитанное счетчиком Сч,

 

n = T0 / Tx = T0 fx .

 

Если Т0=1с, то число n непосредственно дает значение измеряемой частоты fx в герцах. В реальных частотомерах предусматривается возможность задания и других значений Т0 из ряда Т0=10m c, где m=…, -3,-2,-1,0,+1,+2,…. Это нужно для измерения кратных или дольных значений fx. В таких случаях для приведения индицируемого на ЦИ результата к стандартным единицам измерения (Гц) фиксированно перемещают десятичную запятую на соответствующее число разрядов вправо или влево.

Погрешность электронно-счетного частотомера определяется двумя причинами, первой из которых является неточность задания интервала измерения Т0. Поскольку в качестве генератора используется высокостабильный генератор импульсов с кварцевой стабилизацией частоты, причем кварцевый резонатор обычно и термостатируется, то относительная нестабильность Т0 очень мала (∆Т0/Т0≤10– 9).

Более значимой, особенно при измерении низких частот, является погрешность дискретности, которая возникает в процессе кодирования временного интервала и составляет ±1 импульс. Относительная погрешность дискретности при измерении высоких частот несущественна. При измерении же, например, частоты промышленной сети γд=±1/n=±1/50=±2%.

Для снижения γд применяют либо предварительное умножение частоты fx*=Кfx, где К – кратность умножения, либо увеличивают Т0. В первом случае существенно усложняется схема прибора, во втором – увеличивается его инерционность (так, чтобы измерить fx=10Гц с погрешностью не хуже 0,1%, надо задать Т0=100с). Наиболее перспективен путь, когда измеряют период Тх низкочастотного сигнала, после чего аппаратурно (например, микропроцессором) вычисляют величину fx=1/Тх, которая и отображается на ЦИ. Погрешность метода дискретного счета – от 10 ­– 6 до 10 – 9 .

 

5. 2. Измерение периода электрических сигналов.

 

Маркировка приборов для измерения периода начинается с символов Ч3-. Наиболее эффективен при построении периодомеров метод дискретного счета (рис. 5.6).

Принцип действия электронно-счетного периодомера во многом аналогичен рассмотренному в п. 4.1. принципу действия электронно-счетного частотомера. Отличие лишь в том, что здесь логический ключ Кл замыкается не на фиксированную длительность эталонного промежутка времени, а на длительность измеряемого периода Тх. Пока ключ Кл замкнут, через него на счетчик Сч поступают тактовые импульсы из цепи Г-ДЧ. Чем больше Тх, тем до большего числадосчитает счетчик Сч, и, следовательно, код на его выходе является цифровым эквивалентом измеряемой величины. В остальном к периодомеру применимы все пояснения, изложенные выше в отношении цифрового частотомера.

Число импульсов, подсчитанное счетчиком Сч,

 

n = Tx / T0 = f0 Tx ,

 

где f0 – частота импульсов на выходе делителя частоты ДЧ. Значение f0 обычно выбирают из ряда: f0=10m Гц, где m – целое положительное число. В этом случае число n совпадает со значением Тх, выраженным в секундах или ее дольных единицах.

Рис. 5.6. Электронно-счетный периодомер:

а) функциональная схема;

б) эпюры напряжений.

 

Погрешности цифрового периодомера определяются нестабильностью частоты f0 импульсов на выходе делителя частоты ДЧ и дискретностью квантования Тх. Как указывалось выше, при кварцевой стабилизации частоты γf0≤10–9. Максимальное же значение относительной погрешности дискретности, равное также ±1/n, для периодомера падает при снижении частоты fх (что эквивалентно увеличению периода Тх). Чем меньше Тх, тем выше надо брать значение частоты f0, чтобы уменьшить погрешность дискретности.

Цифровой периодомер достаточно легко может быть трансформирован в измеритель временных интервалов ∆tx, задаваемых короткими импульсами Старт и Стоп. Для этого из его функциональной схемы (см. рис.5.6) следует изъять формирователь Ф1 и триггер со счетным входом Т и ввести триггер с устанавливающим и сбрасывающим входами (RS-триггер), выход которого подключить к управляющему входу ключа Кл и ко входу формирователя Ф2, а на входы S и R подавать импульсы Старт и Стоп соответственно. Аналогично с помощью этой же схемы можно измерять длительность прямоугольных импульсов, совместимых по низкому и высокому уровням с принятым в устройстве, если подавать их непосредственно на управляющий вход ключа Кл и на вход формирователя Ф2. Если совместимости по уровням не наблюдается, то в схему включается дополнительный входной формирователь (преобразователь уровней).

Поскольку в цифровых частотомере и периодомере используются одни и те же функциональные узлы, лишь скоммутированные по-разному, то на практике выпускаются универсальные цифровые измерительные приборы, позволяющие измерять частоту fх, период Тх, интервалы времени ∆tх, отношение частот f1/f2 и подсчитывать количество импульсов.

К этому же ряду приборов относятся цифровые хронометры (часы) и таймеры. Цифровой хронометр (часы) (рис. 5.7) предназначен для измерения времени. Его принцип действия сходен с принципами действия периодомера и измерителя временных интервалов. Цепь Г-ДЧ формирует последовательность импульсов частотой 1Гц (этой частоте соответствует период следования ровно 1с). Счетчик Сч1 с коэффициентом пересчета 60 осуществляет подсчет числа секунд, счетчик Сч2 с тем же коэффициентом пересчета – числа минут, счетчик Сч3 с коэффициентом пересчета 24 – числа часов. Текущее состояние всех трех счетчиков отображается на цифровых индикаторах ЦИ1, ЦИ2, ЦИ3.

 

 
 

 

 

Рис. 5.7. Функциональная схема цифрового хронометра.

 

Любые часы должны давать пользователю возможность оперативной корректировки их показаний с целью приведения в соответствие с текущим точным временем. Для этого в схеме присутствует узел коррекции УК. Смысл его функционирования сводится к тому, что последовательная цепочка из счётчиков механическими переключателями разрывается, и на входы сначала одного, затем другого и, наконец, третьего счётчика подаются импульсы из цепи Г-ДЧ. Как только текущее состояние корректируемого счётчика достигает потребного значения (контролируется по соответствующему индикатору), то подача импульсов на его вход прекращается. После этого счётчики со скорректированными таким образом состояниями вновь объединяются в последовательную цепочку, но вот подключение ко входу счётчика Сч-1 выхода ДЧ производится не сразу, а синхронно, к примеру, с сигналами точного времени.

Цифровой таймер (рис. 5.8) также предназначен для измерения времени, но не непрерывного, а в виде наперед заданных отрезков. Вначале пользователь внешними механическими переключателями задатчика кода ЗК устанавливает потребную длительность временного промежутка. С подачей управляющего импульса Старт осуществляется запись кода ЗК во входной регистр реверсивного счетчика РС (это второй равноценный способ предварительной установки состояния счетчика импульсов, первый был описан выше при анализе функционирования цифрового хронометра) и взводится триггер Т. Логическая “1” с выхода последнего поступает на управляющий вход генератора Г, разрешая генерацию тактовых импульсов.

 
 

 

Рис.5.8. Функциональная схема цифрового таймера.

 

Последовательность импульсов пониженной частоты с выхода делителя частоты ДЧ поступает на вычитающий вход счетчика РС, код на выходе которого, контролируемый по индикатору ЦИ, начинает монотонно уменьшаться. Как только счетчик РС досчитывает до нуля, на его выходе переполнения по минимуму появляется одиночный импульс, который сигнализирует об окончании заданного промежутка времени (Стоп) и сбрасывает триггер Т, прекращая тем самым дальнейшую генерацию импульсов. Если частота импульсов с выхода делителя ДЧ равна 1Гц, то время выдержки, задаваемое задатчиком ЗК, измеряется в секундах, если 1кГц, то в миллисекундах и т.д.

 

 

6. Измерение сдвига фаз

 

Измерение сдвига фаз осуществляется приборами – фазометрами, маркировка которых начинается с символов Ф2. Фазометры бывают аналоговые и цифровые. К аналоговым относятся электромеханические (например, логометры) и электронные фазометры. Электронный фазометр измеряет угол сдвига фаз между двумя периодическими напряжениями одной частоты в диапазоне частот до 1МГц (рис. 6.1).

Напряжения U1 и U1* подаются на два входа прибора. Одно из них (например, U1) является опорным. Усилители-формирователи УФ1 и УФ2 преобразуют входные сигналы по переходам из отрицательной полуплоскости в положительную и обратно в двуполярные импульсные напряжения прямоугольной формы с крутыми фонтами. Очевидно, что при этом исходный сдвиг фаз сохраняется неизменным.

 

 
 

 

Рис. 6.1. Электронный фазометр:

а) функциональная схема;

б) эпюры напряжений.

 

Дифференцирующие цепи ДЦ1 и ДЦ2 формируют по обоим перепадам короткие импульсы, полярность которых соответствует знаку производной от того или иного перепада во времени. Диодные цепи Д1 и Д2 отсекают импульсы ненужной полярности. Каждым первым импульсом триггер Т взводится, а вторым сбрасывается (обнуляется).Очевидно, что чем больше измеряемый сдвиг фаз ∆φх, тем больше длительность tφ прямоугольных импульсов на выходе триггера Т, к выходу которого через ограничивающий резистор подключен магнитоэлектрический микроамперметр.

 
 
Длительность каждого импульса на выходе триггера

где Т – период входных сигналов.

Тогда среднее значение тока через микроамперметр

 
 

Похожие статьи:

poznayka.org

Электрические измерения. Схема измерения величин напряжения, силы тока, сопротивления.

Измерение таких параметров как напряжение, сила тока, сопротивление для систем сигнализации не отличается от методов измерения перечисленных величин в других электрических цепях. Для дальнейшего рассмотрения темы нам понадобятся:

  • схема измерения,
  • закон Ома,
  • минимальные навыки пользования мультиметром (тестером).

Несколько небольших уточнений:

  • рассматриваемые методы измерений применимы к цепям, не содержащим емкостей и индуктивностей,
  • измерения электрических величин напряжения, тока, сопротивления производятся для участка цепи, имеющего активное сопротивление, поэтому приемлимы как для постоянного напряжения (тока) так и для переменного,
  • сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Вопросы влияния сопротивления соединений на значения параметров электрических цепей рассмотрены на странице "питание сигнализации, видеонаблюдения".
  • участки цепи, обозначенные на схемах как резистор (R), можете рассматривать как отдельный элемент или совокупность элементов электрической цепи, имеющих общее сопротивление R.

Схема электрических измерений

Измерение напряжения.

Это измерение производится путем подключения вольтметра (мультиметра в режиме "измерение электрического напряжения") параллельно измеряемому участку (схема на рис.1). Следует отметить, что измерение между точками 1-5 даст значение напряжения на всей цепи, остальные случаи - для соответствующих участков.

Эту схему мы еще используем, рассматривая вопросы измерения силы электрического тока и сопротивления при помощи вольтметра.

Измерение силы тока.

Используется амперметр или мультиметр (тестер) в режиме "измерение тока", подключаемые последовательно измеряемой цепи. Значение силы электрического тока измеряется для всей цепи (схема - рис.2).

Измерение сопротивления.

Наиболее трудоемкий процесс. Во первых, при непосредственном подключении тестера (мультиметра) (схема рис.3) напряжение и ток в цепи должны отсутствовать, во вторых, (схема рис.4) другие элементы (участки) цепи будут оказывать влияние на результат, поэтому их придется отключить, чтобы схема измерения соответствовала рисунку 3.

Выход, однако, есть. Его рассмотрим ниже.

Косвенные измерения электрических величин.

Для этого самое время вспомнить закон Ома. Формула, а также ее производные, которые нам понадобятся выглядят следующим образом:

I=U/R (формула 1),

U=I*R (формула 2),

R=U/I (формула 3), где

I - электрический ток U - напряжение R - сопротивление.

Единицы измерения (размерность) указанных величин соответственно:

А - ампер, В - вольт, Ом - ом.

На практике (для слаботочных цепей) они не всегда удобны, поэтому можно использовать:

мА - милиампер (1000 мА=1А), В - вольт, кОм - килоом. (1000 Ом=1кОм).

Внимание! Одновременно используйте единицы измерения из одного ряда. Если Вы подставляете в формулу закона Ома значения силы тока в мА, то сопротивление получите в кОм и никак иначе.

Измерения электрических величин Как можно видеть из приведенных выше формул, зная значения двух величин, можно вычислить третью. Рассмотрим практическое применение закона Ома при проведении измерений электрических величин. Из схемы измерения напряжения видно, что оно не требует нарушения электрической цепи, поэтому осуществляется наиболее просто. Измерение силы тока в последовательной цепи можно произвести один раз поскольку он будет одинаков во всех участках. Однако, следует быть внимательным, ибо, если схема цепи имеет вид, приведенный на рисунке слева, то суммарный ток распределится по участкам цепи, согласно закона Кирхгофа: I=I1+I2+In.

Завершая тему, продемонстрирую как на практике выглядит применение закона Ома при проведении электрических измерений.

Возьмем схему на рисунке 1. Предположим, что в результате измерений мы получили следующие значения:

Общая сила тока для цепи- I=0,5 A, Напряжения U1=10 B, U2=5 B.

Тогда значения сопротивлений будут:

R1=U1/I=10/0,5=20 Ом R2=U2/I=5/0,5=10 Ом.

Как видите, все просто.

© 2010-2018 г.г.. Все права защищены. Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов

labofbiznes.ru

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)

(4.14)

Рисунок 4.3 – Схема измерения напряжения методом

непосредственной оценки

Напряжение на этом же резисторе после включения вольтметра будет равно

 

(4.15)

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

(4.16)

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

(4.17)

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

(4.18)

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.

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:

(4.19)

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

(4.20)

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

(4.21)

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 напряженияв цепи компенсации отсутствует, т.е. практически измеряется значение ЭДС на зажимах источника напряжения;

- отсутствие тока в цепи гальванометра позволяет исключить влияниесопротивления 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.

 



infopedia.su

Измерение силы тока и напряжение мультиметром

 

Необходимость измерения напряжения в электрической системе у пользователя может возникнуть по самым разным причинам. В первую очередь, электроизмерения понадобятся для проверки исправности и работоспособности точек электрического потребления — розеток, светильников и выключателей. На контактах устройств напряжение должно равняться 220 В с допустимыми отклонениями.

Слишком высокое или низкое значение данной характеристики в электросети может привести к выходу из строя подключенного к системе электроснабжения оборудования. Потому пользователям иногда необходимо проверять величину напряжения, чтобы знать, грозит ли что-то установленным в доме электроприборам.

Когда следует измерять силу тока и напряжение?

Измерение электрического тока необходимо проводить после возникновения аварий, свидетельствующих о наличии каких-либо неисправностей в электропроводке. Говорить о проблемах может тусклый свет установленных светильников, частые перегорания ламп накаливания, нестабильная работа бытовой техники, срабатывание автоматических выключателей или УЗО. В подобных случаях обязательно нужно отключить все электрические потребители от сети и проверить напряжение в проводке.

Следует отметить, что не всегда причиной проблем являются поломки в электрической сети, скачки напряжения могут происходить по вине соседей, использующих мощные электрические устройства, к примеру, сварку. Многоквартирные дома подключаются от сети напряжением 380 В, при перегорании на общем кабеле нулевого проводника, все квартиры будут получать низкокачественную электроэнергию, из-за чего у одних потребителей в сети напряжение может быть ниже нормы, а у других — выше допустимых отклонений.

При любых проблемах с домашней электрикой обязательно следует обратиться к опытным специалистам или провести простые электроизмерительные работы самостоятельно. Измерить напряжение в сети можно различными способами и техническими средствами, самым распространенным из которых является мультиметр.

Измерение силы тока и напряжение мультиметром

Мультиметр — профессиональный и функциональный прибор, позволяющий измерить различные характеристики работы электросети. Такие устройства бывают аналоговыми и цифровыми, но работают они по одним и тем же принципам.

Чтобы измерить напряжение с помощью мультиметра, необходимо установить переключатель устройства на отметку 750 В при исследовании бытовых электросетей. На дисплее цифрового прибора при этом должны отобразиться три нуля, после этого пользователю нужно лишь вставить щупы измерителя в соответствующие отверстия розетки. На рисунке ниже представлены схемы подключения мультиметра для измерения силы тока, напряжения и сопротивления в сети.

Не стоит расстраиваться, если устройство отобразит результат измерений выше или ниже нормальных 220 В. В бытовых электросетях допустимое отклонение, не опасное для потребителей, составляет 10%, потому нормальным будет считаться напряжение от 198 до 242 В.

При проверке сети мультиметром обязательно нужно следовать технике безопасности, сначала проверяется работоспособность устройства и наличие изоляции на щупах. Проблемы с изоляцией могут привести к поражению пользователя электрическим током. Важно также правильно выбрать режим работы мультиметра, если установить не тот режим, измерительный прибор может выйти из строя.

Проверка напряжения индикатором

Мультиметр — это профессиональный прибор, который есть в наличии далеко не у всех пользователей электросетей. Если у вас такого устройства нет, а нужно проверить напряжение в сети, можно воспользоваться простой индикаторной отверткой. Индикатор позволяет определить напряжение на контактах розетки или другой точки потребления, но точную величину напряжения простой тестер не указывает.

Чтобы проверить наличие напряжение в сети тестером, необходимо поочередно дотронуться жалом отвертки до контактов розетки, прикасаясь пальцем к металлическому пятаку на устройстве. Если лампочка в рукоятке загорится, значит, в сети есть напряжение.

podvi.ru


© ЗАО Институт «Севзапэнергомонтажпроект»
Разработка сайта