Измерение тока и напряжения в электрических цепях: методы, приборы и особенности

Как правильно измерять ток и напряжение в электрических цепях. Какие приборы используются для измерения тока и напряжения. Какие особенности нужно учитывать при измерении постоянного и переменного тока. Как расширить пределы измерения амперметров и вольтметров. Какие методические погрешности возникают при измерениях.

Основные методы измерения тока и напряжения

Измерение тока и напряжения — одна из важнейших задач в электротехнике и электронике. Существует несколько основных методов измерения этих величин:

• Прямой метод — с помощью амперметров и вольтметров
• Косвенный метод — через измерение других величин
• Компенсационный метод — с использованием компенсаторов

Рассмотрим подробнее каждый из этих методов и их особенности.

Прямой метод измерения тока и напряжения

Прямой метод является наиболее распространенным способом измерения тока и напряжения. Он основан на использовании специализированных измерительных приборов:

• Амперметров — для измерения силы тока
• Вольтметров — для измерения напряжения

Амперметр включается в цепь последовательно с нагрузкой, а вольтметр — параллельно исследуемому участку цепи.

Особенности включения амперметра

При включении амперметра в цепь необходимо учитывать следующие моменты:

• Внутреннее сопротивление амперметра должно быть как можно меньше, чтобы не влиять на режим работы цепи
• Ошибочное включение амперметра параллельно нагрузке может привести к его повреждению из-за большого тока
• Для расширения пределов измерения используются шунты

Особенности включения вольтметра

При измерении напряжения вольтметром важно помнить:

• Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть как можно больше
• Для расширения пределов измерения применяются добавочные резисторы
• Ошибочное включение вольтметра последовательно с нагрузкой не опасно для прибора

Косвенный метод измерения тока и напряжения

Косвенный метод основан на измерении других электрических величин и последующем расчете искомых тока или напряжения. Например:

• Измерение тока через падение напряжения на эталонном резисторе
• Определение напряжения по известному току и сопротивлению участка цепи

Этот метод позволяет повысить точность измерений, особенно при малых значениях тока и напряжения.

Компенсационный метод измерения

Компенсационный метод обеспечивает наиболее высокую точность измерений. Его суть заключается в уравновешивании (компенсации) измеряемой величины известной эталонной величиной.

Для реализации этого метода используются специальные приборы — компенсаторы постоянного и переменного тока. Они позволяют измерять ЭДС, напряжение, ток и сопротивление.

Измерение постоянного тока

Для измерения постоянного тока используются следующие приборы и методы:

• Магнитоэлектрические амперметры — для токов от 10^-3 до 10² А
• Микроамперметры — для малых токов менее 10^-3 А
• Компенсаторы постоянного тока — для высокоточных измерений
• Цифровые амперметры — универсальные приборы

При измерении больших постоянных токов (свыше 100 А) применяют амперметры с шунтами.

Измерение переменного тока

Особенности измерения переменного тока:

• Необходимо учитывать, какое значение тока измеряется — действующее, амплитудное или среднее
• Для малых токов (до 100 мкА) используют цифровые микроамперметры
• Токи 10 мА — 100 А измеряют электромагнитными, электродинамическими и выпрямительными приборами
• На высоких частотах применяют термоэлектрические амперметры

Для измерения больших переменных токов используют измерительные трансформаторы тока.

Расширение пределов измерения амперметров

Для расширения пределов измерения амперметров применяют:

• Шунты — для постоянного тока
• Измерительные трансформаторы тока — для переменного тока

Шунт представляет собой резистор с малым сопротивлением, включаемый параллельно амперметру. Это позволяет пропустить через шунт большую часть измеряемого тока.

Измерение постоянного напряжения

Для измерения постоянного напряжения используются:

• Магнитоэлектрические вольтметры — для напряжений от десятков мВ до сотен В
• Цифровые вольтметры — универсальные приборы
• Компенсаторы постоянного тока — для высокоточных измерений
• Электростатические вольтметры — для высоких напряжений до нескольких кВ

При измерении больших напряжений применяют делители напряжения и добавочные резисторы.

Измерение переменного напряжения

Особенности измерения переменного напряжения:

• Малые напряжения (до единиц вольт) измеряют выпрямительными и электронными вольтметрами
• Напряжения от единиц до сотен вольт — приборами электромагнитной и электродинамической систем
• На высоких частотах применяют электростатические вольтметры
• Для измерения высоких напряжений используют измерительные трансформаторы напряжения

Расширение пределов измерения вольтметров

Для расширения пределов измерения вольтметров применяют:

• Добавочные резисторы — для постоянного напряжения
• Измерительные трансформаторы напряжения — для переменного напряжения
• Емкостные делители напряжения — для высоких переменных напряжений

Методические погрешности при измерении тока и напряжения

При измерении тока и напряжения возникают методические погрешности, связанные с влиянием измерительных приборов на режим работы исследуемой цепи:

• Включение амперметра увеличивает сопротивление участка цепи
• Подключение вольтметра уменьшает сопротивление нагрузки

Для уменьшения этих погрешностей необходимо выбирать приборы с оптимальными параметрами:

• Амперметры с минимальным внутренним сопротивлением
• Вольтметры с максимальным внутренним сопротивлением

Выбор метода измерения тока и напряжения

При выборе метода измерения тока и напряжения следует учитывать следующие факторы:

• Род тока (постоянный или переменный)
• Диапазон измеряемых величин
• Требуемую точность измерений
• Частотный диапазон (для переменного тока)
• Возможность непосредственного подключения приборов

Правильный выбор метода и средств измерения позволяет получить достоверные результаты с минимальными погрешностями.

Заключение

Измерение тока и напряжения — важнейшая задача в электротехнике. Существует несколько методов измерения этих величин, каждый из которых имеет свои особенности и область применения. Правильный выбор метода и измерительных приборов позволяет получить точные результаты в различных условиях.

измерение электрического тока измерение силы электрического тока

Основными определяющими параметрами любой электрической цепи является напряжение, сила тока и сопротивление. Их взаимосвязь определяется известным со школьной физики законом Ома, суть которого заключается в том, что любую из этих величин можно определить, зная две другие (формула ниже).

При этом сила тока имеет прямую зависимость от напряжения и обратную от сопротивления. Существует три основных метода измерения силы тока и параметров электрической цепи.

Прямой метод измерения электрического тока

Данный способ получения любых характеристик электрической цепи наиболее распространен на практике. Под прямым методом измерения подразумевается получение искомых значений силы тока, напряжения или сопротивления с помощью соответствующих измерительных приборов. Информация на них может отображаться цифровым или аналоговым способом. Выбор конкретной модели зависит от необходимой точности искомых значений и собственной погрешности устройства.

Измерение силы тока в электрической цепи осуществляется амперметрами. Чем меньше будет внутренние сопротивление прибора, тем более точные данные он отобразит. Необходимо отметить что устройства, оснащенные стрелочным указателем менее точны по сравнению с приборами, которые отображают информацию в цифровом виде.

Измерение силы тока в собранной цепи проводиться при последовательном включении прибора в разрыв между элементами. Это одно из важных условий при наличии постоянного тока. Измерение силы в электрической цепи с переменным электрическим током можно провести без нарушения ее целостности, просто охватив провод специальными клещами. В данном варианте амперметр работает по принципу трансформатора. Любой проводник при прохождении переменного тока, обладает внешним магнитным полем, которое создает поток на измерительных контактах и индуцирует напряжение на обмотках.

Но в отдельных случаях использование прямого метода измерения невозможно. Это, например, относится к вариантам предварительного расчета электрической схемы или, когда сама конструкция рабочей схемы не позволяет провести разрыв цепи. В этой ситуации прибегают к косвенному или компенсационному методам измерения силы тока.

Косвенный метод определения силы тока в электрической цепи

В основе данного метода измерения лежит правило: зная зависимость трех параметров, всегда можно определить один из них при известных данных двух других значений. Для электрической цепи справедлив закон Ома, в соответствии с которым сила тока (I) имеет прямую зависимость от напряжения (U) или разности потенциалов. Формула закона для участка цепи выгладит следующим образом:

I = U/R, где R – это сопротивление (в Омах) на участке электрической цепи. Из уравнения видно, что сила тока имеет обратную зависимость от сопротивления.

Косвенный метод позволяет осуществлять измерение силы тока как эмпирическим путем, так и математическим вычислениями. В первом случае исходные значения напряжения и сопротивления определяются вольтметром и омметром. Во втором варианте эти данные берутся из расчетных показателей электрической схемы. Необходимо помнить, что при математическом расчете параметров электрической цепи будут получены абсолютные значения, соответствующие идеальным данным. На практике, они могут значительно отличаться из-за характеристик материалов, внешних факторов и т.д.

Также при косвенном методе можно определить искомые параметры зная потребляемую мощность устройства (Р), которая является произведением напряжения и силы тока (Р=U x I).

Компенсационный метод измерения силы тока

Компенсационный метод базируется на уравновешивании двух электрически самостоятельных параметров (напряжения или тока) и выполняется посредством введения таких величин в цепь индикатора баланса.

При данном варианте измерения силы тока используют дополнительную нагрузку с известным значением сопротивления. При порождении тока через резистор на выходе измеряют падение напряжения на участке и сравнивают данные. В результате получаем уравнение, с помощью которого можно легко определить искомое значение.

Этот метод измерений положен в принцип действия потенциометров. Преимуществом измерения силы тока в данном варианте является высокая точность показателей при минимальной погрешности. Компенсационный метод измерения показал свое наибольшую эффективность при измерении минимальных значений силы тока в сотые и тысячные доли ампера.

Схема компенсатора эдс с нормальным элементом: Uвсп — источник вспомогательного напряжения; R — калиброванное сопротивление; rpeг — регулировочное сопротивление; EN — нормальный элемент; Ip — рабочий ток; Г — гальванометр; П — переключатель; Ux — измеряемое напряжение.

В заключение отметим что наиболее распространенным вариантом измерения силы тока можно назвать прямой метод. Он является самым простым для использования в бытовых целях. Для получения боле точных данных и снижения погрешности необходимо прибегнуть к косвенному или компенсационному способу.

Добавить отзыв

Измерение тока и напряжения

· Измерение тока

Для измерениятока используетсяамперметр, включаемый в цепь последовательно с электроприемником (см. рис. 2.7.). Показания амперметра позволяют судить с определенной погрешностью (см. разд. 2.5) о токе I_Н, протекающем через данный электроприемник – нагрузку R_Н.

Рис. 2.7. Схема включения амперметра для измерения тока

При измерении переменного синусоидального тока приборы электромагнитной, электродинамической, выпрямительной и тепловой систем будут давать отклонения, пропорционально действующему значению тока и в этих значениях, как правило, градуируют шкалы этих приборов.

При измерении несинусоидального переменного тока появляется дополнительная погрешность, вызванная влиянием высших гармоник в кривой тока на вращающий момент подвижной части и отклонение стрелки и, следовательно, на показания прибора

.

Сопротивление измерительной катушки амперметра очень малои его последовательное включение с нагрузкой практически не вызывает увеличение сопротивления цепи и потери мощности. Так, внутреннее сопротивление амперметров колеблется от R_А=0,2 Ом (электромагнитные и электродинамические системы амперметров) до R_А= 0,01 Ом (магнитоэлектрические приборы ).

Ошибочное включение амперметра не последовательно, а параллельно электроприемнику (нагрузке) приводит к его подключению на сравнительно высокое напряжение и практически к короткому замыканию цепи. В этом случае, протекающий через амперметр ток

I_КЗ станет намного больше номинального тока I_Н (I_КЗ/I_Н = 10 ¸ 1000), и будет ограничен только малым собственным сопротивлением катушки прибора. Большой ток вызовет чрезмерно большое тепловыделение в проводе катушки (Р =(I_КЗ)²R_А), быстрый перегрев катушки и перегорание ее проводников, после чего амперметр выходит из строя.

Поэтому необходимо тщательно проверять правильность включения амперметра в измеряемой схеме до того, как к ней подано напряжение!

· Расширение пределов измерения амперметра

Для расширения пределов измерения амперметров применяют шунты и измерительные трансформаторы тока.

Шунт представляет собой активное сопротивление (резистор) R_Ш сравнительно малой величины, включаемое параллельно к зажимам амперметра (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема включения амперметра с шунтом для измерения больших токов

В том случае, когда сопротивление шунта R_Ш меньше сопротивления измерительной катушки амперметра R_A, сравнительно большая часть измеряемого тока I_Н проходит через шунт, а в амперметр ответвляется только его небольшая часть I_A, определяемая соотношением сопротивлений амперметра R_A и шунта R_Ш:

. (2.10)

Шкала амперметра с шунтом градуируется на полный ток I_Н, протекающий через нагрузку.

Таким образом, использование в амперметрах шунтов позволяет измерять большие постоянные или синусоидальные токи приборами, измерительные катушки которых рассчитаны на малые токи.

· Измерение напряжения

Для измерения напряженияиспользуются вольтметры. Зажимы этих приборов включаются параллельно нагрузке, как показано на рисунке ниже.

Рис. 2.10. Схема включения вольтметра для измерения напряжения

Чтобы включение вольтметра не приводило к заметному изменению токов в цепи и режима работы нагрузки, его собственное сопротивление R_Bдолжно быть намного больше сопротивления нагрузки R_H. Оно колеблется от 3–5 кОм (электромагнитные и электродинамические приборы) до 6–10 кОм (магнитоэлектрические приборы) и свыше 10 кОм (электронные приборы).

При таком включении вольтметра отклонение его стрелки будет пропорционально напряжению на том участке цепи, к которому он подключен.

Вольтметры переменного тока указывают действующее значение измеряемого напряжения.

При ошибочном включении вольтметра, то есть последовательно с электроприемником, напряжение которого должно быть измерено, прибор не будет поврежден, так как через него будет протекать ничтожно малый ток из-за очень большого внутреннего сопротивления вольтметра. В то же время, показания вольтметра при таком включении будут неверны, так как напряжение на нагрузке значительно уменьшится (в сотни и тысячи раз), а вольтметр будет показывать напряжение, близкое к напряжению источника питания.

· Расширение пределов измерения вольтметра

Для расширения пределов измерения вольтметра используют добавочное активное сопротивление R_Д, включаемое последовательно с измерительной катушкой вольтметра.

Рис. 2.11. Схема включения вольтметра с добавочным сопротивлением
для расширения пределов измерения напряжения

Величина добавочного сопротивления R_Д рассчитывается, исходя из требуемой кратности расширения предела измерения n_u

n_u = U_Н/U_B(2. 12)

по формуле:

R_Д = R_B (n-1), (2.13)

где U_Н – измеряемое напряжение на нагрузке, U_B – напряжение на вольтметре,
R_B – активное сопротивление измерительной катушки вольтметра.

 

	|	следующая лекция ==>
Порядок выполнения работы	|	Основные сведения из гидравлики

---

Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 163; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

---

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ.

Измерение постоянного и переменного токов. Для измерения тока в каком-либо элементе электрической цепи последовательно с ним включа­ют измеритель тока — амперметр (рис. 1.19).

При измерении малых постоянных токов (менее 10^—3 А) используются прямые и косвенные методы измерения. В первом случае ток измеряют приборами непосредственной оценки, например магнитоэлектрическими микроамперметрами. Для увеличения чувствительности применяют уси­лители постоянного тока.

Более точным, но и более сложным является косвенное измерение тока, при котором в измерительную цепь включают резистор с известным сопротивлением и на нем измеряют падение напряжения компенса­ционным методом. Искомый ток находят по формуле .

Рис 1.19 Измерение тока амперметром. Рис 1.20 Измерение напряжения компенсационным методом.

На рис. 1.20 показана принципиальная схема измерения напряже­ния U компенсационным методом. В верхнем контуре под действием ЭДС вспомогательного источника питания создается рабочий ток . Его значение регулируется резистором устанавливается с использованием нормального элемента , ЭДС которого известна с высокой точностью. Регулировкой сопротивления резистора R_рег добиваются отсутствия тока в нуль-индикаторе НИ (переключатель П в положении 1). В этом случае справедливо равенство

Поскольку ЭДС нормального элемента и значение сопротивления известны с высокой точностью, то значение получают также с высокой точностью. В положении 2 переключателя П измеряемое напряжение сравнивается с компенсирующим напряжением создаваемым током на компенсирующем сопротивлении При отсут­ствии тока в НИ напряжение уравновешено напряжением т.е.

Из этого выражения видно, что точность измерения определя­ется точностью сравнения его с , т.е. чувствительностью НИ и не­изменностью рабочего тока , т.е. стабильностью . В свою очередь, точность зависит от точности изготовления резистора .

Выпускаемые промышленностью компенсаторы имеют следующие классы точности: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Максимальное напряжение, измеряемое компенсатором непосред­ственно, составляет 2,12111 В.

Постоянные токи порядка 10^-3 — 10² А измеряют, как правило, приборами непосредственной оценки — миллиамперметрами и ам­перметрами магнитоэлектрической, электромагнитной и электроди­намической систем, а также электронными аналоговыми и цифровы­ми приборами.

Для измерения больших постоянных токов (свыше 100 А) обычно применяют амперметры магнитоэлектрической системы с использо­ванием шунтов, подключаемых параллельно измерительному меха­низму ИМ (рис. 1.21, а).

— коэффициент шунтирования; — измеряемый ток; — допустимый ток измерительного механизма.

При измерении переменных токов важно, какое значение тока из­меряется действующее, амплитудное или среднее. Это вызвано тем, что все приборы градуируются в действующих значениях синусои­дального тока, а реагируют подвижные части некоторых измеритель­ных механизмов на среднее значение измеряемой величины.

Переменные токи до 100 мкА измеряют обычно цифровыми мик­роамперметрами. Токи свыше 100 мкА измеряют выпрямительными микроамперметрами Для измерения переменных токов в диапазоне 10 мА — 100 А используют электромагнитные, электродинамические и выпрямительные приборы, работающие в частотном диапазоне до десятков килогерц, и термоэлектрические приборы в диапазоне час­тот до сотни мегагерц. Большие переменные токи измеряют теми же приборами, но с использованием измерительных трансформаторов тока ТТ (рис. 1.22,а). В этом случае для определения значения измеря­емого тока необходимо показание прибора умножить на коэф­фициент трансформации ( указывается в паспорте тран­сформатора). Зажимы Л₁,Л₂ и И₁, И₂ называются соответственно вход­ными и выходными зажимами трансформатора тока.

Рис 1 22 Измерение тока и напряжения с Рис 1.21. Измерение тока и апряжения использованием шунта (а) и добавочных с использованием измерительных резисторов (б) . трансформаторов.

Измеряют переменные токи и косвенным способом. В этом случае последовательно в измерительную цепь включают образцовый резис­тор и измеряют падение напряжения на нем.

При измерении тока включение в измеряемую цепь амперметра с внутренним сопротивлением или образцового резистора изменяет ре­жим работы цепи. Вследствие этого появляется методическая погреш­ность измерения тока.

где — входное относительно зажимов амперметра сопротивление цепи. Чем меньше сопротивление обмотки амперметра, тем мень­ше методическая погрешность измерения.

Измерение постоянного и переменного напряжений. При измерении ЭДС и напряжения на каком-либо участке электрической цепи вклю­чают измеритель параллельно этому участку (рис. 1.23). При измере­ниях постоянных напряжений в диапазоне 1 — 1000 мкВ используют цифровые микровольтметры и компенсаторы постоянного тока. Зна­чения напряжений от десятков милливольт до сотен вольт измеряют приборами магнитоэлектрической, электромагнитной, электродина­мической систем, электронными аналоговыми и цифровыми воль­тметрами с использованием делителей напряжения и добавочных ре­зисторов.

Схема включения вольтметра с добавочными резисторами приведена на рис.1.21,б. Сопротивление их определяется из условия

,

где — внутреннее сопротивление вольтметра; — масштабный коэффициент.

Для измерения постоянных напряжений до нескольких киловольт применяют в основном электростатические вольтметры, реже приборы других систем с делителями напряжения.

 

Рис.1.23 Измерение напряжения вольтметром.

Малые переменные напряжения (до единиц вольт) измеряют с по­мощью приборов выпрямительной системы, аналоговыми и цифро­выми электронными вольтметрами. Для измерения переменных на­пряжений от единиц до сотен вольт в диапазоне частот до десятков килогерц используют приборы электромагнитной, электродинами­ческой и выпрямительной систем. В диапазоне частот до десятков мегагерц напряжение измеряют приборами электростатической и тер­моэлектрической систем, цифровыми вольтметрами.

Большие значения переменных напряжений (свыше киловольта) измеряют теми же приборами, но с применением измерительных трансформаторов напряжения (см. рис. 1.22,6). Последние, кроме пре­образования переменного напряжения, обеспечивают изоляцию вто­ричной цепи от первичной, находящейся под высоким напряжением.

При включении вольтметра с внутренним сопротивлением R_v к участку электрической цепи изменяется режим ее работы. В этом слу­чае возникает методическая погрешность измерения напряжения

, (1.22)

где — входное относительно зажимов вольтметра сопротивле­ние цепи.

Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения.

Задача 1.11. Рассчитать многопредельный шунт (рис. 1.24,а) к из­мерительному механизму М342 на пределы измерения токов 5; 20; 30 А. Сопротивление цепи измерителя Ом. При включении любо­го предела измерения наибольшее падение напряжения на шунте до­лжно быть равно 75 мВ.

Решение. Сопротивление шунта где — коэффициент шунтирования; — измеряемый ток; —ток в измерителе

Рис. 1.24. К задачам 1.11 и 1.12.

Ток в ветви измерителя А . Коэффициенты шунтирования и сопротивления шунта для заданных пределов измерения:

при токе 5А n=5/0,03=167,

Ом;

при токе 20А n=20/0,03=667,

Ом , откуда определяется ;

при токе 30А n=30/0,03=1000, Ом , откуда определяется

Зная и опреде­ляем

Ответ Ом; Ом; Ом.

Задача 1.12.Вольтметр постоянного напряжения с пределом измере­ния В имеет внутреннее сопротивление Ом. Определить сопротивления добавочных резисторов, которые нужно подклю­чить к вольтметру, чтобы расширить пределы измерения до 15 и 75 В (см. рис. 1.24,б). Найти ток полного отклонения указателя.

Решение. Сопротивление добавочного резистора

,

где — коэффициент, определяемый отношением напряжений. Ток в вольтметре при полном отклонении стрелки

А.

Ответ: Сопротивления добавочных резисторов

Ом; Ом,

Ом.

Задача 1.13. Определить цену деления вольтметра с_у и амперметра с , подключаемых к объекту измерения через измерительные тран­сформаторы напряжения и тока с заданными коэффициентами тран­сформации. Данные вольтметра, амперметра и ответы приведены в табл. 1.6. ,

Таблица1.6.

Прибор			Цена деления приборов
Вольтметр
Амперметр	2. 5		0,25
	5,0		0.50
	7,5		0,75
	10,0		1,00

 

Задача 1.14. Определить сопротивление шунта и ток шунта к миллиамперметру, ток полного отклонения которого мА и внутреннее сопротивление Ом. Требуется использовать при­бор для измерения тока до А.

Ответ: Ом; А.

Задача 1.15. К вольтметру, сопротивление которого кОм, подключен резистор с сопротивлением кОм. При этом верхний предел измерения прибора составляет 600 В. Определите, какое на­пряжение можно измерять прибором без добавочного резистора ?

Ответ: 150 В.

Задача 1.16. Для расширения верхнего предела измерения элек­тростатического вольтметра, имеющего верхний предел измерения 300 В и пФ, до 3 кВ используется емкостный делитель напряжения. Определите емкость если пФ.

Ответ: 4470 пФ.

1.5. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ЦЕПЯХ

Измерение мощности осуществляют с помощью прямого и косвен­ного методов. При прямом методе используют ваттметры, при кос­венном — амперметры и вольтметры.

Измерение мощности в цепях постоянного тока. В цепях постоян­ного тока мощность измеряют методом амперметра — вольтметра. Измерив амперметром ток I и вольтметром напряжение U (рис. 1.25), вычисляют мощность приемника:

(1.23)

Для уменьшения погрешности из-за влияния внутренних сопро­тивлений приборов схему рис. 1.25, а следует использовать при малых значениях сопротивления R, а схему рис. 1.25,5 — при больших.

Рис. 1.25. Измерение электрический мощности методом амперметра — вольтметра.

 

Рис 1.26 Измерение активной мощности Рис 1 27 Измерение реактивной мощности в однофазных цепях. в однофазных цепях.

Измерение мощности в однофазных цепях синусоидального тока.

Полную мощность S приемника измеряют, как правило, методом амперметра-вольтметра:

(1.24)

где и — действующие значения напряжения и тока.

Активную и реактивную мощности прием­ников измеряют с помощью ваттметров и варметров. В качестве ват­тметров и варметров применяют электродинамические приборы.

Измерение активной мощности в однофазных цепях производят по схеме рис. 1.26. Токовую обмотку включают в цепь последовательно с приемником, т е. в цепь тока I, а обмотку напря­жения — параллельно приемнику Z на напряжение U. Угол отклонения указателя пропорционален активной мощности:

(1.25)

Измеренную ваттметром активную мощность вычисляют из выра­жения

(1.26)

где — цена деления шкалы ваттметра

Измерение реактивной мощности в однофазных цепях проводят с помощью реактивных ваттметров, называемых варметрами. В этих приборах схемным путем создается искусственный сдвиг фаз на 90° между напряжением U на приемнике и током в обмотке напряжения прибора На рис. 1.27 показаны электрическая схема и векторная диаграмма токов и напряжений варметра. Из схемы рис. 1.27, а видно, что последовательно с параллельной обмоткой прибора и добавочным резистором R включена индуктивная катушка с сопротив­лением а параллельно к этой обмотке (зажимы а и b) подключен резистор с сопротивлением Тогда ток при соответствующем подборе параметров оказывается сдвинутым по фазе относительно напряжения Uровно на 90°, что видно на рис. 1.27,б. В результате этого вращающий момент получается пропорциональным sinφ , где φ — угол сдвига фаз между напряжением и током приемника:

т.е. вращающий момент пропорционален реактивной мощности : Угол отклонения стрелки варметра (на основании равенства : (1.27)

пропорционален реактивной мощности.

Измерение мощности в трехфазных цепях синусоидального тока. Полная мощность при симметричном приемнике может быть измере­на методом амперметра — вольтметра и вычислена по формуле , (1.28) где — действующие линейные напряжение и ток.

(1.29) где — комплексные мощности фаз приемника. Измерение активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях проводят с помощью трех, двух или одного ваттметра, используя раз­личные схемы их включения.При измерении активной мощности в четырехпроводной цепи включают три ваттметра (рис. 1.28). Активную мощность приемника определяют по сумме показаний трех ваттметров: .

При симметричном приемнике активную мощность приемника опре­деляют с помощью одного ваттметра, измеряя активную мощность одной фазы по схеме рис. 1.29. Активная мощность всего трехфазного приемника равна при этом утроенному показанию ваттметра:

На рис. 1.29, а,бпоказано включение прибора непосредственно в одну из фаз приемника. В случае если нейтральная точка приемника недоступна или зажимы фаз приемника, включенного треугольником, не выведены, применяют схему рис. 1. 29,в, называемую схемой с искусственной не­йтральной точкой. В этом случае дополнительно в две фазы включают резисторы с сопротивлением .

Измерение активной мощности симметричного приемника в трех­фазной цепи одним ваттметром применяют только при полной гаран­тии симметричности трехфазной системы.

Схему двух ваттметров широко применяют для измерения активной мощности симметричного или несимметричного приемника. Этот метод пригоден только для трехпроводных трехфаз­ных цепей. Показания двух ваттметров при определенной схеме их включения позволяют определить активную мощность трехфазного приемника, включенного в цепь с симметричным источником напря­жения питания. На рис. 1.30 показана одна из возможных схем вклю­чения ваттметров: здесь токовые катушки включены в линейные про­вода с токами и , а катушки напряжения — соответственно на линейные напряжения и .

а) б) в)

Рис 1.29 Измерение активной мощности при симметричном приемнике в трех­фазной цепи.

 

 

Рис. 1.30. Измерение активной мощности трехфазной цепи с помощью двух ваттметров.

 

Докажем, что ваттметры в схеме рис. 1.30,а измеряют активную мощ­ность трехфазного приемника. Мгновенная мощность трех фаз приемни­ка соответствует выражению . Заменяя значение тока через два других тока , получаем . или для линейных токов и напряжений источника

(

Среднюю, т.е. активную мощность, выраженную через действующие напряжения и токи, определяют из выражения

. (1.30)

Ввиду того, что косинусы углов в полученной формуле могут быть как положительными, так и отрицательными, в общем случае активная мощность приемника, измеренная по методу двух ваттмет­ров, равна алгебраической сумме показаний.

На рис. 1.30,б приведена векторная диаграмма токов и напряже­ний для схемы рис. 1.30,а при симметричном активно-индуктивном приемнике, включенном звездой. Здесь α — угол между векторами и ^{,а β — угол между векторами и При симметричном приемнике, как видно из векторной диаграммы, сумма показаний ваттметров равна}

или

, (1. 31)

где φ — угол сдвига фаз между напряжением и током .

Возможны и другие схемы включения приборов для измерения ак­тивной мощности трехфазной цепи с помощью двух ваттметров (рис.1.31).

Рис 1.31 Электрические схемы включения вапмефов для измерения актив­ной мощности гречфазной цепи

 

Рис 1 32 Схема включения вапмефа для измерения реакшвной мощноеш фехфазной цепи (л) и векторная диаграмма (6) для эюн схемы.

Рис 1 3 Схема включения однофазного счетчика энергии.

Для измерения активной мощности в трехфазных трехпроводных це­пях промышленных установок и на электростанциях широкое примене­ние находят двухэлементные трехфазные электродинамические и ферро- динамические ваттметры, которые содержат в одном корпусе два изме­рительных механизма и общую подвижную часть Катушки обоих меха­низмов соединены между собой по схемам, соответствующим рассмотренномч методу двух ваттметров Показание двухэлементного ваттметра равно активной мощности трехфазного приемника

Измерение реактивнои мощности симметрич­ного приемнка, включенного в трехпроводную трехфазную цепь можно осуществить одним ваттметром, включив его по схеме рис. 1.32,а. Эта схема отличается от схемы рис. 1.29, применяемой для изме­рения активной мощности. Так, если токовая обмотка ваттметра включена в линейный провод с током , то обмотка напряжения подключается к двум остальным проводам, т.е. на напряжение (на «чужое» напряжение).

Как видно из векторной диаграммы рис. 1.32,б, показание ваттметра при такой схеме включения будет соответствовать выражению. Чтобы определить реактивную мощность трехфазного приемника, равную , достаточно показание ваттметра умножить на ;

(1 32)

где — показание ваттметра.

Учет производства и потребления электрической энергии. Измере­ние энергии в одно- и трехфазных цепях переменного тока проводит­ся с помощью электрических счетчиков — приборов индукционной системы. Вращающие элементы счетчиков для учета активной и реак­тивной энергии включаются по схемам включения ваттметров для измерения активной и реактивной мощности. Генераторные зажимы, токовых обмоток обозначают буквой Г, а зажимы, к которым под­ключается нагрузочное устройство (потребитель), — буквой Н.

Рассмотрим наиболее распространенные схемы включения счетчи­ков. На рис. 1.33,а изображена схема присоединения обмоток однофаз­ного счетчика непосредственного включения для учета активной энер­гии. Из рисунка видно, что данная схема аналогична подключению ват­тметра для измерения активной мощности в однофазных цепях (см. рис 1.26). (Учет реактивной энергии в однофазных цепях у нас в стране не производится). Включение вращающих элементов двухэлементных счет­чиков для учета активной энергии в трехфазных трехпроводных цепях (см. рис. 1.33, б,в) производится аналогично схемам включения двух ват­тметров для измерения активной мощности (см.рис 1.30).

Для учета реактивной энергии в трехфазных цепях используют счет­чики реактивной энергии типа СР4. Вращающие элементы таких счет­чиков включаются по правилам включения ваттметров на «чужое» напряжение для измерения реактивной мощности (см.рис 1.32)

Для расширения пределов измерения счетчики реактивной энергии также могут включаться через трансформаторы тока и напряжения.

Задача 1.17. В схеме цепи рис. 1.30 при симметричном приемнике (элек­трический двигатель) приборы показали: A, В,

Вт; Вт. Определить активную мощность приемника, измеренную ваттметрами. Определить параметры схемы замещения фазы приемника.

Решение. Активная мощность приемника, измеренная ваттмет­рами, равна сумме их показаний: Определение параметров проводим следующим образом. Коэффи­циент мощности приемника ). Полное сопротивление

Активное сопротивление Ом.

Реактивное сопротивление Ом.

Таким образом, комплексное сопротивление фазы приемника

Ответ ; Ом.

Задача 1.18. Определить среднюю мощность приемника по показа­ниям однофазного счетчика активной энергии СО-5У (рис. 1.34). Пас­портные данные счетчика: В, А, 1 кВт · ч = 1200 оборотов диска. Диск счетчика совершил за 10 мин 200 оборотов.

Решение. Активная энергия, измеренная счетчиком,

Здесь .

Ответ Активная мощность приемника кВт.

Задача 1.19*. Определить активную мощность трехфазного сим­метричного приемника по показаниям двух ваттметров и с уче­том погрешности, если измерения проводились прибором с Вт и класса точности 1,0; 0,5; 1,5; 2,5.

 

Рис.1.34. К задаче 1.18.

 

Класс точности	1,0	0,5	1,5	2,5
, Вт
, Вт		-376			-150	-45		-50
, Вт
δ,%	3,1		1,1	1,7		7,5	2,5	6,7

 

Задача 1. 20. Определить показания ваттметров в схеме рис. 1.35, если Ом, U= 380 В. Сравнить с активной мощностью приемника.

Ответ: кВт; кВт; кВт; кВт.

Задача 1.21. Для определения мощности участка цепи с активным сопротивлением были измерены; напряжение 125 В — измерительным прибором класса 1,5 с пределом измерения 150 В, а также сопротивление 20 Ом — измерительным мостом, погрешность измерения которым составляет δ= ±0,2%. Определить мощность, абсолютную и относи­тельную погрешности.

Ответ: Р = 781 Вт; Δ = ± 29,7 Вт; δ = ± 3,8%.

Задача 1.22. Определить наибольшую возможную относительную погрешность при измерении электрической энергии ваттметром (К=0,5; = 750 Вт), если время 2 мин было измерено с максимальной погреш­ностью , а показание ваттметра в течение указанного проме­жутка времени было 200 Вт.

Ответ:δ = 3,6%.

1.4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ЦЕПЕЙ

Как известно, к параметрам электрических цепей относятся сопро­тивление R, емкость С, индуктивность L, взаимная индуктивность М Для измерения значений этих величин используют разнообразные ме­тоды прямого и косвенного измерения.

Измерение электрического сопротивления постоянному току. Элек­трические сопротивления катушек, резисторов и других элементов пос­тоянному току можно условно разделить на малые (до 1 Ом), средние (1 — 10⁷ Ом) и большие (свыше 10 МОм). Для измерения малых со­противлений применяют метод амперметра — вольтметра и двойные мосты постоянного тока. Наиболее часто в практике встречаются ус­тройства, обладающие средними сопротивлениями, для измерения ко­торых применяют метод амперметра — вольтметра, омметры, оди­нарные мосты (неавтоматические с ручным уравновешиванием и ав­томатические) и различные компенсационные методы. Для измерения больших сопротивлений используют мегаомметры и тераомметры.

Метод амперметра — вольтметра (см. рис. 1.25) является наиболее простым косвенным методом измерения малых и средних сопротивлений R. Схему рис. 1.25,а рекомендуется применять при измерении малых сопротивлений, так как в этом случае ток ввиду того, что вольтметр, как правило, обладает большим сопротивлением и ток . Схему рис. 1.25,6 лучше применять при измерении средних сопротивлений, так как в этом случае напряжение ввиду того, что амперметр обладает малым со­противлением и напряжением . Измеренное сопротивление определяют по показаниям вольтметра и амперметра для обеих схем из соотношения (1.33)

Однако вследствие влияния внутренних сопротивлений приборов измерение методом

амперметра — вольтметра сопряжено с методической погрешностью: сопротивление , вычисленное из (1.33), будет отлично от его фактического значения [см.(1.21) и (1.22)].

При точных измерениях необходимо знать внутренние сопротив­ления приборов и вносить соответствующие поправки в результат измерения. Погрешность не превысит 1%, если для схемы рис.1.25,а выбрать вольтметр с сопротивлением и для схемы рис. 1.25,бамперметр с сопротивлением .

Рис 1 36 Электрическая схема (а) и шкала (б) омметра, устройство магнитоэлектрического логометра (в).

 

Омметр представляет собой прибор, предназначенный для прямо­го измерения сопротивления. На рис 1 36,а приведена схема одного из типов омметров. Он состоит из магнитоэлектрического измерительного механизма, шкала которого проградуирована в омах ( Ω ), источника питания с напряжением U, добавочного резистора и имеет выходные зажимы АВ, к которым присоединяют объект с измеряемым сопротивле­нием . Ток в цепи измерителя (где — сопротивления добавочного резистора, измерителя и измеряемого объек­та соответственно. Угол отклонения стрелки

(1.34)

где — чувствительность измерителя по току.

При разомкнутых зажимах АВ ( ) угол отклонения ɑ = 0. при закороченных зажимах АВ ( )угол отклонения ɑ максимальный, поэ­тому шкала у этого омметра обратная — нулевая отметка расположена не слева, как обычно, а справа (рис. 1.36,б).

Омметры удобны в практике, но имеют большую погрешность (класс точности 2,5) из-за неравномерности шкалы и нестабильности напряже­ния источника питания (батарея гальванических элементов) Для устране­ния последнего недостатка в омметрах используют логометричсский из­мерительный механизм.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Как измерять напряжение, ток и мощность

Трансформаторы тока (ТТ)

Трансформаторы тока (ТТ) — это датчики, используемые для линейного понижения тока, проходящего через датчик, до более низкого уровня, совместимого с измерительной аппаратурой. Сердечник трансформатора тока имеет тороидальную или кольцевую форму с отверстием в центре. Проволока обвивается вокруг сердечника, образуя вторичную обмотку, и закрывается кожухом или пластиковым кожухом. Количество проволочных витков вокруг сердечника определяет коэффициент понижения, или коэффициент ТТ, между током в измеряемой линии (первичный) и токовым выходом, подключенным к контрольно-измерительным приборам (вторичный). Измеряемый провод нагрузки пропускается через отверстие в центре трансформатора тока. Пример: ТТ с соотношением 500:5 означает, что нагрузка 500 ARMS на основной линии приведет к выходу 5 ARMS на вторичном трансформаторе тока. Прибор будет измерять 5 ARMS на клеммах и может применять коэффициент масштабирования, введенный пользователем, для отображения полных 500 ARMS. ТТ указывается с номинальным значением, но часто указана точность более 100% от номинальной. Трансформаторы тока могут быть с разъемным сердечником или сплошным сердечником. ТТ с разъемным сердечником имеют открытый шарнир или съемную секцию, позволяющую установщику подключить ТТ к проводу нагрузки без физического отсоединения измеряемого провода нагрузки.

Предупреждение о безопасности. Несмотря на то, что CT может физически подключаться к установленной линии, перед установкой CT необходимо безопасно отключить питание. Открытые соединения вторичной обмотки при подаче питания на первичную обмотку могут привести к чрезвычайно опасным потенциалам напряжения.

Параметры ТТ при покупке включают номинальный диапазон, диаметр отверстия, разъемный/сплошной сердечник, тип выхода (напряжение/ток) и диапазон выхода (0,333 ВСКЗ, ±10 В, 1 СКЗ, 5 СКЗ и т. д.). Поставщики CT часто могут настроить датчик для конкретных нужд, таких как входной или выходной диапазон.

 

 

 

Рис. 5. ТТ с разъемным сердечником обычно имеют петлю или съемную секцию для установки вокруг линии без физического демонтажа, хотя питание все равно должно быть отключено. (Изображение предоставлено Magnelab)

Рис. 6. ТТ со сплошным сердечником дешевле, но для его установки в уже работающих цепях может потребоваться больше труда.
(Изображение предоставлено Magnelab)

Полоса пропускания измерения ТТ

Полоса пропускания от 1 кГц до 2 кГц достаточна для большинства приложений по обеспечению качества электроэнергии в цепях переменного тока. Для приложений с более высокой частотой подключайтесь напрямую к NI 9246 или NI 9247 для полосы пропускания до 24 кГц или выбирайте более дорогие высокочастотные трансформаторы тока. Все модули, перечисленные в таблице выше, имеют полосу пропускания приблизительно 24 кГц для сигналов, подключенных напрямую. Высокочастотные ТТ более специализированы и имеют характеристики полосы пропускания в диапазоне сотен МГц. NI 9215, NI 9222 и NI 9223 измерительных модуля с частотами дискретизации от 100 квыб/с/канал до 1 Мвыб/с/канал при 16-битном разрешении для высокочастотных измерений.

Для высокочастотных измерений, выходящих за рамки возможностей NI 9223, NI рекомендует осциллограф или дигитайзер для PXI, предназначенный для лабораторных, исследовательских и испытательных систем.

 

Измерение постоянного тока

Трансформаторы тока не измеряют постоянный ток или составляющую постоянного смещения сигнала переменного тока. Для большинства приложений переменного тока в этом нет необходимости. Когда необходимо измерение постоянного тока, NI 9227 имеет встроенные калиброванные шунты и может измерять постоянный ток до 5 Ампер. Для измерения постоянного тока более 5 А используется шунт для измерения тока большой мощности (см. ниже) или датчик Холла (см. ниже), подключенный к соответствующему измерительному модулю.

 

Катушки Роговского

Катушки Роговского, иногда называемые «канатными ТТ», представляют собой еще один вариант датчиков для измерения тока в линии. Катушки Роговского похожи тем, что они наматываются на провод нагрузки, но они гибкие, имеют гораздо большее отверстие, чем стандартные трансформаторы тока, и принцип измерения другой. Катушки Роговского индуцируют напряжение, пропорциональное скорости изменения тока, и поэтому требуют в цепи интегратора преобразования в пропорциональный ток. Интегратор представляет собой отдельный блок/компонент, который обычно монтируется на панель или на DIN-рейку, требует источника питания постоянного тока и выдает на приборы сигналы низкого напряжения или тока. Размер и гибкость поясов Роговского делают их хорошо подходящими для замыкания вокруг более крупных сборных шин в коммерческих зданиях или на заводах, особенно когда они уже построены, а измерение мощности добавлено в качестве модернизации, но они дороже, чем ТТ с сопоставимым входом. диапазон.

Рис. 7. Для катушек Роговского требуется внешнее питание, интегрирующая схема (расположена в черном монтажном корпусе на изображении выше) и они дороже, чем типичные твердотельные/разъемные ТТ, но обеспечивают быструю фазовую характеристику и подходят для модернизации установках и шинах больших размеров благодаря их большому гибкому отверстию. (Изображение предоставлено Magnelab)

Датчики на эффекте Холла

Датчики на эффекте Холла основаны на «эффекте Холла», названном в честь Эдвина Холла, когда ток, протекающий через полупроводник, расположенный перпендикулярно магнитному полю, создает потенциал напряжения на полупроводнике материал. Для целей измерения тока схема на эффекте Холла размещается в сердечнике перпендикулярно магнитному полю и выдает напряжение, масштабированное к текущей нагрузке в измеряемой линии. ТТ на эффекте Холла обычно имеют лучшую частотную характеристику и могут измерять смещение постоянного тока, но они дороже, требуют питания и могут быть подвержены температурному дрейфу.

Рис. 8. Датчики Холла имеют чувствительную цепь, перпендикулярную магнитному полю, и требуют питания. Датчики на эффекте Холла не имеют ограничений по насыщению, как ТТ, и могут измерять постоянный ток, но они более дорогие.

 

Токовые шунтирующие резисторы

Токовые шунты или токовые шунтирующие резисторы представляют собой резисторы, помещаемые в цепь с целью измерения тока, протекающего через шунт. Это довольно распространенные электрические компоненты, и они существуют для различных применений. Размер шунта будет основан на диапазоне измеряемого тока, диапазоне выходного сигнала и мощности, протекающей по цепи. Для большей точности доступны более дорогие прецизионные резисторы. Шунты не наматываются на провод цепи и размещаются на линии как компонент. Это устраняет изолирующий барьер между измеряемой цепью и измерительным оборудованием и может усложнить установку по сравнению с трансформатором тока или поясом Роговского. Однако шунты могут измерять постоянные токи, имеют лучшую частотную характеристику и лучшую фазовую характеристику. НИ 9238 для CompactRIO и CompactDAQ был разработан с низкочастотным аналоговым интерфейсом (±0,5 В) специально для токовых шунтирующих резисторов. Кроме того, NI 9238 имеет межканальную изоляцию 250 В.

 

Измерение тока и напряжения — HomoFaciens

Новости Проэкт Технологии РобоСпатиум Делать вклад Предметный указатель Скачать Ответы Игры Советы по покупкам Контакт <<< Температура         Осциллограф >>> Видео о цифровых мультиметрах Функции Цифровые мультиметры сочетают в себе несколько измерительных функций в одном устройстве; обычно эти приборы предназначены для измерения сопротивления, тока и напряжения. Измерение сопротивления Рис. 1: Цифровой мультиметр измеряет сопротивление, пропуская постоянный ток через тестируемое устройство и масштабируя отображаемое падение напряжения до соответствующего значения сопротивления. Величина тока зависит от набранного диапазона измерения. Чем выше диапазон, тем меньший ток проходит через тестируемое устройство, потому что в противном случае потребовалось бы высокое напряжение для генерации большого тока через устройство с высоким сопротивлением. Для измерения сопротивления необходима электрическая энергия, которая подается от внутренней батареи мультиметра. Какой кабель подключен к положительной или отрицательной клемме внутренней батареи, зависит от используемого мультиметра. Сопротивление таких устройств, как диоды, зависит от полярности приложенного напряжения и, следовательно, от расположения измерительных проводов, в то время как при проверке омических резисторов это не имеет значения. Если установлено измерение сопротивления 2 кОм, мультиметр, использованный в видео, может показывать падение напряжения на диоде со смещением в прямом направлении. Черный щуп должен быть подключен к катоду тестируемого диода, а красный щуп – к аноду. Если подключение обратное, отображается одна 1. Особым видом измерения сопротивления является проверка непрерывности. Если выбрана эта функция, встроенный зуммер звучит всякий раз, когда сопротивление меньше 1,5 кОм, поэтому измерение можно выполнять, не глядя на дисплей. Эта функция полезна при проверке трансформаторов или обмоток электродвигателя. Никогда не выполняйте измерения сопротивления в цепях под напряжением! Во-первых, обнаруженное значение будет искажено из-за напряжения, подаваемого на мультиметр, а во-вторых, могут быть повреждены устройства схемы или мультиметр. Неправильная полярность может привести к повреждению интегральных схем (например, операционных усилителей, микроконтроллеров)! Если установлено измерение сопротивления, мультиметр также называется омметр . Измерение напряжения Рисунок 2: При использовании мультиметра с поворотным переключателем, установленным на измерение напряжения, устройство также называется вольтметр . Напряжение всегда измеряется между двумя точками в системе. Обычно в качестве одной из точек используется общий опорный потенциал, такой как заземление системы, и черный щуп подключается к этой точке. Мультиметр показывает разность потенциалов между контрольной точкой и потенциалом на конце красного щупа. При измерении напряжения вы должны знать, является ли оно напряжением постоянного или переменного тока. Расположение измерительных проводов имеет значение при регистрации напряжения постоянного тока. Отображаемое значение мультиметра является отрицательным всякий раз, когда красный щуп подключен к более низкому потенциалу (отрицательная клемма). Обычно черный щуп подключается к отрицательной клемме, а красный щуп используется для индикации разности потенциалов в нескольких точках на плате или в электрической цепи. Разность потенциалов можно обнаружить не только на источнике напряжения, но и на устройстве в электрической цепи. Для этого мультиметр должен быть подключен параллельно тестируемому устройству. Измерение тока Рисунок 3: При использовании мультиметра с поворотным переключателем, установленным на измерение тока, устройство также называется Амперметр . В принципе измерение тока является измерением напряжения. Ток проходит через резистор точно известного сопротивления, и обнаруженное падение напряжения на устройстве масштабируется до соответствующего значения тока. Чем выше ток, тем ниже должно стать сопротивление считывания, так как сопротивление, в свою очередь, влияет на измерение, как мы увидим позже. Для измерений выше 200 мА между средним и левым разъемом мультиметра помещается проволочная перемычка. Этот особый путь с низким сопротивлением называется 9.0090 шунтирующий резистор . Конструкция позволяет току обходить крошечные контакты поворотного переключателя. Эти тонкие ленточные проводники не выдержат токов свыше одного ампера. Рисунок 4: Чтобы иметь возможность измерять токи, мультиметр должен быть включен последовательно с устройством или цепью, которые необходимо обнаружить. Цепь должна быть разомкнута, чтобы вставить мультиметр. Как и при измерении сопротивления и напряжения, определение тока должно начинаться с максимально возможного диапазона. Таким образом, поворотный переключатель должен быть установлен на диапазон 10 А, а красный измерительный провод должен быть подключен к левому разъему, чтобы включить сильноточный шунт. Если обнаруженный ток ниже 200 мА, вы можете перейти к более низкому диапазону. Чтобы включить нижний диапазон, тестируемая цепь должна быть отключена от источника напряжения, красный измерительный провод должен быть снова вставлен в правый разъем, а поворотный переключатель должен быть установлен на диапазон 200 мА. При измерении тока перед поворотом поворотного переключателя следует отключить проверяемую цепь от источника питания. Во время процедуры переключения ток, протекающий через поворотный переключатель мультиметра, прерывается на короткий промежуток времени, что может вызвать пики высокого напряжения на переключающих контактах, если в тестируемой цепи установлены катушки индуктивности. Внимание! Что может пойти не так, то пойдет не так! Некоторые вещи, которые следует учитывать при работе с цифровым мультиметром: Рисунок 5: 1.) Напряжения выше 50 В обычно могут вызывать протекание опасного тока через человека, касающегося неизолированных кабелей цепи! Умножители напряжения или индуктивные устройства (электродвигатели, катушки индуктивности) могут создавать опасные напряжения, даже если цепь подключена к источнику питания с напряжением менее 50 В! Рисунок 6: 2.) Переключите селектор диапазона на соответствующую функцию (напряжение, ток или сопротивление) ПЕРЕД подключением мультиметра к тестируемой цепи. Устройства тестовой схемы или мультиметр могут быть повреждены при изменении функции с подключенным мультиметром. При переключении на измерение сопротивления мультиметр подключает измерительные провода к внутреннему источнику напряжения. Подробности смотрите в описании выше. Рис. 7: 3.) При переключении на измерение тока внутреннее сопротивление мультиметра очень низкое, поэтому существует опасность короткого замыкания тестируемой цепи! Всякий раз, когда включен сильноточный шунт (красный щуп подключен к разъему 10А), мультиметр не защищен от больших токов! 4.) Если измеряемое значение заранее неизвестно, установите переключатель диапазона в самое верхнее положение диапазона и уменьшайте его до тех пор, пока не будет получено наилучшее разрешение. Внутреннее сопротивление Чтобы обеспечить определение напряжения, аналого-цифровой преобразователь цифрового мультиметра должен быть подключен параллельно к тестируемой цепи или устройству в зависимости от тока, протекающего через этот измерительный прибор. Величина тока зависит от падения напряжения на мультиметре и внутреннего сопротивления аналого-цифрового преобразователя. Чем ниже внутреннее сопротивление мультиметра, тем выше (нежелательный) ток, протекающий через прибор, поэтому внутреннее сопротивление мультиметра должно быть высоким, если он настроен на работу с вольтметром. При измерении тока мультиметр подключается последовательно к тестируемой цепи или устройству. Ток проходит через резистор точно известного сопротивления, и обнаруженное падение напряжения на устройстве масштабируется до соответствующего значения тока. Внутреннее сопротивление должно быть низким при работе амперметра. При переключении одного мультиметра на измерение сопротивления, а второго, который является тестируемым мультиметром, на измерение напряжения соответственно тока, мы можем напрямую определить внутреннее сопротивление второго мультиметра. В видео были зафиксированы следующие значения: Функция/диапазон Сопротивление Примечание Напряжение постоянного тока 600В 1002 кОм *(1±12) Напряжение постоянного тока 200 В 1009 кОм *(1±12) Напряжение постоянного тока 20 В 1002 кОм *(1±12) Напряжение постоянного тока 2 В 1005 кОм *(1±12) Напряжение постоянного тока 200 мВ 1004 кОм *(1±12) Значительное отклонение от значения, обнаруженного косвенно (см. ниже). Постоянный ток 200 мА 1,5 Ом *(1±0,3) Постоянный ток 20 мА 10,6 Ом *(1±0,4) Постоянный ток 2 мА 100,6 Ом * (1 ± 0,8) Рисунок 8: Используя три мультиметра, можно определить внутреннее сопротивление тестируемого мультиметра путем измерения падения напряжения и тока, протекающего через устройство. Результаты серии испытаний, записанные на видео, приведены в таблице ниже: Диапазон / функция Напряжение Текущий Сопротивление (рассчитано) Примечание Напряжение постоянного тока 600В 11,50 В * (1 ± 0,08) 0,012 мА * (1 ± 0,002) 958 кОм Напряжение постоянного тока 200 В 11,50 В * (1 ± 0,08) 0,011 мА * (1 ± 0,002) 1045 кОм Напряжение постоянного тока 20 В 11,50 В * (1 ± 0,08) 0,011 мА * (1 ± 0,002) 1045 кОм Напряжение постоянного тока 2 В 11,50 В * (1 ± 0,08) 0,012 мА * (1 ± 0,002) 958 кОм Напряжение постоянного тока 200 мВ 11,50 В * (1 ± 0,08) 0,019 мА * (1 ± 0,002) 605 кОм Значительное отклонение от непосредственно обнаруженного значения (см. выше). Постоянный ток 200 мА 0,017 В * (1 ± 0,002) 13,68 мА * (1 ± 0,09) 1,2 Ом Используйте диапазон 200 мВ, чтобы получить более высокую точность. Постоянный ток 20 мА 0,141 мВ * (1 ± 0,003) 13,68 мА * (1 ± 0,09) 10,3 Ом Используйте диапазон 200 мВ, чтобы получить более высокую точность. Постоянный ток 2 мА 1,376 В * (1 ± 0,009) 13,68 мА * (1 ± 0,09) 100,6 Ом Внутреннее сопротивление, когда установлена ​​функция напряжения постоянного тока, составляет около 1 МОм, поэтому через измерительный прибор протекает ток 0,001 мА на вольт. При определении падения напряжения на высокоомных устройствах с помощью мультиметра на проверяемую цепь всегда влияет ток, протекающий через прибор: Рисунок 9: Нарисованная здесь схема состоит из делителя напряжения и батареи: . U Бат = 12В R 1 = 1 МОм R 2 = 220Kω Для падения напряжения на двух резисторах: и для U 2 Мы получаем уравнение (1): с аккумуляторной подключением 12В 12В 12В получаем 2,16В на R 2 и 90,84 В между R 1 . Чтобы можно было определить падение напряжения на R 1 , мультиметр должен быть включен параллельно этому устройству. Тип мультиметра, использованного в видео, имеет внутреннее сопротивление 1 МОм при настройке на измерение напряжения, по чему мы получаем эквивалентную схему: Рисунок 10: Суммарное сопротивление R 1 и R В вычисляем по [3. 12]: Получаем 500 кОм для R X и подставив это значение в уравнение (1), мы получим падение напряжения 3,67 В на R 2 и всего 8,33 В на R X . При включении мультиметра параллельно верхнему резистору общее сопротивление R 2 (220кОм) и мультиметра (1МОм) составляет 180кОм. Обнаруженное падение напряжения на R 2 составляет всего 1,83 В. Согласно измерениям, общее напряжение U 1 + U 2 составляет всего 10,16 В, что на 1,84 В ниже выходного напряжения батареи. Измерение явно манипулирует тестируемой цепью! Аналогичная проблема возникает при измерении тока: Рисунок 11: Напряжение питания: 3,3 В R1 = 180 Ом R2 = 100 Ом R3 = 2 кОм Ток, протекающий через R 1 , тем выше, чем меньше сопротивление R 1 по отношению к сопротивлению R 2 : Общее сопротивление R 1 и R 2 составляют 64 Ом, из чего мы получаем падение напряжения 0,10 В на резисторах R1 и R2, используя уравнение (1). Для тока через R 1 получаем I 1 = 0,10 В / 180 Ом = 0,556 мА, а для тока через R 2 I 2 = 1 мА. Если амперметр подключить последовательно к R 1 , что позволяет измерять ток, общее сопротивление этой ветви цепи увеличивается. Суммарное сопротивление амперметра (100 Ом) и R 1 (180 Ом) равно 280 Ом. Падение напряжения на R 1 и амперметр (что идентично падению напряжения на R 2 ) увеличивается до 0,12В, но ток, протекающий через R 1 и т.д. через амперметр, уменьшается всего до I 1 = 0,12 В / (180 Ом + 100 Ом) = 0,42 мА. Измерение тока также влияет на тестируемую цепь! Точность Как объяснялось в главе об ошибках наблюдений, всегда следует учитывать пределы погрешности измерительных приборов. Для используемых в видео мультиметров получаем: Рисунок 12: Напряжение постоянного тока Диапазон Разрешение Точность 200 мВ 0,1 мВ ±0,5% ±2 цифры 2В 0,001 В ±0,5% ±2 цифры 20В 0,01 В ±0,5% ±2 цифры 200В 0,1 В ±0,5% ±2 цифры 600В 1В ±0,8% ±2 цифры постоянный ток Диапазон Разрешение Точность 2 мА 0,001 мА ±1% ±2 цифры 20 мА 0,01 мА ±1% ±2 цифры 200 мА 0,1 мА ±1,5% ±2 цифры 10А 0,01 А ±3% ±2 цифры Напряжение переменного тока Диапазон Разрешение Точность 200В 0,1 В ±1,2% ±10 цифр 600В 1В ±1,2% ±10 цифр Сопротивление Диапазон Разрешение Точность 200 Ом 0,1 Ом ±0,8% ±3 цифры 2 кОм 0,001 кОм ±0,8% ±2 цифры 20 кОм 0,01 кОм ±0,8% ±2 цифры 200 кОм 0,01 кОм ±0,8% ±2 цифры 2 МОм 0,001 МОм ±1,0% ±2 цифры Температура Диапазон Разрешение Точность -20°С — 0°С 1°С ±10% ±2 цифры 0°С — 400°С 1°С ±1% ±3 цифры 400°С — 1000°С 1°С ±2% Указанная точность следующая: Сначала необходимо рассчитать относительное отклонение отображаемого значения. Если выбран диапазон измерения постоянного напряжения 20 В и может быть считано напряжение 10,00 В, относительная погрешность составит 10,00 В * 0,005 = 0,05 В. К процентной ошибке необходимо добавить две цифры. Цифра , строго говоря, наименее значащая цифра является наименьшим десятичным разрядом чтения. В диапазоне 20 В одна цифра соответствует 0,01 В, следовательно, две цифры соответствуют 0,02 В, таким образом, общее отклонение составляет ± 0,07 В, а истинное значение находится где-то между 90,93 В и 10,07 В. Если при использовании диапазона 600 В отображаются 10 В, младший десятичный разряд соответствует 1 В. Одна цифра равна 1В, поэтому мы должны учитывать отклонение до 2В. Суммарное отклонение составляет 10В * 0,008 + 2В = 2,08В. Истинное значение теперь между 8В и 12В. Оттуда всегда разумно переключить мультиметр на самый низкий возможный диапазон. Измерение температуры Рис. 13: Как объяснялось в предыдущей главе, для измерения температуры используется термопара. Еще раз обнаруживается напряжение и масштабируется в соответствии с температурным значением. Вода со льдом имеет температуру 0°C, а температура кипящей воды 100°C, однако это значение зависит от атмосферного давления. Вы можете использовать эти две точки для калибровки датчика температуры. Согласно инструкции по эксплуатации, мультиметр, использованный в видеоролике, способен измерять температуру в диапазоне от -20 до +1000°C. Консультация по покупке Рисунок 14: Если вы собираетесь купить цифровой мультиметр, обратите внимание на приборы с хорошим качеством сборки. Цель видеороликов состояла в том, чтобы проанализировать электрические свойства малобюджетных устройств. Хотя точность приемлемая, я заметил очень плохое механическое качество инструментов: Чтобы заменить батарею, необходимо ослабить два винта с пластиковой резьбой и снять всю заднюю крышку. После нескольких замен резьба портится и крышка не закрывается должным образом. Кроме того, изоляция разъемов потрескалась во время использования. Оба дефекта касаются изоляции мультиметра и есть опасность для жизни при измерении высокого напряжения! Кабели очень хрупкие, поэтому один из них треснул внутри щупа, что привело к нечетным показаниям мультиметра. Это может стать очень опасным, если вы полагаетесь на показания мультиметра, предполагая, что неизвестная цепь не подключена к источнику напряжения, но вы просто не смогли ее обнаружить. Поворотный переключатель одного устройства не всегда правильно защелкивается, что приводит к неправильным показаниям. Так что это очень хорошая идея потратить немного больше денег и купить инструмент хорошего качества сборки. Вы всегда получаете то, за что платите. Для любителей точность даже малобюджетных мультиметров достаточна, так что это незначительная проблема, которую следует учитывать. Какие функции должен обеспечивать ваш мультиметр, кроме измерения сопротивления, напряжения и силы тока, решать вам. <<< Температура         Осциллограф >>> Новости Проэкт Технологии РобоСпатиум Делать вклад Предметный указатель Архивы Скачать Ответы Игры Ссылки Советы по покупкам Контакт Выходные данные

Измерение тока с помощью сбора данных по напряжению

Техническое обучение

Система сбора данных (DAQ), которая измеряет ток, обычно делает это напрямую. Однако системы сбора данных, которые измеряют напряжение, часто более доступны для пользователя. Этот метод требует преобразования тока в напряжение, чтобы система сбора данных по напряжению могла считывать сигнал. Электрический шунт может выполнить эту задачу, но для этого требуется система с высоким входным сопротивлением. Лучший шунт для использования также требует расчетов на основе стандартных формул.

Входное сопротивление

Электрический импеданс обычно является мерой сопротивления цепи току, когда к ней приложено напряжение. Входной импеданс — это импеданс сети нагрузки от сети источника, включая как статическую, так и динамическую оппозицию. Статическая оппозиция более известна как сопротивление, а динамическая электрическая оппозиция известна как реактивное сопротивление. Сеть нагрузки — это часть электрической сети, которая потребляет энергию, тогда как сеть источника — это часть, которая передает энергию. Выходное сопротивление сети источника и входное сопротивление сети нагрузки определяют, как изменяются ток и напряжение при передаче мощности от источника к сети нагрузки.

Импеданс часто используется для оценки электрической эффективности сети, которая обычно представляет собой отношение полезной выходной мощности к общей входной мощности. Этот процесс обычно включает в себя разбиение сети на этапы и получение входного и выходного импеданса между этапами. В контексте импеданса эффективность представляет собой отношение входного импеданса к общему импедансу, который представляет собой сумму входного импеданса и выходного импеданса.

Реактивная составляющая импеданса часто приводит к значительным потерям мощности в цепях переменного тока. Эти потери могут привести к дисбалансу фаз, а это означает, что ток в цепи не совпадает по фазе с ее напряжением. Таким образом, мощность, передаваемая по цепи, меньше, чем она была бы, если бы ток и напряжение были в фазе, поскольку мощность является произведением тока и напряжения. Цепи постоянного тока не имеют реактивного сопротивления, поэтому они не страдают от такого типа потерь мощности.

Системы сбора данных

Вход напряжения

Сбор данных — это процесс выборки электрических сигналов, обычно тех, которые измеряют физические условия. Эти системы обычно состоят из трех компонентов, включая датчики, схему формирования сигнала и аналого-цифровой преобразователь. Датчики преобразуют физические параметры в аналоговый сигнал. Схема обработки сигналов преобразует сигналы от датчиков в форму, которую можно преобразовать в цифровые значения. Затем аналого-цифровой преобразователь преобразует обработанные аналоговые сигналы в цифровые значения. Автономные системы сбора данных обычно известны как регистраторы данных.

Регистраторы данных с низким входным сопротивлением обычно имеют входное сопротивление порядка 22 кОм. Требование к регистратору данных с высоким входным сопротивлением означает, что он должен иметь входное сопротивление не менее 100 МОм, что значительно увеличивает стоимость устройства. Дополнительные функции регистратора данных этого типа включают аналого-цифровой преобразователь (A/D) с 16-битным последовательным приближением. Он также должен иметь 8 несимметричных каналов с отдельными аналого-цифровыми преобразователями на каждом канале. Типичные диапазоны для входов напряжения включают ±1 В, ±2 В, ±5 В и ±10 В.

Электрический шунт

Электрический шунт — это устройство, пропускающее ток вокруг точки цепи по пути с низким сопротивлением. У него есть много возможных применений, например, шунт амперметра, который позволяет амперметру косвенно измерять ток, который слишком велик для прямого измерения. Этот тип шунта представляет собой резистор с точно известным сопротивлением, которое очень мало по сравнению с током в цепи нагрузки. Шунт включается последовательно с цепью, позволяя току проходить через нее. Затем к каждому концу шунта можно подключить вольтметр для измерения падения напряжения на шунте. Затем ток в цепи можно рассчитать по этому падению напряжения и сопротивлению шунта.

Отличительной характеристикой шунта является падение напряжения при максимальном токе, которое обычно составляет 50 мВ, 75 мВ или 100 мВ по соглашению. У них также есть коэффициент понижения номинала, который необходимо применять к напряжению после того, как шунт использовался в течение определенного периода времени. Фактор снижения номинальных характеристик в 66 процентов после двух минут непрерывного использования является обычным явлением для шунтов. Сопротивление шунта также может отличаться от его спецификации по мере увеличения его температуры, явление, известное как тепловой дрейф. Шунты обычно начинают испытывать температурный дрейф при 80°C (176°F) и необратимо повреждаются при 140°C (284°F).

Расчеты

Одновременный аналоговый

Общая формула для расчета тока в цепи: I = V/R, где I — ток, V — напряжение, а R — сопротивление. Это уравнение даст ток в амперах при условии, что напряжение выражено в вольтах, а сопротивление — в омах. В случае шунта напряжение — это разность напряжений между входными клеммами Vin+ и Vin- вольтметра, а сопротивление — это номинальное сопротивление шунта.

Наиболее важной частью этой процедуры является обеспечение того, чтобы падение напряжения находилось в определенном диапазоне. Как правило, для приемлемого отношения сигнал/шум требуется минимальное падение в несколько вольт. Резистор 1 кОм между клеммами Vin- и заземления может уменьшить шум, если источник тока изолирован от клеммы заземления. Однако падение не может быть достаточно большим, чтобы источник тока превышал максимальное номинальное выходное напряжение. Падение напряжения также должно быть достаточно малым, чтобы резистор не перегревался до такой степени, что его сопротивление значительно изменилось.

Измерение входного сигнала от 4 до 20 мА с помощью устройства ввода напряжения

Чрезвычайно просто и недорого измерить ток от 4 до 20 мА с помощью устройства, которое измеряет только напряжение. Большинство аналогово-цифровых плат принимают сигнал от 0 до 5 В постоянного тока, но могут не принимать напрямую сигнал от 4 до 20 мА. Решение этой проблемы займет всего несколько минут и несколько долларов. По сути, закон Ома используется для расчета сопротивления резистора, чтобы преобразовать 4–20 мА в напряжение.

Наиболее популярным номиналом резистора для этой цели является 250 Ом, так как он генерирует сигнал постоянного тока от 1 до 5 В, когда через него проходит ток от 4 до 20 мА, а вход постоянного тока от 0 до 5 В очень распространен для большинства систем сбора данных и других аналоговых систем. измерительные приборы.

Однако бывают случаи, когда требуется входное напряжение, отличное от 0–5 В постоянного тока, поэтому следующий пример продемонстрирует, насколько просто рассчитать правильное значение резистора для любого входного напряжения.

Пример

В этом примере мы предположим, что вход от 0 до 2 В постоянного тока будет использоваться для измерения от 4 до 20 мА.

Закон Ома гласит: R=V/I, где V — напряжение, I — ток, а R — сопротивление.

R=2 В/0,020 А = 100 Ом

Когда через резистор 100 Ом протекает ток 20 мА, на нем падает 2 вольта.

Когда через резистор 100 Ом протекает ток 4 мА, на нем падает напряжение 0,4 В. Следовательно, от 4 до 20 мА через резистор 100 Ом будет падать от 0,4 до 2 вольт.

Еще одна важная вещь, которую следует помнить, это то, что допуск резистора должен быть 1% или меньше; предпочтительно 0,1%, так как ошибки в сопротивлении приведут к ошибкам в падении напряжения. Вам не нужен резистор, который сильно колеблется в зависимости от времени или температуры, так как это повлияет на вашу точность. После того, как вы выбрали значение резистора, вы должны проверить свои показания и внести любые точные настройки в свое программное обеспечение, чтобы компенсировать любые ошибки в резисторе. Например, сопротивление 100 Ом на самом деле может быть 99,5 Ом, поэтому выходное напряжение на самом деле будет от 0,398 до 1,99 В, а не от 0,4 до 2 В, как мы рассчитали.

Вы просто подключаете резистор к клеммам ввода напряжения для вашей системы сбора данных, а затем подключаете сигнал 4–20 мА к тем же двум клеммам, так что при протекании тока через резистор напряжение будет падать, а затем измеряется устройством сбора данных.