Измерение тока и напряжения Сигналы тока и напряжения характеризуются исключительно широкими областью частот, и диапазонами измеряемых значений : от до 10 6 А для токов; от долей мкВ до сотен кВ для напряжений. Существует большое многообразие форм сигналов переменных токов и напряжений. Как правило, источники сигналов имеют малую мощность, что предъявляет жесткие требования к входному импедансу амперметров и вольтметров.

Электрические сигналы в виде напряжения или тока характеризуются: 1. Мгновенное значение: При синусоидальной форме сигнала: i = I m sin (ωt+φ) u = U m sin (ωt+φ) I m и U m – амплитудные (пиковые) значения сигнала, t – фаза, начальная фаза.

2. средневыпрямленное значение тока (напряжения) – среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период: Т – период измеряемого сигнала

Мощность электрического сигнала в каждый момент времени определяется квадратом мгновенного значения тока. Поэтому для характеристики энергетического уровня сигнала вводится параметр - среднеквадратическое значение тока (напряжения). 3. Среднеквадратическое значение тока (напряжения):

Коэффициент амплитуды (коэффициент пиковости, пик фактор) Коэффициент формы (форм – фактор) Коэффициент усреднения : Для синусоидального сигнала: k a = 1,41 k ф = 1,11 k у = 1,5 Эти коэффициенты позволяют определить любой параметр переменного тока (напряжения), если известен один из параметров и форма сигнала.

Cигналы несинусоидальной формы (в т. ч. с постоянной составляющей) – кроме СК и СВ значений, характеристиками являются: максимальное, минимальное и среднее значения сигнала. I max (U max ) – наибольшее мгновенное значение сигнала за определенный интервал времени (обычно за период) I min (U min ) – наименьшее мгновенное значение сигнала за определенный интервал времени (обычно за период) Imax - Imin размах сигналаUmax - Umin размах сигнала Среднее значение сигнала характеризует его постоянную составляющую:

Для измерения тока и напряжения используются методы непосредственной оценки и сравнения. Метод непосредственной оценки – применяются амперметры и вольтметры прямого преобразования. Метод сравнения реализуется с помощью потенциометров (компенсаторов), а также в цифровых вольтметрах.

Классификация приборов для измерения тока и напряжения Приборы для измерения силы тока образуют подгруппу А амперметры. Внутри этой подгруппы выделяют: амперметры постоянного тока (А2), переменного тока (A3), универсальные (А7), преобразователи тока (А9). Приборы для измерения напряжения образуют подгруппу В – вольтметры. Среди приборов этой подгруппы выделяют: вольтметры постоянного тока (В2), переменного тока (ВЗ), импульсного тока (В4), фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7), измерители отношения, разности и нестабильности напряжений (В8), преобразователи напряжений (В9). классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4 и 5 классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4; 5; 6; 10; 15 и 25

Электромеханические приборы, применяются для измерения постоянных токов и напряжений, а также переменных токов и напряжений низкой частоты. Кроме того, они (особенно магнитоэлектрические) могут использоваться в качестве ИУ электронных аналоговых приборов. Измерение тока и напряжения электромеханическими приборами

Электромеханические приборы являются приборами прямого преобразования. Типовая структурная схема электромеханического прибора в общем случае содержит измерительный преобразователь ИП, измерительный механизм ИМ и отсчетное устройство ОУ. Общие сведения об электромеханических приборах ИПИМОУ X Y α Электро – механический измерительный механизм - основной элемент электро- механического прибора. В нем происходит преобразование электромагнитной энергии в механическую энергию углового перемещения подвижной части механизма.

В зависимости от принципа действия (т.е. по способу преобразования электрической энергии в механическую) различают основные системы ИМ для измерения тока и напряжения: 1. Магнитоэлектрические ИМ ( МЭИМ) (буквенное обозначение ИП - М) 2. Электродинамические ИМ (ЭДИМ) (буквенное обозначение ИП - Д); 3. Электромагнитные ИМ (ЭМИМ) (буквенное обозначение ИП - Э); 4. Электростатические ИМ (ЭСИМ)(буквенное обозначение ИП - С);

Электромеханический ИМ (ЭИМ) прибора прямого преобразования состоит из неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной частей. Неподвижная часть в зависимости от системы ЭИМ состоит из постоянного магнита (МЭИМ), катушек с токами (ЭДИМ, ЭМИМ), заряженных камер (ЭСтИМ). Подвижная часть (рамки с медной обмоткой, катушки, ферромагнитные сердечники, заряженные пластины) механизма механически или оптически связана с отсчетным устройством. Отсчетное устройство состоит из указателя жестко связанного с подвижной частью ИМ и неподвижной шкалы прибора. Указатель может быть стрелочным или световым. Эл-Мех ИМ могут иметь корректоры, предназначенные для установки стрелки отсчетного устройства на нуль.

На шкалу прибора наносится совокупность отметок ( ГОСТ «Приборы электроизмерительные аналоговые с непосредственным отсчетом. Наносимые условные обозначения».) Цена деления шкалы согласовывается с абсолютной погрешностью прибора и превышает ее в 2 4 раза. Область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы, определяет диапазон показаний прибора. Область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности прибора, определяет диапазон измерений прибора. Для равномерных и неравномерных шкал оба диапазона одинаковы. Для сильно неравномерных шкал диапазон измерений меньше диапазона показаний. В этом случае начало и конец диапазона измерений маркируются точками у соответствующих отметок шкалы. Класс точности прибора гарантируется только в диапазоне измерений.

Кроме того, на шкалу Эл.- Мех. ИП наносится информация: единицы измерения, класс точности прибора, условное обозначение измерительной системы прибора, количество ИМ, степень защищенности от внешних магнитных и электрических полей, род тока и число фаз, рабочее положение прибора, испытательное напряжение, тип прибора и т.п.

Принцип работы электромеханического измерительного механизма Вращающий момент для любой конструкции ЭИМ определяется из общего уравнения динамики системы – момент, действующий в системе, определяется через изменение энергии W: α угловое перемещение подвижной части (угол поворота). Противодействующий момент М п (создается пружинами, растяжками) k п – удельный противодействующий момент

Если М п создается за счет электрических сил (в ЭМИМ и ЭДИМ), то движение подвижной части прекращается при равенстве двух моментов противоположного направления: M 1 = k 1 ·f 1 (α)·x 1 вращающий момент M 2 = k 2 ·f 2 (α)·x 2 противодействующий момент x 1, x 2 – электрические измеряемые величины k 1, k 2 – удельные вращающие и противодействующие моменты M 1 = M 2 Приборы, измеряющие отношение двух величин, называются логометрами.

Для сокращения времени установления показаний в Эл-Мех. ИП применяются специальные устройства успокоители. Они создают вращающий момент Му. Этот момент всегда направлен навстречу движению и пропорционален угловой скорости отклонения. K у - коэффициент успокоения (демпфирования). воздушные успокоители – торможение за счет сопротивления воздуха магнитоиндукционные успокоители – фзаимодействие поля постоянного магнита и вихревых токов, индуцированных при перемещении в поле постоянного магнита ( принцип Ленца) жидкостные успокоители с большим значением ky.

Магнитоэлектрические измерительные приборы В МЭ ИП вращающий момент в измерительном механизме создается за счет фзаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, конструктивно выполняемого в виде катушки (рамки). Как правило, неподвижной частью является магнит, а подвижной катушка.

Неподвижные постоянный магнит с полюсными наконечниками с цилиндрической расточкой + ферромагнитный цилиндрический сердечник образуют магнитную систему МЭИМ. Магнитная индукция в воздушном зазоре, где вращается катушка, постоянна по величине, а силовые линии магнитного поля ориентированы по радиусу цилиндра. NS

W Σ = W м + W к + W фз W м энергия магнитного поля постоянного магнита энергия катушки с током энергия фзаимодействия поля магнита и катушки с током, Ф - магнитный поток, сцепленный с катушкой Энергия магнитоэлектрической системы, сосредоточенная в механизме и вызывающая вращательный момент, равна:

Магнитный поток, сцепленный с катушкой, для системы с равномерным радиальным магнитным полем: Ф= В·S·w·α В – магнитная индукция в зазоре; S – площадь поперечного сечения катушки; w – число витков катушки. M в = В·S·w·IM п =k п · α M в = M п В·S·w·I = k п · α k п – коэффициент жесткости пружины чувствительность МЭИМ к току.

угол отклонения подвижной части (стрелки) МЭИМ прямо пропорционален току; чувствительность механизма постоянна, т.е. шкала равномерная; МЭИМ реагирует только на постоянный ток, а при включении в цепь переменного тока вследствие инерционности подвижной части стрелка будет совершать колебательные движения только на низких частотах.

Достоинства МЭИМ: высокая чувствительность (пределы измерения до 10 мкА); малое потребление мощности от ИЦ ( 10-2 – 10-6 Вт); равномерная шкала; небольшие погрешности измерения (вплоть до класса точности 0,05) Недостатки: малая перегрузочная способность; сравнительная сложность (особенно ремонта) Внешние факторы - наибольшее влияние оказывает температура, при изменении которой изменяются магнитная индукция и сопротивление катушки.

NS Мв Мв Мп Мп Магнитоэлектрические логометры Измерительный механизм две подвижные катушки, жестко скрепленные на общей оси. По обмоткам катушек протекают токи I 1 и I 2. Направление токов в катушках выбирается так, чтобы создаваемые ими моменты (М в и М п ) имели встречные направления. Особенность магнитоэлектрического логометра – неподвижный сердечник имеет эллипсоидальную форму магнитная индукция В = В( ). Это обеспечивает зависимость моментов от угла при отсутствии спиральных пружин.

В магнитоэлектрических логометрах: M в = B 1 (α) · w 1 · S 1 · I 1 M п = B 2 (α)· w 2 · S 2 · I 2 B 1 (α) · w 1 · S 1 · I 1 = B 2 (α) · w 2 · S 2 · I 2 Отклонение стрелки пропорционально отношению токов в катушках. M в = М п

Измерение тока на радиочастотах Используются электромеханические приборы, дополненные преобразователями рода тока. Все высокочастотные аналоговые амперметры, являются приборами прямого преобразования и представляют собой комбинацию преобразователя переменного тока в постоянный и магнитоэлектрического измерительного прибора (МЭИП). В зависимости от типа преобразователя имеются следующие разновидности амперметров: выпрямительные, термоэлектрические, фотоэлектрические электронные

Выпрямительные амперметры В качестве преобразователей на низких частотах используют полупроводниковые диоды. В зависимости от схемы соединения МЭИМ с выпрямителем различают амперметры с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением. Однополупериодная схема А В А V2V2 V1V1 RaRa R Ux~Ux~ Ix~Ix~ IaIa t t Ix~Ix~ IaIa

M вt = B 0 · w ·S ·i мгновенный вращающий момент i= I m sin (ωt + φ) мгновенное значение тока чувствительность выпрямительного амперметра.

Выпрямительные амперметры измеряют средневыпрямленное значение тока.

Двухполупериодная схема АВ А V2V2 V1V1 RaRa R Ux~Ux~ Ix~Ix~ V4V4 V3V3 IаIа R t t Ix~Ix~ IaIa чувствительность увеличивается вдвое.

Источники погрешностей выпрямительных амперметров : зависимость коэффициента выпрямления диода от температуры; изменение формы измеряемого тока; погрешности градуировки амперметра; изменение емкостного сопротивления диодов в зависимости от частоты Погрешность (1,5 – 4) % С повышением частоты погрешность возрастает. Используются в диапазоне до 2 к Гц, а с частотной коррекцией – до нескольких десятков к Гц.

В термоэлектрических амперметрах переменный ток преобразуется в постоянный и измеряется с помощью магнитоэлектрического прибора высокой чувствительности. Термоэлектрические амперметры А IaIa I x ~ ABC А IaIa AB Бесконтактный ТЭ преобразователь Контактный ТЭ преобразователь

Разность температур спая и свободных концов термопары вызывает термо-ЭДС (эффект Зеебека). Термо-ЭДС пропорциональна количеству теплоты, выделенному протекающим током, т.е. пропорциональна квадрату среднеквадратического значения I ск. Ток, протекающий через прибор, равен: С учетом того, что

т.е. шкала квадратичная, а показания не зависят от вида измеряемого тока. Диапазон измерений от мА до десятков А. - чувствительность термоэлектрического амперметра

Источники погрешностей: изменение окружающей температуры; частотная зависимость сопротивления нагревателя. Достоинство: возможность измерения тока в широком частотном диапазоне (более 100 МГц) при погрешности от 2 до 5 %. Недостатки: малая чувствительность; неравномерность шкалы; зависимость показаний от температуры окружающей среды; недопустимость перегрузок; значительная тепловая инерционность

Фотоэлектрические амперметры Под действием измеряемого тока Ix нагревается нить измерительной лампы. Световой поток, излучаемый лампой, преобразуется в фотоэлементе в электрический ток, усиливается и регистрируется магнитоэлектрическим амперметром, проградуированным в среднеквадратических значениях I ск.

Достоинства: высокая точность благодаря возможности их градуировки на постоянном токе или токе низкой частоты (а применяют на высоких частотах). Недостатки: большие размеры; частая градуировка из-за изменения чувствительности фотоэлемента со временем. На основе фотоэлектрических амперметров создаются поверочные установки; создан гос. специальный эталон единицы силы переменного тока.

Расширение пределов измерений амперметров На постоянном токе – шунты. Погрешность амперметра с шунтом возрастает из-за неточности изготовления шунтов и различных ТКС катушки амперметра и шунта. I=I= A RшRш IаIа IшIш

При использовании шунтов на переменном токе возникают дополнительные частотные погрешности ( R им и R ш по-разному зависят от частоты ). На переменном токе - измерительные трансформаторы тока (особенно для больших токов). I 1 н ; I 2 н – номинальные токи в первичной и вторичной обмотке w 1 ; w 2 – число витков в первичной и вторичной обмотках I2I2 RнRн I1I1 U~ A

Методическаяпогрешностьприизмерениитока Методическая погрешность при измерении тока А RaRa RнRн IxIx U R0R0 RнRн IxIx U U0U0 До включения амперметра: После (измеренное значение): R a R н