Измерение электрических величин

3.1. ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Постоянный ток и напряжение измеряются в основном с помощью магнитоэлектрических амперметров и вольтметров с пределами измерений 0, 1 мкА...6 кА и 0, 3 мВ...1, 5 кВ, а также с помощью аналоговых электромагнитных, электродинамических, ферродинамических, электростатических, цифровых приборов, потенциометров (компенсаторов) постоянного тока. Для определения малых количеств электричества быстропротекающих импульсов тока используются баллистические гальванометры, для больших количеств электричества — кулонометры.

Выбор измерителя обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. При включении прибора в измерительную цепь он изменяет ее параметры. Для уменьшения методической погрешности при измерении напряжения сопротивление вольтметра должно быть как можно большим, а при измерении тока сопротивление амперметра — как можно меньшим. Тогда и потребление мощности от объекта измерения будет малым.

Измерительный механизм магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются, а в зависимости от назначения прибора меняется его измерительная цепь. В амперметрах ИМ непосредственно или с помощью шунта включается в цепь последовательно с нагрузкой. В вольтметрах последовательно с ИМ включается добавочный резистор, и прибор подключается к тем точкам схемы, между которыми необходимо измерить напряжение. Характер измерительной цепи также определяется допустимой температурной погрешностью и пределом измерения прибора. Для компенсации температурной погрешности необходимо применять специальные схемы температурной компенсации.

Измерение малых токов и напряжений. Прямое измерение этих физических величин выполняют с помощью гальванометров магнитоэлектрической системы (от 0, 1 нА и от 1 нВ), цифровых пи-коамперметров (от 1 нА), микровольтметров (от 10 мкВ), нано-вольтметров (от 10 нВ), компенсаторов (от 1 мкВ).

Косвенное измерение осуществляют: с помощью компенсаторов (до 10 нА); по величине заряда конденсатора (до 1 нА); электрометров (до 10 нА).

Измерение небольших количеств электричеств. Для измерения небольших количеств электричества в кратковременных импульсах тока применяют баллистический гальванометр (БГ). Он является разновидностью магнитоэлектрического гальванометра. В отличие от обычных магнитоэлектрических гальванометров, БГ имеет искусственно увеличенный момент инерции подвижной части за счет увеличения ее веса и, следовательно, значительно больший период собственных колебаний, равный 15...30 с.

Измерения больших количеств электричества. Для измерения количества электричества, протекающего за большой промежуток времени (несколько часов), применяют кулон-метры. Длительность измеряемых импульсов 0, 05...0, 2 с, амплитуда 2...200 мА, форма импульсов прямоугольная. Прибор имеет магнитоэлектрический ИМ, особенностью которого является отсутствие противодействующего момента. Подвод тока к обмотке рамки осуществляется с помощью безмоментных спиралей. Обмотка рамки выполнена из медного провода, намотанного на толстый алюминиевый каркас, в котором при движении рамки индуцируется ток, создающий тормозной момент. Под действием вращающего и тормозного моментов рамка поворачивается с постоянной, пропорциональной току, скоростью в течение всего времени, пока длится импульс тока.

Измерение ЭДС. Для этих целей используют компенсатор постоянного тока. Существуют электромеханические, гальванометрические и электрометрические компенсаторы, которые отличаются чувствительностью и входным сопротивлением.

Для измерения ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений в высокоомных цепях целесообразно использовать дифференциальный метод измерения (входное сопротивление магнитоэлектрических или электронных вольтметров может быть недостаточным).

Измерение больших постоянных токов. Для токов более 10 кА наиболее простой способ измерения — параллельное включение шунтов и использование магнитных преобразователей. Для более точных измерений (порядка 0, 01 %) больших токов служат преобразователи из меди в виде стержня с определенным диаметром, имеющим приспособление для включения в разрыв шины с током.

Измерение высоких напряжений. Измерение напряжений до 1, 5 кВ осуществляется магнитоэлектрическими вольтметрами с добавочными резисторами. При более высоких напряжениях (до 300 кВ) целесообразно включать электростатические вольтметры или обычные вольтметры через измерительные трансформаторы напряжения.

3.2. ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Для оценки величины переменного тока и напряжения используют действующие, амплитудные и средние значения. Если сигнал синусоидален, то эти значения жестко связаны между собой через коэффициенты формы кривой К_ф= U_д/U_cp= 1, 11 и коэффициент амплитуды К_а= U_max/U_д= 1, 41. Значения этих коэффициентов зависят от формы кривой используемого сигнала. Чем острее форма этого сигнала, тем больше будут значения К_ф и К_а.

Переменный ток и напряжение можно измерить с помощью измерительных механизмов (ИМ) всех систем. В этом случае магнитоэлектрические приборы (выпрямительные, термоэлектрические и электронные) используются с преобразователями переменного тока в постоянный. Обычно они градуируются в действующих значениях тока или напряжения. В приборах, предназначенных для измерения среднего и амплитудного значения, делается соответствующая отметка на шкале.

Электромагнитные амперметры и вольтметры. Амперметры на токи 250...300 А непосредственно в цепь не включаются из-за сильного влияния на показания приборов, магнитного поля токоподводящих проводов и значительного нагрева шины. Предел измерения изменяют путем секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно. Для переключения секций применяют штепсельные и рычажные переключающие устройства. Расширение пределов измерения на переменном токе производится при помощи измерительных трансформаторов тока.

Для расширения пределов измерения электромагнитных вольтметров применяют добавочные сопротивления и секционирование; для измерения больших напряжений (свыше 500 В) на переменном токе — измерительные трансформаторы напряжения.

Собственное магнитное поле электромагнитных приборов невелико, поэтому внешние магнитные поля влияют на показания приборов. Для защиты от внешних магнитных полей используют астазирование и экранирование.

На переменном токе возникает частотная погрешность, так как в сердечнике и в других металлических частях возникают вихревые токи, оказывающие размагничивающее действие на сердечник, вследствие чего вращающий момент на переменном токе будет немного меньше, чем на постоянном. Частотный диапазон — до 2000...3000 Гц, классы точности: 1, 5; 2, 5.

Электродинамические амперметры и вольтметры. У амперметров при токах до 0, 5 А неподвижные и подвижные катушки соединяются последовательно. При таком соединении катушек компенсация частотной и температурной погрешностей не требуется, так как изменения температуры t° и частоты f до 3000 Гц незначительно влияют на показания приборов.

При токах больше 0, 5 А подвижная катушка соединяется параллельно с неподвижной (так как последовательное соединение вызвало бы перегрев и изменение свойств токоподводящих пружин). В этом случае необходима компенсация температурной и частотной погрешностей, возникающих в результате перераспределения токов в катушках при изменении t°и f Для компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы температурные коэффициенты сопротивления параллельных ветвей были одинаковые. Для компенсации частотной погрешности необходимо, чтобы постоянные времени обеих катушек были бы равны между собой.

У вольтметров неподвижная и подвижная катушки включаются последовательно. Для расширения пределов измерения применяют секционирование и измерительные трансформаторы напряжения.

Ферродинамические амперметры и вольтметры. Они имеют такие же измерительные схемы включения неподвижных и подвижных катушек, что и электродинамические приборы. Ферродинамические приборы, кроме температурной и частотной погрешностей, обладают специфическими погрешностями, вызванными наличием сердечника:

· погрешностью от нелинейности кривой намагничивания;

· погрешностью от потерь в материале на гистерезис и вихревые токи (магнитопровод изготовляют из материала с малой коэрцитивной силой).

Для расширения пределов измерения используют те же способы, что и для электродинамических приборов.

Электростатические вольтметры (ЭВ). Схемы включения ЭВ обладают некоторыми особенностями. У ЭВ на малые пределы измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а следовательно, и сети при случайных ударах, трясках, вибрациях. Для исключения этой опасности внутрь ЭВ встраивается защитный резистор, через который прибор включается в сеть. При повышении частоты до нескольких сотен герц этот резистор, во избежание дополнительной погрешности, выключается. Диапазон частот — 20 Гц... 10 МГц.

Расширение пределов измерения ЭВ на переменном токе осуществляется включением последовательно с ЭВ добавочных конденсаторов или емкостных делителей. Применение делителей значительно снижает точность электростатических вольтметров. Источником погрешности является собственная емкость прибора на повышенных частотах. Электростатические вольтметры применяют в основном в качестве лабораторных вольтметров.

3.3. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ

В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока; активную мощность и энергию переменного однофазного и трехфазного токов; реактивную мощность и энергию трехфазного переменного тока; мгновенное значение мощности, а также количество электричества в очень широких пределах.

Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени.

Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность

(3.1)

где U, I — действующие значения напряжения и тока; — угол сдвига фаз между ними. Реактивная мощность

(3.2)

Полная мощность

Активная, реактивная и полная мощности связаны выражением

(3.3)

Так, мощность измеряется в пределах 1 Вт... 10 ГВт (в цепях постоянного и однофазного переменного токов) с погрешностью ±(0, 01...0, 1)%, а при СВЧ ±(1...5)%; реактивная мощность — от единиц вар до Мвар с погрешностью ±(0, 1...0, 5)%.

Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами измерения номинальных токов (1 нА...Ю кА) и напряжений (1 мкВ... 1 MB), погрешность измерения ±(0, 1...2, 5)%.

Измерение реактивной энергии представляет интерес только для промышленных трехфазных цепей.

Измерение мощности в цепях постоянного тока. При косвенном измерении мощности используют методы амперметра и вольтметра, а также компенсационного метода.

Метод амперметра и вольтметра. В этом случае приборы включаются по двум схемам (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при различных сопротивлениях нагрузки: а — малых; б — больших

Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков: необходимостью снимать показания по двум приборам, необходимостью производить вычисления, невысокой точностью за счет суммирования погрешности приборов.

Мощность Р_х, вычисленная по показаниям приборов (см. рис. 3.1, а), имеет вид

Она больше действительного значения мощности, расходуемой в нагрузке Р_H на значение мощности потребления вольтметра P_v, т.е.

Р_H = Р_X-Р_V.

Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра и меньше сопротивление нагрузки.

Мощность Р_х, вычисленная по показаниям приборов (см. рис. 3.1, б), имеет вид

Она больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности потребления амперметром РА. Методическая погрешность тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра и больше сопротивление нагрузки.

К о м п е н с а ц и о н н ы й м е т о д. Данный метод применяют тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряют ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Измеряемая мощность определяется по формуле

(3.4)

При прямом измерении активная мощность измеряется электромеханическими (электродинамическими и ферродинамическими), цифровыми и электронными ваттметрами.

Электродинамические ваттметры используют как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0, 1...2, 5) в цепях постоянного и переменного токов частотой до нескольких тысяч герц; ферродинамические (щитовые) ваттметры — в цепях переменного тока в основном промышленной частоты (класс 1, 5...2, 5).

Рис. 3.2. Схема включения электродинамического ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения

В широком диапазоне частот применяют цифровые ваттметры, основу которых составляют различные преобразователи мощности (например термоэлектрические), УПТ, микропроцессор и ЦОУ. В цифровых ваттметрах осуществляется автоматический выбор пределов измерений, самокалибровка и предусмотрен внешний интерфейс.

Для измерения мощности в высокочастотных цепях служат специальные и электронные ваттметры; для измерения реактивной мощности на низких частотах — реактивные ваттметры (варметры), в которых путем использования специальных схем отклонение подвижной части электродинамического ИМ пропорционально реактивной мощности.

Включение электромеханических ваттметров непосредственно в электрическую цепь допустимо при токах нагрузки, не превышающих 10...20 А, и напряжениях до 600 В. Мощность при больших токах нагрузки и в цепях высокого напряжения измеряется ваттметром с измерительными трансформаторами тока ТА и напряжения ТV(рис. 3.2).

Измерение активной мощности в цепях трехфазного тока. Метод одного ваттметра. Этот метод применяют только в симметричной системе с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига по фазе между векторами I и U и с полной симметрией напряжений (рис. 3.3). На рис. 3.3, а нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна. На рис. 3.3, б нагрузка соединена треугольником и ваттметр включен в фазу.

На рис. 3.3, в нагрузка соединена треугольником с искусственной нулевой точкой. Искусственная нулевая точка создается с помощью двух резисторов, каждый из которых равен сопротивле нию цепи обмотки напряжения ваттметра (указывается в техни ческом паспорте на ваттметр).

Показания ваттметра будут соответствовать мощности одной фазы, а мощность трехфазной сети во всех трех случаях включе ния прибора будет равна мощности одной фазы, умноженной h; i три, т.е. Р= 3PW.

Рис. 3.3. Схемы включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь при полной симметрии при соединении нагрузки:

а — звездой; б — треугольником; в — с искусственной нулевой точкой

М е т о д д в у х в а т т м е т р о в. Этот метод применяют в трех фазной трехпроводной цепи независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Асимметрия — это система, в которой мощности отдельных фаз различны. Токовые обмотки ваттметров вклю чаются в любые две фазы, а обмотки напряжения — на линейные напряжения (рис. 3.4).

Полная мощность может быть выражена в виде суммы показаний двух ваттметров. Так, для схемы, приведенной на рис. 3.4, а,

где — угол сдвига фаз между током I₁, и линейным напряжением U₁₂; — угол сдвига фаз между током I₃ и линейным напряжением U₃₂.

В частном случае при симметричной системе напряжений и одинаковой нагрузке фаз — — показания ваттметров будут:

При активной нагрузке ( = 0) показания будут одинаковы, так как .

При нагрузке с углом сдвига 60° показания второго ваттметра равны нулю, так как и в этом случае мощность трехфазной цепи измеряется одним ваттметром.

При нагрузке с углом сдвига больше 60° мощность, измеряемая вторым ваттметром, будет отрицательной, так как (30°+ )

Рис. 3.4. Схемы включения двух ваттметров в трехфазную цепь: а — в 1-ю и 3-ю фазы; б — в 1-ю и 2-ю; в — во 2-ю и 3-ю

больше 90°. В этом случае подвижная часть ваттметров повернется t обратную сторону. Для отсчета необходимо изменить на 180° фазу Гока в одной из цепей ваттметра. В этом случае мощность цепи Трехфазного тока равна разности показаний ваттметров:

М е т о д т р е х в а т т м е т р о в. Для измерения мощности трехфазной цепи при несимметричной нагрузке включают три ватт-Метра. В этом случае общая мощность при наличии нулевого провода будет равна арифметической сумме показаний трех ваттметров. Каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы, показания Ваттметра независимо от характера нагрузки будут положительные (параллельная обмотка включается на фазное напряжение, Т.е. между линейным проводом и нулевым).

Если нулевая точка недоступна и нулевой провод отсутствует, То параллельные цепи приборов могут образовать искусственную Нулевую точку при условии, что сопротивления этих цепей равны Между собой.

Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях. Несмотря на то, что реактивная мощность не определяет Ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии за единицу времени, ее измерение также важно. Наличие реактивной мощности приводит к дополнительным потерям электрической энергии в линиях передачи, трансформаторах и генераторах. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (вар) как в однофазных, так и в трехфазных трехпроводных и четырехпро-водных цепях переменного тока электродинамическими и фер-родинамическими или специально предназначенными для измерения реактивной мощности ваттметрами. Отличие реактивного ваттметра от обычного состоит в том, что он имеет усложненную схему параллельной цепи с целью получения сдвига по фазе, равного 90°, между векторами тока и напряжения этой цепи. Тогда отклонение подвижной части будет пропорционально реактивной мощности . Реактивные ваттметры преимущественно применяются для лабораторных измерений и поверки реактивных счетчиков.

Измерение мощности в цепях повышенной частоты. С этой целью можно использовать как прямые, так и косвенные измерения. В ряде случаев предпочтительнее могут оказаться косвенные, так как иногда легче измерить ток и напряжение на нагрузке, чем Непосредственно мощность. Прямые измерения мощности в цепях повышенных и высоких частот осуществляются термоэлектрическими, электронными ваттметрами, ваттметрами, основанными на эффекте Холла, цифровыми ваттметрами; косвенные измерения — осциллографическим методом. Данный метод применяют в основном тогда, когда цепь питается напряжением несинусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных ис точниках напряжения и т.д.

Измерение энергии в однофазных и трехфазных цепях. Энергию измеряют электромеханическими и электронными счетчиками электрической энергии. Электронные счетчики электрической энергии обладают лучшими метрологическими характеристика ми, большей надежностью и являются перспективными средства ми измерений электрической энергии.

3.4. ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ И ЧАСТОТЫ

Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в опре деленный момент времени t. Фазовый угол в начальный момет времени (начало отсчета времени), т.е. при t= 0, называют нулевым (начальным) фазовым сдвигом. Разность фаз измеряют обыч но между током и напряжением, либо между двумя напряжениями. В первом случае чаще интересуются не самим углом сдвиги фаз, а величиной или коэффициентом мощности; -это косинус того угла, на который опережает или отстает ток нагрузки от напряжения, приложенного к этой нагрузке. Фазовым сдвигом двух гармонических сигналов одинаковой частоты называют модуль разности их начальных фаз: = | - |. Фазовый сдвиг не зависит от времени, если остаются неизменными на чальные фазы , и . Разность фаз выражается в радианах или градусах.

Методы измерения угла сдвига фаз. Эти методы зависят от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и наличия СИ. Различают косвенное и прямое измерения угла сдвига фаз.

К о с в е н н о е и з м е р е н и е. Такое измерение угла сдвига фаз между напряжением Uи током I в нагрузке в однофазных цепях осуществляют с помощью трех приборов — вольтметра, амперметра и ваттметра (рис. 3.5). Угол определяется расчетным путем из найденного значения :

Метод используется обычно на промышленной частоте и обеспечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением приборов. Метод достаточно прост, надежен, экономичен.

Рис. 3.5. Измерение угла сдвига фаз методом трех приборов

В трехфазной симметричной цепи величину можно определить путем измерения:

· мощности, тока и напряжения одной фазы;

· активной мощности методом двух ваттметров;

· реактивной мощности методом двух ваттметров с искусственной нейтральной точкой.

Среди осциллографических методов измерения фазы наиболее распространены методы линейной развертки и эллипса. Осцил-лографический метод, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используют в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5... 10%). Метод линейной развертки предполагает применение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вертикальные пластины — напряжение, между которыми измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получаем изображение двух напряжений (рис. 3.6, а), и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляем угол сдвига между ними:

где АБ — отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через ноль по оси х; АС — отрезок, соответствующий периоду.

Погрешность измерения зависит от погрешности отсчета и фазовой погрешности осциллографа.

Если вместо линейной развертки использовать синусоидальное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигуры Лиссажу при равных частотах исследуемых напряжений дают на экране осциллографа изображение эллипса (рис. 3.6, б). Угол сдвига .

Этот метод позволяет измерять в пределах 0...90° без учета знака фазового угла.

Погрешность измерения также определяется погрешностью отсчета и расхождениями в фазовых сдвигах каналов Х и У осцил-лографа.

Рис. 3.6. Кривые, получаемые на экране двухлучевого осциллографа: при линейной (а) и синусоидальной (б) развертках

Применяя компенсатор переменного тока с калиброванным фазовращателем и электронным осциллографом в качестве индикатора равенства фаз, можно произвести достаточно точное измерение угла сдвига фаз. Погрешность измерения в этом случае определяется в основном погрешностью используемого фазовращателя.

П р я м о е и з м е р е н и е. Прямое измерение угла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров.

Наиболее часто из электромеханических фазометров используют электродинамические и электромагнитные логометрическис фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Диапазон частот, от 50 Гц до 6... 8 кГц. Классы точности: 0, 2; 0, 5. Для них характерна большая потребляемая мощность 5... 10 Вт.

В трехфазной симметричной цепи угол сдвига фаз или измеряют однофазным или трехфазным фазометром.

Цифровые фазометры используют в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц герц до 150 МГц; классы точности: 0, 005; 0, 01; 0, 02; 0, 05; 0, 1; 0, 5; 1, 0. В электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые подсчитываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала.

Методы измерения частоты. Частота — одна из важнейших характеристик периодического процесса, определяемая числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Диапазон используемых в технике частот очень велик и колеблется от долей герц до десятков гигагерц. Весь спектр частот делится на два диапазона — низкие и высокие.

Низкие частоты: инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые — 20...20 000 Гц; ультразвуковые — 20...200 кГц. Высокие частоты: высокие — 200 кГц...30 МГц; ультравысокие — 30...300 МГц.

Выбор метода измерения частоты зависит от диапазона измеряемых частот, необходимой точности измерения, величины и формы напряжения измеряемой частоты, мощности измеряемого сигнала, наличия СИ и т.д.

П р я м о е и з м е р е н и е. Метод основан на применении электромеханических, электронных и цифровых частотомеров.

В электромеханических частотомерах используют измерительный механизм электромагнитной, электродинамической и фер-родинамической систем с непосредственным отсчетом частоты по шкале логометрического измерителя. Такие частотомеры просты в устройстве и эксплуатации, надежны, обладают довольно высокой точностью. Диапазон частот: 20... 2500 Гц. Классы точности: 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5.

Электронные частотомеры применяют при измерениях в частотном диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц, при уровнях входного сигнала 0, 5... 200 В. Они имеют большое входное сопротивление, что обеспечивает малое потребление мощности. Классы точности: 1, 0; 0, 5 и ниже.

Цифровые частотомеры применяют для очень точных измерений. Диапазон частот: 0, 01 Гц... 17 ГГц. Источником погрешности яляется погрешность от дискретности и нестабильности кварцевого генератора.

М о с т о в о й м е т о д и з м е р е н и я ч а с т о т ы. Метод основан на использовании частотозависимых мостов переменного тока, питаемых напряжением измеряемой частоты. Наиболее распространенной мостовой схемой для измерения частоты служит емкостной мост. Данный метод применяют для измерения низких частот в пределах 20 Гц...20 кГц, погрешность измерений 0, 5... 1 %.

К о с в е н н о е и з м е р е н и е. Метод осуществляется с использованием осциллографов: по интерференционным фигурам (фигурам Лиссажу) и методом круговой развертки. Методы просты, удобны и достаточно точны. Их применяют в широком диапазоне частот 10 Гц... 20 МГц. Недостатком метода Лиссажу является сложность расшифровки фигур при соотношении фигур более 10, и, следовательно, возрастает погрешность измерения за счет установления истинного отношения частот. При методе круговой раз-пертки погрешность измерения в основном определяется погрешностью квантования образцовой частоты.

Контрольные вопросы

1. Приборы каких систем можно использовать для измерения постоянного тока и напряжения?

2. Какими приборами осуществляются:

а) прямые измерения малых токов и напряжений;

б) косвенные измерения малых токов и напряжений;

в) прямые измерения малых количеств электричества;

г) прямые измерения больших количеств электричества;

д) прямые измерения больших постоянных токов и напряжений?

3. Приборы каких систем можно использовать для измерения переменного тока и напряжения?

В чем сущность прямых и косвенных измерений:

а) малых и больших переменных токов;

б) малых и больших переменных напряжений;

в) мощности в цепях постоянного тока;

г) мощности в цепях переменного тока;

д) фазы;

е) частоты?

4. Приведите схемы включения индукционных счетчиков электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях.

ГЛАВА 4

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

Основными параметрами цепей с сосредоточенными постоянными являются: сопротивления резисторов, емкость конденсаторов, тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторов, индук тивность и добротность катушек, взаимная индуктивность двух катушек. При выборе метода и средства для измерения этих парамет ров следует учитывать их зависимость от частоты тока, температу ры, влажности, внешних электрических и магнитных полей и т. д. Весь диапазон измеряемых сопротивлений условно разделен на поддиапазоны: малые сопротивления — 10 нОм... 10 Ом; сред ние — 10 Ом... 1 МОм; большие — свыше 1 МОм.

Выбор средств и метода измерения зависит от значений сопротивления, условий измерения, требуемой мощности и т.д.

При косвенных измерениях разных сопротивлений R_x широко используют метод амперметра-вольтметра. Этот метод основан на раздельном измерении тока и напряжения с последующим вычислением сопротивления по закону Ома. Метод прост, надежен, но обладает невысокой точностью, ограниченной классом точности применяемых приборов и методической погрешностью, вносимой этими приборами. В зависимости от значения сопротивления для измерения тока можно использовать милли- и микроамперметры, гальванометры; для измерения напряжения — милли- и микровольтметры, гальванометры. Погрешность измерения порядка 1, 5... 2 %.

Прямые измерения сопротивления Rx с высокой точностью осуществляют с помощью мостов постоянного тока.

Мосты постоянного тока (одинарные). Диапазон измерения: 10 Ом...0, 1 ПОм (множитель 10¹⁵— приставка пета); классы точности: 0, 005... 10, 0.

При измерении малых сопротивлений на результат измерения существенно влияют сопротивления контактов и подводящих проводов, а также контактная ЭДС. Для уменьшения этого влияния применяют четырехзажимную схему включения исследуемого объекта, а измерения производят с помощью двойных мостов постоянного тока. Диапазон измерения: 10 нОм... 10 Ом (множитель 10^-9 — приставка нано); классы точности: 0, 01...2, 0.

Цифровые мосты. Диапазон измерения: 10 МОм... 1 ТОм

(множитель 10⁶ — приставка мега, а множитель 10¹² — приставка тера); классы точности: 0, 005...2, 0.

Для измерения больших сопротивлений используют одинарные мосты, а для измерения очень больших сопротивлений — до 0, 01 ЭОм (множитель 10¹⁸ — приставка экса) — баллистические гальванометры. Следует учесть, что при измерении больших сопротивлений токи, протекающие через исследуемые объекты, становятся очень малыми, что предъявляет высокие требования к чувствительности СИ.

Для измерения больших сопротивлений можно также использовать магнитоэлектрические омметры и омметры-логометры, электронные тераомметры, цифровые омметры.

Электронный логометр (тераомметр). Это прибор, в котором последовательно с измеряемым сопротивлением R_x включается образцовое сопротивление R₀. С помощью электронного вольтметра измеряют падение напряжения на R_x (при условии, что R₀ > > R_x), которое пропорционально измеряемому сопротивлению. Шкала при этом будет линейной. При R₀ < < R_x измеряют падение напряжения на R₀; шкала выходного прибора обратно пропорциональна измеряемому сопротивлению и носит гиперболический характер. Обычно это многопредельные приборы с неравномерной шкалой. Диапазон измерения: 10 Ом... 10 ПОм; классы точности: 1, 5; 2, 5; 4, 0; 6, 0; 10, 0.

Цифровые омметры имеют классы точности 0, 005... 2, 0. Диапазон измерения: 100 Ом... 1 ТОм.

4.2. ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ПОТЕРЬ

Диапазон измерения емкости — 1 пФ...Ю0 мкФ (множитель 10^-12 — приставка пико; множитель 10^-6 — приставка микро). Выбор метода зависит от измеряемой емкости, условий измерения (температуры окружающей среды, частоты и величины питающего напряжения), требуемой точности и наличия СИ.

Косвенные измерения — это методы амперметра и вольтметра; амперметра, вольтметра и ваттметра. Прямые измерения — мостовые методы и метод непосредственной оценки.

При измерении емкости и тангенса угла диэлектрических потерь используются:

· мосты переменного тока (с ручным уравновешиванием). Диапазон измерения: емкости — 10 пФ... 1 мкФ; тангенса угла потерь - 0, 001... 1; классы точности: 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 2, 0; 5, 0;

· цифровые мосты. Диапазон измерения: емкости — 1 пФ... 100 мкФ; тангенса угла потерь — 0, 0001... 1; классы точности: 0, 02; 0, 05;

· фарадметры с электромагнитным и электродинамическим ИМ на принципе логометра. Их применяют при грубых измерениях относительно больших емкостей. На этом принципе может быту построен и генриметр. Диапазон измерения: 1... 10 мкФ; классы точности: 1, 0; 1, 5.

4.3. ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ, ДОБРОТНОСТИ И ВЗАИМНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ

Косвенные измерения — это методы амперметра и вольтметра; амперметра, вольтметра и ваттметра. Прямые измерения — мостовые методы, методы непосредственной оценки.

При измерении индуктивности, добротности и взаимной индуктивности используются:

мосты переменного тока широкого применения с ручным уравновешиванием. Диапазон измерения: индуктивности 1 мкГн... 1000 Гн; добротности 4, 5...200; классы точности — 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 2, 0; 5, 0;

цифровые мосты. Диапазон измерения индуктивности — 0, 1 мкГн... 100 Гн; классы точности — 0, 02; 0, 05;

генриметры (на принципе лого метров). Диапазон измерений — 1... 10 Гн; классы точности — 1, 5; 2, 5.

Для измерения взаимной индуктивности М можно использовать все методы измерения L, а также баллистический гальванометр или веберметр.

Точность измерения М данными методами определяется точностью используемых СИ и принятых методов измерения.

Контрольные вопросы

1. Как делится диапазон измеряемых сопротивлений?

2. Назовите прямые и косвенные виды измерения сопротивлений.

3. Что лежит в основе выбора метода измерения сопротивлений?

4. Назовите область использования:

а) метода амперметра-вольтметра;

б) мостового метода;

в) электронного логометра;

г) цифровых омметров.

5. Как делится диапазон измеряемой емкости?

6. Что представляют собой прямые измерения:

а) малых значений емкости и тангенса угла потерь;

б) индуктивности, добротности и взаимной индуктивности?

7. Что представляют собой прямые и косвенные измерения больших значений емкости и тангенса угла потерь?

8. Что представляют собой косвенные измерения индуктивности, добротности и взаимной индуктивности?

ГЛАВА 5