Понятие тока и напряжения. Электрические величины и единицы их измерения. Измерение постоянного напряжения

Нагрузка в электрической цепи характеризуется силой тока, измерение тока в амперах. Силу тока иногда приходится измерять для проверки допустимой величины нагрузки на кабель. Для прокладки электрической линии применяются кабели разного сечения. Если кабель работает с нагрузкой выше допустимой величины, то он нагревается, а изоляция постепенно разрушается. В результате это приводит к и замене кабеля.

• После прокладки нового кабеля необходимо измерить проходящий через него ток при всех работающих электрических устройствах.
• Если к старой электропроводке подключена дополнительная нагрузка, то также следует проверить величину тока, которая не должна превышать допустимые пределы.
• При нагрузке, равной верхнему допустимому пределу, проверяется соответствие тока, протекающего через . Его величина не должна превышать номинальное значение рабочего тока автоматов. В противном случае автоматический выключатель обесточит сеть из-за перегрузки.
• Измерение тока также необходимо для определения режимов эксплуатации электрических устройств. Измерение токовой нагрузки электродвигателей выполняется не только для проверки их работоспособности, но и для выявления превышения нагрузки выше допустимой, которая может возникнуть из-за большого механического усилия при работе устройства.
• Если измерить ток в цепи работающего , то он покажет исправность .
• Работоспособность в квартире также проверяется измерением тока.

Мощность тока

Кроме силы тока, существует понятие мощности тока. Этот параметр определяет работу тока, выполненную в единицу времени. Мощность тока равна отношению выполненной работы к промежутку времени, за которое эта работа была выполнена. Обозначают буквой «Р» и измеряют в ваттах.

Мощность рассчитывается путем перемножения напряжения сети на силу тока, потребляемого подключенными электрическими устройствами: Р = U х I. Обычно на электроприборах указывают потребляемую мощность, с помощью которой можно определить ток. Если ваш телевизор имеет мощность 140 Вт, то для определения тока делим эту величину на 220 В, в результате получаем 0,64 ампера. Это значение максимального тока, на практике ток может быть меньше при снижении яркости экрана или других изменениях настроек.

Измерение тока приборами

Для определения потребления электрической энергии с учетом эксплуатации потребителей в разных режимах, необходимы электрические измерительные приборы, способные выполнить измерение параметров тока.

• . Для измерения величины тока в цепи используют специальные приборы, называемые амперметрами. Они включаются в измеряемую цепь по последовательной схеме. Внутреннее сопротивление амперметра очень мало, поэтому он не влияет на параметры работы цепи.Шкала амперметра может быть размечена в амперах или других долях ампера: микроамперах, миллиамперах и т.д. Существует несколько видов амперметров: электронные, механические и т. д.

• является электронным измерительным прибором, способным измерить различные параметры электрической цепи (сопротивление, напряжение, обрыв проводника, пригодность батарейки и т.д.), в том числе и силу тока. Существуют два вида мультиметров: цифровой и аналоговый. В мультиметре имеются различные настройки измерений.

Порядок измерения силы тока мультиметром:

• Выяснить, какой интервал измерения вашего мультиметра. Каждый прибор рассчитан на измерение тока в некотором интервале, который должен соответствовать измеряемой электрической цепи. Наибольший допустимый ток измерения должен быть указан в инструкции.
• Выбрать соответствующий режим измерений. Многие мультиметры способны работать в разных режимах, и измерять разные величины. Для замеров силы тока нужно переключиться на соответствующий режим, учитывая вид тока (постоянный или переменный).
• Установить на приборе необходимый интервал измерений. Лучше установить верхний предел силы тока несколько выше предполагаемой величины. Снизить этот предел можно в любое время. Зато будет гарантия, что вы не выведете прибор из строя.
• Вставить измерительные штекеры проводов в гнезда. В комплекте прибора имеются два провода со щупами и разъемами. Гнезда должны быть отмечены на приборе или изображены в паспорте.

• Для начала измерения необходимо подключить мультиметр в цепь. При этом следует соблюдать правила безопасности и не касаться токоведущих частей незащищенными частями тела. Нельзя проводить измерения во влажной среде, так как влага проводит электрический ток. На руки следует надеть резиновые перчатки. Чтобы разорвать цепь для проведения измерений, следует разрезать проводник и зачистить изоляцию на обоих концах. Затем подсоединить щупы мультиметра к зачищенным концам провода и убедиться в хорошем контакте.
• Включить питание цепи и зафиксировать показания прибора. В случае необходимости откорректировать верхний предел измерений.
• Отключить питание цепи и отсоединить мультиметр.
• . Если необходимо произвести измерение тока без разрыва электрической цепи, то измерительные клещи будут отличным вариантом для выполнения этой задачи. Этот прибор выпускают нескольких видов, и разной конструкции. Некоторые модели могут измерять и другие параметры цепи. Пользоваться измерительными токовыми клещами очень удобно.

Способы измерения тока

Для измерения силы тока в электрической цепи, необходимо один вывод амперметра или другого прибора, способного измерять силу тока, подключить к положительной клемме источника тока или , а другой вывод к проводу потребителя. После этого можно измерять силу тока.

При измерениях необходимо соблюдать аккуратность, так как при размыкании действующей электрической цепи может возникнуть электрическая дуга.

Для измерения силы тока электрических устройств, подключаемых непосредственно к розетке или кабелю бытовой сети, измерительный прибор настраивается на режим переменного тока с завышенной верхней границей. Затем измерительный прибор подключают в разрыв провода фазы.

Все работы по подключению и отключению допускается производить только в обесточенной цепи. После всех подключений можно подавать питание и измерять силу тока. При этом нельзя касаться оголенных токоведущих частей, во избежание поражения электрическим током. Такие методы измерения неудобны и создают определенную опасность.

Значительно удобнее проводить измерения токоизмерительными клещами, которые могут выполнять все функции мультиметра, в зависимости от исполнения прибора. Работать такими клещами очень просто. Необходимо настроить режим измерения постоянного или переменного тока, развести усы и охватить ими фазный провод. Затем нужно проконтролировать плотность прилегания усов между собой и измерить ток. Для правильных показаний необходимо охватывать усами только фазный провод. Если охватить сразу два провода, то измерения не получится.

Токоизмерительные клещи служат только для замеров параметров переменного тока.

Если их использовать для измерения постоянного тока, то усы сожмутся с большой силой, и раздвинуть их можно будет только, отключив питание.

Под электрическим напряжением понимают работу, совершаемую электрическим полем для перемещения заряда напряженностью в 1 Кл (кулон) из одной точки проводника в другую.

Как возникает напряжение?

Все вещества состоят из атомов, представляющих собой положительно заряженное ядро, вокруг которого с большой скоростью кружатся более мелкие отрицательные электроны. В общем случае атомы нейтральны, так как количество электронов совпадает с числом протонов в ядре.

Однако если некоторое количество электронов отнять из атомов, то они будут стремиться притянуть такое же их количество, формируя вокруг себя плюсовое поле. Если же добавить электронов, то возникнет их избыток, и отрицательное поле. Формируются потенциалы – положительный и отрицательный.

При их взаимодействии возникнет взаимное притяжение.

Чем больше будет величина различия – разность потенциалов – тем сильнее электроны из материала с их избыточным содержанием будут перетягиваться к материалу с их недостатком.

Тем сильнее будет электрическое поле и его напряжение.

Если соединить потенциалы с различными зарядами проводников, то возникнет электрический – направленное движение носителей заряда, стремящееся устранить разницу потенциалов. Для перемещения по проводнику зарядов силы электрического поля совершают работу, которая и характеризуется понятием электрического напряжения.

В чем измеряется

Температуры;

Виды напряжения

Постоянное напряжение

Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной ее стороны всегда положительный потенциал, а с другой – отрицательный. Электрический в этом случае имеет одно направление и является постоянным.

Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах.

При подключении нагрузки в цепь постоянного тока важно не перепутать контакты, иначе устройство может выйти из строя. Классическим примером источника постоянного напряжения являются батарейки. Применяют сети , когда не требуется передавать энергию на большие расстояния: во всех видах транспорта – от мотоциклов до космических аппаратов, в военной технике, электроэнергетике и телекоммуникациях, при аварийном электрообеспечении, в промышленности (электролиз, выплавка в дуговых электропечах и т.д.).

Переменное напряжение

Если периодически менять полярность потенциалов, либо перемещать их в пространстве, то и электрический устремится в обратном направлении. Количество таких изменений направления за определенное время показывает характеристика, называемая частотой. Например, стандартные 50 означают, что полярность напряжения в сети меняется за секунду 50 раз.

Напряжение в электрических сетях переменного тока является временной функцией.

Чаще всего используется закон синусоидальных колебаний.

Так получается за счет того, что возникает в катушке асинхронных двигателей за счет вращения вокруг нее электромагнита. Если развернуть вращение по времени, то получается синусоида.

Состоит из четырех проводов – трех фазных и одного нулевого. напряжение между проводами нулевым и фазным равно 220 В и называется фазным. Между фазными напряжение также существует, называется линейным и равно 380 В (разность потенциалов между двумя фазными проводами). В зависимости от вида подключения в трехфазной сети можно получить или фазное напряжение, или линейное.

Измерение мощности. В цепях постоянного тока мощность измеряют электро- или ферродинамическим ваттметром. Мощность может быть также подсчитана перемножением значений тока и напряжения, измеренных амперметром и вольтметром.

В цепях однофазного тока измерение мощности может быть осуществлено электродинамическим, ферродинамическим или индукционным ваттметром. Ваттметр 4 (рис. 336) имеет две катушки: токовую 2, которая включается в цепь последовательно, и напряжения 3, которая включается в цепь параллельно.

Ваттметр является прибором, требующим при включении соблюдения правильной полярности, поэтому его генераторные зажимы (зажимы, к которым присоединяют проводники, идущие со стороны источника 1) обозначают звездочками.

Рис. 336. Схема для измерения мощности

Для расширения пределов измерения ваттметров их токовые катушки включают в цепь при помощи шунтов или измерительных трансформаторов тока, а катушки напряжения — через добавочные резисторы или измерительные трансформаторы напряжения.

Измерение электрической энергии. Способ измерения

. Для учета электрической энергии, получаемой потребителями или отдаваемой источниками тока, применяют счетчики электрической энергии. Счетчик электрической энергии по принципу своего действия аналогичен ваттметру. Однако в отличие от ваттметров вместо спиральной пружины, создающей противодействующий момент, в счетчиках предусматривают устройство, подобное электромагнитному демпферу, создающее тормозящее усилие, пропорциональное частоте вращения подвижной системы. Поэтому при включении прибора в электрическую цепь возникающий вращающий момент будет вызывать не отклонение подвижной системы на некоторый угол, а вращение ее с определенной частотой.

Число оборотов подвижной части прибора будет пропорционально произведению мощности электрического тока на время, в течение которого он действует, т. е. количеству электрической энергии, проходящей через прибор. Число оборотов счетчика фиксируется счетным механизмом. Передаточное число этого механизма выбирают так, чтобы по показаниям счетчика можно было отсчитывать не обороты, а непосредственно электрическую энергию в киловатт-часах.

Наибольшее распространение получили ферродинамические и индукционные счетчики; первые применяют в цепях постоянного тока, вторые — в цепях переменного тока. Счетчики электрической энергии включают в электрические цепи постоянного и переменного тока так же, как и ваттметры.

Ферродинамический счетчик (рис. 337) устанавливают на э. п. с. постоянного тока. Он имеет две катушки: неподвижную 4 и подвижную 6. Неподвижная токовая катушка 4 разделена на две части, которые охватывают ферромагнитный сердечник 5 (обычно из пермаллоя). Последний позволяет создать в приборе сильное магнитное поле и значительный вращающий момент, обеспечивающий нормальную работу счетчика в условиях тряски и вибраций. Применение пермаллоя способствует уменьшению погрешности счетного механизма 2 от гистерезиса магнитной системы (он имеет весьма узкую петлю гистерезиса).

Чтобы уменьшить влияние внешних магнитных полей на показания счетчика, магнитные потоки отдельных частей токовой катушки имеют взаимно противоположное направление (астатическая система). При этом внешнее поле, ослабляя поток одной части, соответственно усиливает поток другой части и оказывает в целом небольшое влияние на результирующий вращающий момент, создаваемый прибором. Подвижная катушка 6 счетчика (катушка напряжения) расположена на якоре, выполненном в виде диска из изоляционного материала или в виде алюминиевой чаши. Катушка состоит из отдельных секций, соединенных с пластинами коллектора 7 (эти соединения на рис. 337 не показаны), по которому скользят щетки из тонких серебряных пластин.

Ферродинамический счетчик работает принципиально как двигатель постоянного тока, обмотка якоря которого подключена параллельно, а обмотка возбуждения — последовательно с потребителем электроэнергии. Якорь вращается в воздушном зазоре между полюсами сердечника. Тормозной момент создается в результате взаимодействия потока постоянного магнита 1 с вихревыми токами, возникающими в алюминиевом диске 3 при его вращении.

Для компенсации влияния момента трения и уменьшения благодаря этому погрешности прибора в ферродинамических счетчиках устанавливают компенсационную катушку или в магнитном поле неподвижной (токовой) катушки помещают лепесток из пермаллоя, который имеет высокую магнитную проницаемость при малой напряженности поля. При небольших нагрузках этот лепесток усиливает магнитный поток токовой катушки, что приводит к увеличению вращающего момента и компенсации трения. При увеличении нагрузки индукция магнитного поля катушки увеличивается, лепесток насыщается и его компенсирующее действие перестает возрастать.

При работе счетчика на э. п. с. возможны сильные толчки и удары, при которых щетки могут отскакивать от коллекторных пластин. При этом под щетками будет возникать искрение. Для его предотвращения между щетками включают конденсатор С и резистор R1. Компенсация температурной погрешности осуществляется с помощью термистора Rт (полупроводникового прибора, сопротивление которого зависит от температуры). Он включается совместно с добавочным резистором R2 параллельно подвижной катушке. Чтобы уменьшить влияние тряски и вибраций на работу счетчиков, их устанавливают на э. п. с. на резинометаллических амортизаторах.

Индукционный счетчик имеет два электромагнита (рис. 338,а), между которыми расположен алюминиевый диск 7. Вращающий момент в приборе создается в результате взаимодействия переменных магнитных потоков Ф1 и Ф2, созданных катушками электромагнитов, с вихревыми токами I в1 и I в2 , индуцируемыми ими в алюминиевом диске (так же, как и в обычном индукционном измерительном механизме, см. § 99).

В индукционном счетчике вращающий момент М должен быть пропорционален мощности P=UIcos?. Для этого катушку 6 одного из электромагнитов (токовую) включают последовательно с нагрузкой 5, а катушку 2 другого (катушку напряжения) — параллельно нагрузке. В этом случае магнитный поток Ф1 будет пропорционален току I в цепи нагрузки, а поток Ф2 — напряжению U, приложенному к нагрузке. Для обеспечения требуемого угла сдвига фаз? между потоками Ф1 и Ф2 (чтобы sin? = cos?) в электромагните катушки напряжения предусмотрен магнитный шунт 3, через который часть потока Ф2 замыкается

Рис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергии

Рис. 338. Индукционный счетчик электрической энергии

помимо диска 7. Угол сдвига фаз между потоками Ф1 и Ф2 точно регулируется изменением положения металлического экрана 1, расположенного на пути потока, ответвляющегося через магнитный шунт 3.

Тормозной момент создается так же, как в ферродинамическом счетчике. Компенсация момента трения осуществляется путем создания небольшой несимметрии в магнитной цепи одного из электромагнитов с помощью стального винта.

Для предотвращения вращения якоря при отсутствии нагрузки под действием усилия, созданного устройством, компенсирующим трение, на оси счетчика укрепляется стальной тормозной крючок. Этот крючок притягивается к тормозному магниту 4, благодаря чему предотвращается возможность вращения подвижной системы без нагрузки.

При работе же счетчика под нагрузкой тормозной крючок практически не влияет на его показания.

Чтобы диск счетчика вращался в требуемом направлении, необходимо соблюдать определенный порядок подключения проводов к его зажимам. Нагрузочные зажимы прибора, к которым подключают провода, идущие от потребителя, обозначают буквами Я (рис. 338,б), генераторные зажимы, к которым подключают провода от источника тока или от сети переменного тока,- буквами Г.

Измерение тока. Для измерения тока в цепи амперметр 2 (рис. 332, а) или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником 3 электрической энергии.

Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, амперметры выполняют с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения. Амперметр можно включать в цепь только последовательно с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Для расширения пределов измерения амперметров, предназначенных для работы в цепях постоянного тока, их включают в цепь параллельно шунту 4 (рис. 332,б). При этом через прибор проходит только часть I А измеряемого тока I, обратно пропорциональная его сопротивлению R А. Бо льшая часть I ш этого тока проходит через шунт. Прибор измеряет падение напряжения на шунте, зависящее от проходящего через шунт тока, т. е. используется в качестве милливольтметра. Шкала прибора градуируется в амперах. Зная сопротивления прибора R A и шунта R ш можно по току I А, фиксируемому прибором, определить измеряемый ток:

I = I А (R А +R ш)/R ш = I А n (105)

где n = I/I А = (R A + R ш)/R ш — коэффициент шунтирования. Его обычно выбирают равным или кратным 10. Сопротивление шунта, необходимое для измерения тока I, в n раз большего, чем ток прибора I А,

R ш = R A /(n-1) (106)

Конструктивно шунты либо монтируют в корпус прибора (шунты на токи до 50 А), либо устанавливают вне его и соединяют с прибором проводами. Если прибор предназначен для постоянной работы с шунтом, то шкала его градуируется сразу в значениях измеряемого тока с учетом коэффициента шунтирования и никаких расчетов для определения тока выполнять не требуется. В случае применения наружных (отдельных от приборов) шунтов на них указывают номинальный ток, на который они рассчитаны, и номинальное напряжение на зажимах (калиброванные шунты). Согласно стандартам это напряжение может быть равно 45, 75, 100 и 150 мВ. Шунты подбирают к приборам так, чтобы при номинальном напряжении на зажимах шунта стрелка прибора отклонялась на всю шкалу. Следовательно, номинальные напряжения прибора и шунта должны быть одинаковыми. Имеются также индивидуальные шунты, предназначенные для работы с определенным прибором. Шунты делят на пять классов точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Обозначение класса соответствует допустимой погрешности в процентах.

Для того чтобы повышение температуры шунта при прохождении по нему тока не оказывало влияния на показания прибора, шунты изготовляют из материалов с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом (константан, манганин, никелин и пр. ). Для уменьшения влияния температуры на показания амперметра последовательно с катушкой прибора в некоторых случаях включают добавочный резистор из констан-тана или другого подобного материала.

Рис. 332. Схемы для измерения тока (а, б) и напряжения (в, г)

Измерение напряжения. Для измерения напряжения U, действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр 2 (рис. 332, в) присоединяют к этим точкам, т. е. параллельно источнику 1 электрической энергии или приемнику 3.

Для того чтобы включение вольтметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, вольтметры выполняют с большим сопротивлением. Поэтому практически можно пренебрегать проходящим по вольтметру током.

Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с обмоткой прибора включают добавочный резистор 4 (R д) (рис. 332,г). При этом на прибор приходится лишь часть U v измеряемого напряжения U, пропорциональная сопротивлению прибора R v .

Зная сопротивление добавочного резистора и вольтметра, можно по значению напряжения U v , фиксируемого вольтметром, определить напряжение, действующее в цепи:

U = (R v +R д )/R v * U v = nU v (107)

Величина n = U/U v =(R v +R д)/R v показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U больше напряжения U v , приходящегося на прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметром при применении добавочного резистора.

Сопротивление добавочного резистора, необходимое для измерения напряжения U, в п раз большего напряжения прибора Uv, определяется по формуле R д =(n- 1) R v .

Добавочный резистор может встраиваться в прибор и одновременно использоваться для уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора. Для этой цели резистор выполняется из материала, имеющего малый температурный коэффициент, и его сопротивление значительно превышает сопротивление катушки, вследствие чего общее сопротивление прибора становится почти независимым от изменения температуры. По точности добавочные резисторы подразделяются на те же классы точности, что и шунты.

Делители напряжения. Для расширения пределов измерения вольтметров применяют также делители напряжения. Они позволяют уменьшить подлежащее измерению напряжение до значения, соответствующего номинальному напряжению данного вольтметра (предельного напряжения на его шкале). Отношение входного напряжения делителя U 1 к выходному U 2 (рис. 333, а) называетсякоэффициентом деления . При холостом ходе U 1 /U 2 = (R 1 +R 2)/R2 = 1 + R 1 /R 2 . В делителях напряжения это отношение может быть выбрано равным 10, 100, 500 и т. д. в зависимости от того, к каким

Рис. 333. Схемы включения делителей напряжения

выводам делителя подключен вольтметр (рис. 333,б). Делитель напряжения вносит малую погрешность в измерения только в том случае, если сопротивление вольтметра R v достаточно велико (ток, проходящий через делитель, мал), а сопротивление источника, к которому подключен делитель, мало.

Измерительные трансформаторы. Для включения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока служат измерительные трансформаторы, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала при выполнении электрических измерений в цепях высокого напряжения. Включение электроизмерительных приборов в эти цепи без таких трансформаторов запрещается правилами техники безопасности. Кроме того, измерительные трансформаторы расширяют пределы измерения приборов, т. е. позволяют измерять большие токи и напряжения с помощью несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и напряжений.

Измерительные трансформаторы подразделяют на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Трансформатор напряжения 1 (рис. 334, а) служит для подключения вольтметров и других приборов, которые должны реагировать на напряжение. Его выполняют, как обычный двухобмоточный понижающий трансформатор: первичную обмотку подключают к двум точкам, между которыми требуется измерить напряжение, а вторичную — к вольтметру 2.

На схемах измерительный трансформатор напряжения изображают как обычный трансформатор (на рис. 334, а показано в круге).

Так как сопротивление обмотки вольтметра, подключаемого к трансформатору напряжения, велико, трансформатор практически работает в режиме холостого хода, и можно с достаточной степенью точности считать, что напряжения U 1 и U 2 на первичной и вторичной обмотках будут прямо пропорциональны числу витков? 1 и? 2 обеих обмоток трансформатора, т. е.

U 1 /U 2 = ? 1 /? 2 = n (108)

Таким образом, подобрав соответствующее число витков? 1 и? 2 обмоток трансформатора, можно измерять высокие напряжения, подавая на электроизмерительный прибор небольшие напряжения.

Напряжение U 1 может быть определено умножением измеренного вторичного напряжения U 2 на коэффициент трансформации трансформатора n.

Вольтметры, предназначенные для постоянной работы с трансформаторами напряжения, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого напряжения могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током в случае повреждения изоляции трансформатора один выэод его вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора должны быть заземлены.

Трансформатор тока 3 (рис. 334,б) служит для подключения амперметров и других приборов, которые должны реагировать на протекающий по цепи переменный ток. Его выполняют в виде

Рис. 334. Включение электроизмерительных приборов посредством измерительных трансформаторов напряжения (а) и тока (б)

обычного двухобмоточного повышающего трансформатора; первичную обмотку включают последовательно в цепь измеряемого тока, к вторичной обмотке подключают амперметр 4.

Схемное обозначение измерительных трансформаторов тока показано на рис. 334, б в круге.

Так как сопротивление обмотки амперметра, подключаемого к трансформатору тока, обычно мало, трансформатор практически работает в режиме короткого замыкания, и с достаточной степенью точности можно считать, что токи I 1 и I 2 , проходящие по его обмоткам, будут обратно пропорциональны числу витков? 1 и? 2 этих обмоток, т. е.

I 1 /I 2 = ? 1 /? 2 = n (109)

Следовательно, подобрав соответствующим образом число витков? 1 и? 2 обмоток трансформатора, можно измерять большие токи I 1 , пропуская через электроизмерительный прибор малые токи I 2 . Ток I 1 может быть при этом определен умножением измеренного вторичного тока I 2 на величину n.

Амперметры, предназначенные для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого тока I 1 могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током в случае повреждения изоляции трансформатора один из зажимов вторичной обмотки и кожух трансформатора заземляют.

На э. п. с. применяют так называемые проходные трансформаторы тока (рис. 335). В таком трансформаторе магнитопровод 3 и вторичная обмотка 2 смонтированы на проходном изоляторе 4, служащем для ввода высокого напряжения в кузов, а роль первичной обмотки трансформатора выполняет медный стержень 1, проходящий внутри изолятора.

Условия работы трансформаторов тока отличаются от обычных. Например, размыкание вторичной обмотки трансформатора тока при включенной первичной обмотке недопустимо, так как это вызовет значительное увеличение магнитного потока и, как следствие, температуры сердечника и обмотки трансформатора, т. е. выход его из строя. Кроме того, в разомкнутой вторичной обмотке трансформатора может индуцироваться большая э. д. с, опасная для персонала, производящего измерения.

При включении приборов посредством измерительных трансформаторов возникают погрешности двух видов: погрешность в коэффициенте трансформации и угловая погрешность (при изменениях напряжения или тока отношенияU 1 /U 2 и I 1 /I 2 несколько изменяются и угол сдвига фаз между первичным и вторичным напряжениями и токами отклоняется от 180°). Эти погрешности возрастают при нагрузке трансформатора свыше номинальной. Угловая погрешность оказывает влияние на результаты измере-

Рис. 335. Проходной измерительный трансформатор тока

ний приборами, показания которых зависят от угла сдвига фаз между напряжением и током (например, ваттметров, счетчиков электрической энергии и пр. ). В зависимости от допускаемых погрешностей измерительные трансформаторы подразделяют по классам точности. Класс точности (0,2; 0,5; 1 и т. д.) соответствует наибольшей допускаемой погрешности в коэффициенте трансформации в процентах от его номинального значения.

Измерение методом амперметра и вольтметра. Сопротивление какой-либо электрической установки или участка электрической цепи можно определить с помощью амперметра и вольтметра, пользуясь законом Ома. При включении приборов по схеме рис. 339, а через амперметр проходит не только измеряемый ток I x , но и ток I v , протекающий через вольтметр. Поэтому сопротивление

R x = U / (I – U/R v ) (110)

где R v — сопротивление вольтметра.

При включении приборов по схеме рис. 339, б вольтметр будет измерять не только падение напряжения Ux на определенном сопротивлении, но и падение напряжения в обмотке амперметра U A = IR А. Поэтому

R x = U/I – R А (111)

где R А — сопротивление амперметра.

В тех случаях, когда сопротивления приборов неизвестны и, следовательно, не могут быть учтены, нужно при измерении малых сопротивлений пользоваться схемой рис. 339,а, а при измерении больших сопротивлений — схемой рис. 339, б. При этом погрешность измерений, определяемая в первой схеме током I v , а во второй — падением напряжения UА, будет невелика по сравнению с током I x и напряжением U x .

Измерение сопротивлений электрическими мостами. Мостовая схема (рис. 340,а) состоит из источника питания, чувствительного прибора (гальванометра Г) и четырех резисторов, включаемых в плечи моста: с неизвестным сопротивлением R x (R4) и известными сопротивлениями R1, R2, R3, которые могут при измерениях изменяться. Прибор включают в одну из диагоналей моста (измерительную), а источник питания — в другую (питающую).

Сопротивления R1 R2 и R3 можно подобрать такими, что при замыкании контакта В показания прибора будут равны нулю (в та-

Рис. 339. Схемы для измерения сопротивления методом амперметра и вольтметра

Рис. 340. Мостовые схемы постоянного тока, применяемые для измерения сопротивлений

ком случае принято говорить, что мост уравновешен). При этом неизвестное сопротивление

R x = (R 1 /R 2)R 3 (112)

В некоторых мостах отношение плеч R1/R2 установлено постоянным, а равновесие моста достигается только подбором сопротивления R3. В других, наоборот, сопротивление R3 постоянно, а равновесие достигается подбором сопротивлений R1 и R2.

Измерение сопротивления мостом постоянного тока осуществляется следующим образом. К зажимам 1 и 2 присоединяют неизвестное сопротивление R x (например, обмотку электрической машины или аппарата), к зажимам 3 и 4 — гальванометр, а к зажимам 5 и 6 — источник питания (сухой гальванический элемент или аккумулятор). Затем, изменяя сопротивления R1, R2 и R3 (в качестве которых используют магазины сопротивлений, переключаемые соответствующими контактами), добиваются равновесия моста, которое определяется по нулевому показанию гальванометра (при замкнутом контакте В).

Существуют различные конструкции мостов постоянного тока, при использовании которых не требуется выполнять вычисления, так как неизвестное сопротивление R x отсчитывают по шкале прибора. Смонтированные в них магазины сопротивлений позволяют измерять сопротивления от 10 до 100 000 Ом.

При измерении малых сопротивлений обычными мостами сопротивления соединительных проводов и контактных соединений вносят большие погрешности в результаты измерения. Для их устранения применяют двойные мосты постоянного тока (рис. 340,б). В этих мостах провода, соединяющие резистор с измеряемым сопротивлением R x и некоторый образцовый резистор с сопротивлением R0 с другими резисторами моста, и их контактные соединения оказываются включенными последовательно с резисторами соответствующих плеч, сопротивление которых устанавливается не менее 10 Ом. Поэтому они практически не влияют на результаты измерений. Провода же, соединяющие резисторы с сопротивлениями R x и R0, входят в цепь питания и не влияют на условия равновесия моста. Поэтому точность измерения малых сопротивлений довольно высокая. Мост выполняют так, чтобы при регулировках его соблюдались следующие условия: R1 = R2 и R3 = R4. В этом случае

R x = R 0 R 1 /R 4 (113)

Двойные мосты позволяют измерить сопротивления от 10 до 0,000001 Ом.

Если мост не уравновешен, то стрелка в гальванометре будет отклоняться от нулевого положения, так как ток измерительной диагонали при неизменных значениях сопротивлений R1, R2, R3 и э. д. с. источника тока будет зависеть только от изменения сопротивления R x . Это позволяет проградуировать шкалу гальванометра в единицах сопротивления R x или каких-либо других единицах (температура, давление и пр.), от которых зависит это сопротивление. Поэтому неуравновешенный мост постоянного тока широко используют в различных устройствах для измерения неэлектрических величин электрическими методами.

Применяют также различные мосты переменного тока, которые дают возможность измерить с большой точностью индуктивности и емкости.

Измерение омметром. Омметр представляет собой миллиамперметр 1 с магнитоэлектрическим измерительным механизмом и включается последовательно с измеряемым сопротивлением R x (рис. 341) и добавочным резистором R Д в цепь постоянного тока. При неизменных э. д. с. источника и сопротивления резистора R Д ток в цепи зависит только от сопротивления R x . Это позволяет отградуировать шкалу прибора непосредственно в омах. Если выходные зажимы прибора 2 и 3 замкнуты накоротко (см. штриховую линию), то ток I в цепи максимален и стрелка прибора отклоняется вправо на наибольший угол; на шкале этому соответствует сопротивление, равное нулю. Если цепь прибора разомкнута, то I = 0 и стрелка находится в начале шкалы; этому положению соответствует сопротивление, равное бесконечности.

Питание прибора осуществляется от сухого гальванического элемента 4, который устанавливается в корпусе прибора. Прибор будет давать правильные показания только в том случае, если источник тока имеет неизменную э. д. с. (такую же, как и при градуировке шкалы прибора). В некоторых омметрах имеются два или несколько пределов измерения, например от 0 до 100 Ом и от 0 до 10 000 Ом. В зависимости от этого резистор с измеряемым сопротивлением R x подключают к различным зажимам.

Измерение больших сопротивлений мегаомметрами. Для измерения сопротивления изоляции чаще всего применяют мегаомметры магнитоэлектрической системы. В качестве измерительного механизма в них использован логометр 2 (рис. 342), показания кото-

Рис. 341. Схема включения омметра

Рис. 342. Устройство мегаомметра

рого не зависят от напряжения источника тока, питающего измерительные цепи. Катушки 1 и 3 прибора находятся в магнитном поле постоянного магнита и подключены к общему источнику питания 4.

Последовательно с одной катушкой включают добавочный резистор R д, в цепь другой катушки — резистор сопротивлением R x .

В качестве источника тока обычно используют небольшой генератор 4 постоянного тока, называемый индуктором; якорь генератора приводят во вращение рукояткой, соединенной с ним через редуктор. Индукторы имеют значительные напряжения от 250 до 2500 В, благодаря чему мегаомметром можно измерять большие сопротивления.

При взаимодействии протекающих по катушкам токов I1 и I2 с магнитным полем постоянного магнита создаются два противоположно направленных момента М1 и М2, под влиянием которых подвижная часть прибора и стрелка будут занимать определенное положение. Как было показано в § 100, положение подвижной

Рис. 343. Общий вид мегаомметра (а) и его упрощенная схема (б)

части логометра зависит от отношения I1/I2. Следовательно, при изменении R x будет изменяться угол? отклонения стрелки. Шкала мегаомметра градуируется непосредственно в килоомах или мегаомах (рис. 343, а).

Чтобы измерить сопротивление изоляции между проводами, необходимо отключить их от источника тока (от сети) и присоединить один провод к зажиму Л (линия) (рис. 343,б), а другой — к зажиму 3 (земля). Затем, вращая рукоятку индуктора 1 мегаомметра, определяют по шкале логометра 2 сопротивление изоляции. Имеющийся в приборе переключатель 3 позволяет изменять пределы измерения. Напряжение индуктора, а следовательно, частота вращения его рукоятки теоретически не оказывают влияние на результаты измерений, но практически рекомендуется вращать ее более или менее равномерно.

При измерении сопротивления изоляции между обмотками электрической машины отсоединяют их друг от друга и соединяют одну из них с зажимом Л, а другую с зажимом 3, после чего, вращая рукоятку индуктора, определяют сопротивление изоляции. При измерении сопротивления изоляции обмотки относительно корпуса его соединяют с зажимом 3, а обмотку — с зажимом Л.

Заряженные частицы, попадая в электрическое поле, начинают двигаться упорядоченно в определенном направлении. Частицы приобретают определенную энергию, то есть совершается работа. Для определения величины работы по перемещению электрических зарядов в электрическом поле с напряженностью Е потребовалось введение еще одной физической величины — электрического напряжения U .

Чему равна работа электрического поля

Отношение работы А , совершаемой любым электрическим полем при перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, к величине заряда q называется электрическим напряжением U между этими точками:

$$ U = { А \over q } $$

Можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по перемещению заряда величиной в 1 кулон из одной точки электрического поля в другую.

Тогда для определения величины совершенной полем работы, можно получить следующее выражение:

$$ А = { q * U } $$

Рис. 1. Электроны в электрическом поле.

Единицы измерения

В международной системе единиц (системе СИ) единица измерения напряжения (В) названа в честь итальянского исследователя Алессандро Вольта (1745-1827г.г.), внесшего огромный вклад в понимание природы электричества. Поскольку работа измеряется в джоулях (Дж), а заряд в кулонах (К), то:

$$ ={ \over } $$

Напряжение может изменяться в широчайших пределах, поэтому для расчетов часто используются такие внесистемные единицы, как:

• 1 микровольт (мкВ) = 0,0000001 В;
• 1 милливольт (мВ) = 0,001 В;
• 1 киловольт (кВ) = 1000 В;
• 1 МВ (мегавольт) = 1000000 В.

Постоянное и переменное напряжения

Различают два вида напряжений — постоянное и переменное. Примером источников постоянного напряжения могут служить обычные батарейки, используемые в бытовой технике: пультах, телефонах и т.д. На поверхности батареек всегда присутствуют обозначения “−” и “+”.

Это означает, что направление электрического поля, создаваемое батареей будет все время постоянным. Источники переменного напряжения были изобретены позднее и получили огромное распространение ввиду того, что переменный ток легче поддается преобразованиям (усилению, ослаблению) и передаче на дальние расстояния.

Рис. 2. Графики постоянного и переменного напряжений.

Из графиков видно, что постоянное напряжение не зависит от времени,

$$U(t) = const $$

Переменное напряжение изменяется, переходя через нулевое значение, меняя знак “+” на “−”. Для формулы электрического напряжения U(t) хорошо подходят тригонометрические функции синуса или косинуса:

$$ U(t) = U_А * sin(ω*t) $$

где U А — амплитуда переменного напряжения, то есть максимальное значение напряжения;

ω — частота переменного напряжения, показывающая сколько раз за одну секунду изменяется знак напряжения, то есть “плюс” меняется на “минус”. Величина частоты показывает с какой скоростью (как часто) изменяется полярность напряжения. Например, в электрических розетках наших квартир напряжение изменяется 50 раз в секунду (с частотой 50 Герц).

Действие электрического напряжения, начиная с некоторых значений становится небезопасным для человека. В сухих помещениях безопасным считается напряжение до 36 В. Для помещений с повышенной сыростью эта величина еще меньше — 12 В. Поэтому надо всегда соблюдать технику безопасности при работе и обращении с электрическими приборами.

Как и чем измеряют напряжение

Напряжение измеряют с помощью прибора, который называется вольтметром. Вольтметр подключается параллельно элементу электрической цепи, где хотят измерить падение напряжения. Обозначается на схемах вольтметр в виде кружка, с расположенной внутри него буквой V.

Рис. 3. Различные вольтметры и их обозначение на схемах.

Раньше все вольтметры были стрелочные, и значение напряжения показывала стрелка на шкале прибора с нанесенными цифровыми значениями. Сейчас большинство этих приборов выпускаются с электронной индикацией (светодиодной или жидкокристаллической). Сам вольтметр не должен влиять на результат измерения, поэтому его собственное сопротивление делают очень большим, чтобы через него практически не протекали заряды (электрический ток).

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что электрическое напряжение — это физическая величина, характеризующая работу силы электрического поля по перемещению электрических зарядов. Напряжение может быть постоянным или переменным. Для измерения напряжения используются вольтметры.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.8 . Всего получено оценок: 26.

По сути, этот термин обозначает разность потенциалов, а единица измерения напряжения — это вольт. Вольт — это фамилия ученого, который положил начало всему, что мы сейчас знаем об электричестве. А звали этого человека Алессандро.

Но это то, что касается электрического тока, т.е. того, при помощи которого работают привычные для нас бытовые электроприборы. Но существует и понятие механического параметра. Подобный параметр измеряется в паскалях. Но речь сейчас идет не о нем.

Чему равен вольт

Этот параметр может быть как постоянным, так и переменным. Как раз переменный ток и «течет» в квартиры, здания и сооружения, дома и организации. Электрическое напряжение представляет собой амплитудные волны, обозначаемые на графиках в виде синусоиды.

Переменный ток обозначается в схемах значком «~». А если говорить о том, чему равен один вольт, то можно сказать, что это электрическое действие в цепи, где при протекании заряда, равного одному кулону (Кл), совершается работа, равная одному джоулю (Дж).

Стандартной формулой, по которой можно его рассчитать, является:

U = A:q, где U — это как раз и есть нужная величина; «А» является работой, которую выполняет электрическое поле (в Дж), перенося заряд, ну а «q» как раз и есть сам заряд, в кулонах.

Если же говорить о постоянных величинах, то они практически не отличаются от переменных (за исключением графика построения) и из них же и производятся, посредством выпрямительного диодного моста. Диоды, не пропуская ток в одну из сторон, как бы делят синусоиду, убирая из нее полуволны. В результате, вместо фазы и нуля получается плюс и минус, но исчисление при этом остается в тех же вольтах (В или V).

Измерение напряжения

Раньше для измерения подобного параметра использовался только аналоговый вольтметр. Сейчас на прилавках магазинов электротехники представлен очень широкий ассортимент подобных приборов уже в цифровом исполнении, а также мультиметров, как аналоговых, так и цифровых, при помощи которых и измеряют так называемый вольтаж. Подобным прибором может измеряться не только величина, но и сила тока, сопротивление цепи, и даже появляется возможность проверить емкость конденсатора или замерить температуру.

Конечно, аналоговые вольтметры и мультиметры не дают такой точности, как цифровые, на дисплее которых высвечивается единица напряжения вплоть до сотых или тысячных долей.

При измерении этого параметра вольтметр включается в цепь параллельно, т.е. при необходимости замерить величину между фазой и нулем, щупы прикладываются одним к первому проводу, а другим — ко второму, в отличие от измерения силы тока, где прибор включается в цепь последовательно.

В схемах вольтметр обозначается буквой V, обведенной кругом. Различные типы подобных приборов измеряют, помимо вольта, разные единицы напряжения. Вообще оно измеряется в следующих единицах: милливольт, микровольт, киловольт или мегавольт.

Значение напряжения

Значение этого параметра электрического тока в нашей жизни очень высоко, ведь от того, соответствует ли оно положенному, зависит, насколько ярко будут гореть в квартире лампы накаливания, а если установлены компактные люминесцентные, то уже встает вопрос, будут или нет они вообще гореть. От его скачков зависит долговечность работы всех световых и бытовых электроприборов, а потому наличие дома вольтметра или мультиметра, а также умение им воспользоваться становится необходимостью в наше время.

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 ⇒

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: 164; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

---

Измерение тока с помощью сбора данных по напряжению

Техническое обучение

Посмотреть все

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.

Входной импеданс

Электрический импеданс обычно является мерой сопротивления цепи току, когда на нее подается 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 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

Синхронный аналог

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 в вольтах, а сопротивление в омах. В случае шунта напряжение — это разность напряжений между входными клеммами вольтметра Vin+ и Vin-, 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 сигнал 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 популярное значение резистора для этой цели — 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 измерений. устройства.

Однако бывают случаи, когда желательны входные напряжения, отличные от 0–5 В постоянного тока, поэтому следующий пример продемонстрирует, насколько просто рассчитать правильное значение резистора для любого входного напряжения.

Пример

В этом примере предполагается, что вход 0–2 В пост. тока будет использоваться для измерения 4–20 мА.

Закон Ома гласит: R=V/I, где V – напряжение, I – ток, R – сопротивление

R=2 В/0,020 А = 100 Ом

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, о которой 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. Имейте в виду, что может потребоваться заземление источника питания, если вы используете его для питания преобразователя или двухпроводного датчика.

Следующая диаграмма иллюстрирует это:

БЕЛАЯ БУМАГА
Загрузите нашу белую книгу по сбору данных

Сбор данных | Сопутствующие товары

Как использовать мультиметр для измерения силы тока

В наши дни существует так много электронных гаджетов и приборов, предназначенных для самых разных целей. Общим фактором является то, что все они питаются от электричества. Последний бывает двух видов: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Возможность измерения этих токов имеет решающее значение для выявления проблем в электронной схеме или устройстве. Мы покажем вам, как измерить ток с помощью цифрового мультиметра.

Понимание тока простыми словами

Электрический ток просто понять с помощью аналогии с системой протока воды внутри здания, где вода перекачивается из-под земли в напорный бак, а вода по трубам течет обратно в землю. Электрическая система очень похожа: по цепи вместо воды перемещаются электроны. Другие компоненты электрической системы также можно визуализировать с помощью той же модели.

Сходства между обеими системами

Положительная клемма источника питания (например, аккумуляторной батареи) аналогична уровню верхнего бака, а отрицательная клемма — уровню земли. Эта разность потенциалов между обеими клеммами называется напряжением и измеряется в вольтах, сокращенно «В».

Чем выше бак, тем больше давление воды. Точно так же, чем выше разность потенциалов между клеммами батареи, тем больше электрическое напряжение (напряжение). Именно это напряжение управляет током в цепи. Чем больше напряжение, тем больший ток циркулирует в цепи. Ток измеряется в амперах, сокращенно «А».

Напряжение измеряется на клеммах источника питания (аналогично измерению высоты верхнего бака). Ток измеряется внутри контура (аналогично измерению воды расходомером). Ток измеряется с помощью амперметра, который входит в состав мультиметра.

Функции измерения тока мультиметра

Цифровой мультиметр имеет ЖК-дисплей, поворотный переключатель и порты для подключения проводов датчика. Обычно он питается от батареи 9В. Два датчика должны быть подключены к соответствующим портам в зависимости от типа измерения. Черный щуп подключен к COM (сокращение от «общий»), соединенному с землей. Что касается красного щупа, то для малых токов используется порт мА; для больших токов используется порт 10А.

Для 10 А предупреждение на нашем мультиметре показывает «БЕЗ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ 10 А МАКС. В течение 10 СЕКУНД МАКС» (у вас может отличаться). Это означает, что мультиметр может выдерживать постоянный ток 10 А в течение максимум 10 секунд, прежде чем провода внутри станут достаточно горячими и, возможно, расплавятся.

Измерение потребляемого тока электронных компонентов постоянного тока

Тестовая плата оснащена аккумуляторной батареей, светодиодами, зуммером, низкоскоростным и высокоскоростным двигателями. Используя переключатели, каждый из них будет включен по очереди для измерения тока.

Это принципиальная схема тестовой платы. Ток можно измерить, подключив мультиметр последовательно к любой части цепи.

Для удобства щупы подключены ближе к аккумулятору. Это поможет измерить ток, когда какой-либо или все переключатели включены. Черный щуп подключается к отрицательной клемме аккумулятора, а красный щуп подключается к другому проводу, образуя последовательную цепь.

Прежде чем приступить к измерению тока с помощью мультиметра, имеет смысл получить приблизительную оценку тока, который будет измеряться. Это необходимо, поскольку красный щуп необходимо подключить к правильному порту мультиметра.

Для оценки посмотрите характеристики компонента. Например, если двигатель постоянного тока 5 В имеет номинальную мощность 0,5 Вт:

.

• Ток = мощность / напряжение
• Ток = 0,5 / 5
• Ток = 0,1 А = 100 мА

Теперь, когда у вас есть приблизительное значение тока, подключите провод к обычному порту мА и установите поворотный переключатель мультиметр на 200мА.

Однако на практике быстрее начать с более высокого значения на поворотной шкале мультиметра и перейти к более низким значениям для точности. Если у вас нет доступа к спецификации электронного компонента, это то, что вы должны сделать.

Известно, что светодиоды

потребляют мало энергии, поэтому мультиметр настроен на измерение тока в миллиамперах (мА). При измерении два ярких светодиода потребляют всего 7,43 мА.

Точно так же зуммеры не потребляют много энергии. Это еще более экономно при 2,04 мА.

Измерение тока низкоскоростного двигателя показывает 0,37 А (370 мА). Обратите внимание, что порт мультиметра и поворотный переключатель были изменены на 10 А.

Высокоскоростной двигатель, как и ожидалось, потребляет еще больше при 0,53А (530мА).

Измерение переменного тока

В отличие от постоянного тока, переменный ток (AC) не находит широкого применения в низковольтной электронике. По этой причине многие мультиметры не оснащены амперметром переменного тока. Но для тех, кто это делает, измерение переменного тока похоже на процесс постоянного; однако поворотный переключатель должен быть установлен на переменный ток.

Измерение тока в устройствах переменного тока

Основным преимуществом переменного тока являются минимальные потери мощности при передаче на большие расстояния. Переменное напряжение понижается с помощью трансформаторов и подается на электроприборы. Небольшие бытовые приборы преобразуют ток в постоянный и используют его (например, зарядные устройства для телефонов и ноутбуки). Более крупные приборы используют переменный ток напрямую (например, водонагреватели и двигатели).

Напряжение, подаваемое на эти приборы, варьируется от 120 В до 230 В в зависимости от стандартов, принятых в разных странах. Важно отметить, что эти напряжения достаточно высоки, чтобы вызвать травму или даже поставить под угрозу жизнь человека, если обращаться с ними без надлежащих мер предосторожности. Поскольку ток измеряется внутри цепи, настоятельно НЕ рекомендуется использовать мультиметр при измерении переменного тока высокого напряжения.

Что вы можете сделать, так это использовать токоизмерительные клещи для измерения переменного тока. Счетчик использует электромагнитное поле переменного тока для измерения тока, и ему не нужно контактировать с проводом, поэтому он безопасен. Зажим необходимо поместить вокруг провода, и показания будут отображаться; он может измерять токи до 1000А.

Изображение с Amazon.com

Однако есть одна проблема с токоизмерительными клещами. Для получения показаний зажим должен быть размещен вокруг только одного провода. Но шнуры питания приборов обычно представляют собой связку из трех проводов (фаза, нейтраль и земля). Таким образом, настенный амперметр идеально подходит для измерения токов в электроприборах.

Изображение с Amazon.com

Измерение и контроль тока в 5-вольтовых устройствах

Многие современные гаджеты питаются от 5-вольтовых USB-адаптеров и повербанков. Полезно измерить ток, чтобы понять жизненно важные функции, например, чтобы не перезарядить аккумуляторы во время зарядки. Это можно сделать с помощью обычного мультиметра: можно использовать удлинитель USB, снять гильзу, обрезать плюсовой провод, затем подключить его концы к щупам мультиметра и измерить ток. Однако это громоздкое решение.

Проще всего использовать USB-мультиметр, специально предназначенный для измерения двух важных параметров: напряжения и тока. Просто подключите его в линию, и показания будут отображаться с перерывами.

Счетчик простой, но опять же очень полезный гаджет. Допустим, вы покупаете новый iPhone Pro Max 14 без официального зарядного устройства Apple. Вы покупаете стороннее зарядное устройство отдельно, доверяете наклейкам и подключаете его. Что будет дальше, зависит от того, насколько вам повезет. Возможные результаты колеблются между звуковым сигналом и бумом.

Разумнее будет проверить адаптер, прежде чем подключать его к дорогому телефону. Если есть проблема, самое худшее, что может случиться, это то, что взорвется недорогой USB-метр, а не ваш телефон стоимостью более 1000 долларов.

Вы также можете использовать USB-метр для проверки портов компьютера и убедиться, что напряжение в норме и сила тока достаточна для питания периферийных устройств, таких как жесткий диск USB.

USB-метр также можно использовать для непрерывного мониторинга. Телефоны, не оснащенные светодиодными индикаторами зарядки, необходимо проверить, включив экран, чтобы убедиться, что зарядка завершена. USB-амперметр показывает непрерывный ток, протекающий по цепи. Высокое значение тока означает, что телефон все еще заряжается; низкий означает, что зарядка завершена.

Одноплатные компьютеры, такие как Raspberry Pi, также питаются от USB 5 В. Производительность Pi напрямую зависит от качества блока питания. Вы можете заметить мигание красного индикатора на плате Pi, что указывает на неподходящий источник питания. С помощью USB-мультиметра вы можете контролировать напряжение и ток, подаваемые на Pi, корректировать источник питания и добиваться максимальной производительности.

Понять и измерить силу тока легко

Теперь вы знаете, как измерять ток цифровым мультиметром, а также токоизмерительными клещами или USB-мультиметром. Наряду с измерением тока мультиметр может использоваться для измерения напряжения, сопротивления и многих других электрических параметров. Научиться пользоваться одним из них — это путь к пониманию мира электроники.

заряженных электромобилей | Как измерять ток и напряжение электромобиля в замкнутом пространстве

При поддержке CSM

Для испытаний приводов электромобилей необходимо измерять токи и напряжения высокой частоты в высоковольтной бортовой сети автомобиля. Варианты установки необходимого измерительного оборудования могут быть очень ограничены из-за ограниченного пространства для установки. Этот пример показывает, как можно, тем не менее, измерять токи и напряжения с высокой частотой дискретизации, с защитой от высокого напряжения и защитой от воздействия окружающей среды.

Фон 

Компоненты электрической трансмиссии, а также полная электрическая система высокого напряжения электрифицированных транспортных средств тщательно тестируются как в моделировании, так и на испытательных стендах. Тем не менее, ток, напряжение и мощность также необходимо измерять в дорожных испытаниях, чтобы подтвердить результаты разработки в реальных условиях. Это единственный способ получить точные результаты для многих необходимых шагов оптимизации.

Для измерения тока, напряжения и мощности в электрической системе высокого напряжения на испытательных стендах и в автомобиле проверенным решением являются высоковольтные коммутационные модули CSM (https://s. csm.de/charged-bm): они представляют собой наиболее компактное и наименее чувствительное к помехам технологическое решение для таких измерительных задач. Модули коммутации высокого напряжения имеют прочный корпус для мобильного использования в транспортных средствах и измеряют до 2000 А и 2000 В с высокой частотой дискретизации до 2 Мвыб/с. Чтобы соответствовать требованиям безопасности EN61010:1, высоковольтные силовые кабели подключаются непосредственно внутри высоковольтного безопасного корпуса 

Благодаря прямому измерению от внутренних проводников (также возможно для тока на плетеных экранах) достигаются чрезвычайно точные результаты измерения.

Измерительная установка для измерения тока и напряжения ВН в ограниченном пространстве с помощью HV BM Split: Раздельные коммутационные модули (HV SBM) устанавливаются непосредственно в высоковольтные силовые кабели и подключаются к раздельному модулю сбора данных (HV SAM).

Вызов

Доступное место для установки в автомобиле может быть слишком маленьким для традиционных приборов из-за плотно установленных компонентов и узких кабельных каналов для установки. В таких случаях необходимо найти другое решение для измерения тока, напряжения и мощности при дорожных испытаниях.

Прежде всего, используемая измерительная техника должна иметь возможность установки в желаемых точках измерения. Иногда узкие кабельные каналы или окружающие компоненты ограничивают доступное пространство для установки. По этой причине используемая технология измерения должна быть разработана еще более компактной, чтобы ее можно было использовать в любом месте автомобиля.

Тем не менее, должны быть получены очень точные результаты измерений, поэтому измерения необходимо проводить непосредственно во внутреннем проводнике, иначе результаты будут искажены наведенными экранирующими токами и помехами. Во избежание пропуска (наложения) данных измерения необходимо проводить с частотой дискретизации не менее 1 МГц.

Измерительная техника должна иметь прочный корпус, чтобы, с одной стороны, обеспечить безопасность пользователей и систем при высоком напряжении, а с другой — защитить от суровых условий окружающей среды.

Измерительное решение CSM

Как развитие ранее упомянутой линейки продуктов HV BM, новые сплит-модули HV BM (https://s.csm.de/charged-split) используются для измерения тока, напряжения и мощности в очень ограниченном пространстве. Высоковольтные коммутационные модули семейства Split (HV BM Split Modules) используют тот же принцип измерения, что и высоковольтные коммутационные модули CSM для измерений в электрической системе автомобиля. Однако три основные функции выполняются в своих небольших высоковольтных безопасных корпусах, таким образом, «отделяясь» друг от друга. Эти 3 функции и сплит-модули составляют

• HV SBM_I (HV Split Breakout Module для тока): измерение тока с помощью шунтирующего модуля с температурной компенсацией
• HV SBM_U (HV Split Breakout Module для напряжения): прямое измерение напряжения данные измерений 2 SBM и помещает эти данные в измерительную сеть для дальнейшего сбора данных с помощью компьютера или регистратора.

Групповой вид сплит-модулей HV BM: HV SBM (с кабельным соединением через соединительную систему PL500 или кабельные вводы с кольцевыми клеммами) и HV SAM (слева направо).

За счет разделения трех основных функций высоковольтного ВМ пространство, необходимое для установки высоковольтных силовых кабелей или сборных шин, значительно сокращается. Высоковольтные SBM вставляются непосредственно в высоковольтные кабели через кабельные сальники и кольцевые клеммы или разъемы PL300/PL500. Экран кабеля прокладывается отдельно, как и в случае HV Breakout Modules.

Раздельные коммутационные модули тока и напряжения подключаются к раздельному модулю сбора данных с помощью экранированных высоковольтных сенсорных кабелей со специальными разъемами, обеспечивающими безопасность системы. Это позволяет использовать тонкие HV SBM по отдельности в ограниченном пространстве и размещать их на расстоянии до 2 м от HV SAM 9.0003

HV SAM выполняет выборку, AD-преобразование, фильтрацию, интерактивные вычисления, сбор данных, преобразование протокола и гальваническую развязку. Как и в случае со стандартными модулями HV Breakout, вывод данных осуществляется через EtherCAT® или CAN со скоростью передачи данных до 1 МГц.

Данные измерений, выводимые через EtherCAT®, преобразуются в XCP-on-Ethernet через XCP-Gateway и передаются на измерительный компьютер. Другие измерительные модули для получения дополнительных измеряемых переменных (таких как температура, давление, вибрация, шум, деформация) могут быть легко интегрированы через XCP-Gateway.

Преимущества

Сплит-модули HV BM обеспечивают точные измерения тока, напряжения и мощности в очень ограниченном пространстве. Они используют проверенную технологию высоковольтных коммутационных модулей для получения точных результатов измерений: измерение тока с помощью шунтирующих модулей непосредственно в высоковольтных кабелях сводит к минимуму влияние внешних полей, таких как поля, возникающие в магнитном поле, или решения, основанные на эффекте Холла. Псевдосигналы, эффекты гистерезиса, системный шум, характеристический сдвиг или ошибки смещения практически отсутствуют при использовании технологии шунтирования CSM.