Схемы измерение переменный ток. Как измерить переменный ток и напряжение. Измерение постоянного и переменного напряжения

Важнейшим параметром электросети является сила тока - количественная величина, которая равняется величине заряда, проходящего через сечения проводника в течение определенного времени.

Величина тока взаимосвязана с используемыми в электрических сетях кабелями и устройствами безопасности. Чем больше сечение проводов , тем больший ток через них может протекать. Стандартные медные кабели для системы освещения с сечением 1,5 кв. мм. рассчитаны на силу тока, равную 16 А. Измерение переменного и постоянного тока необходимо проводить во всех электросетях с определенной периодичностью, так как от величины данной характеристики во многом зависит работоспособность и безопасность электроснабжения.

Какие устройства используются для измерения тока?

Сегодня существуют различные измерительные средства, позволяющие точно определить силу тока в бытовой электросети. Самыми распространенными измерителями являются:

1. Амперметр - специализированное средство измерения силы тока. Используется только на уроках физики, в быту не применяется.
2. Мультиметр - многофункциональное измерительное средство, позволяющее помимо тока проверять величину напряжения и другие характеристики электросистемы. Такие устройства широко распространены, используются профессиональными электриками и в бытовых условиях.
3. Тестеры - это упрощенные и устаревшие мультиметры. Сегодня используются редко, но раньше были широко распространены.
4. Современные измерительные клещи - устройство, не требующие предварительного разрыва цепи и отключения нагрузки. Позволяет легко и безопасно определить параметры любой электросистемы.

Самым удобным и распространенным средством для измерения силы тока является мультиметр . Данное устройство дает возможность определять различные параметры работы электросети, но работать с ним нужно осторожно, в частности, необходимо контролировать правильность выбранного режима. В стандартном устройстве на шкале представлено 7 положений:

1. OOF – отключенное устройство.
2. ACV – режим измерения переменного напряжения.
3. DCV – измерение постоянного напряжения.
4. ACA – режим измерения переменного тока.
5. DCA – измерение постоянного тока.
6. Ω — измерение сопротивления.
7. hFE – измерение характеристик транзисторов.

При проверке величины тока щупы мультиметра должны подключаться последовательно с нагрузкой, все другие типы измерений требуют параллельного подключения.

На рисунке представлен пример правильного подключения устройства.

Для измерения переменного тока следует правильно выбрать режим, подключить устройство к разорванной цепи фазного проводника и провести необходимые испытания.

Для проверки постоянного тока один зажим мультиметра присоединяется к плюсовой клемме измеряемого аккумулятора или батареи, а второй - к проводу, через который осуществляется подключение потребителя электротока. Далее необходимо установить подходящий режим и провести измерительные работы.

Важно учитывать, что работа с мультиметром отличается определенной сложностью и может представлять серьезную опасность для человека. Все исследования должны проводиться после обесточивания сети и после проверки отсутствия напряжения на измеряемых участках системы. Любое соприкосновение с оголенными контактами проводов может привести к травматизму и даже смерти, потому новичкам не рекомендуется проводить такие работы самостоятельно.

Гораздо более простым и безопасным методом измерения силы тока в электрической цепи является методика с использованием клещей. На рисунке ниже представлен пример подключенного и готового к испытаниям устройства.

С помощью клещей даже новичок может провести измерения, не подвергая себя опасности. Пользователю нужно лишь включить соответствующий режим работы (для проверки бытовых сетей - режим измерения переменного тока), завести измеряемый проводник в специальное отверстие между усов устройства и провести испытания.

Для измерения силы тока применяется измерительный прибор, который называется . Силу тока приходится измерять гораздо реже, чем напряжение или сопротивление , но, тем не менее, если нужно определить потребляемую мощность электроприбором, то без зная величины потребляемого ним тока, мощность не определить.

Ток, как и напряжение, бывает постоянным и переменным и для измерения их величины требуются разные измерительные приборы. Обозначается ток буквой I , а к числу, чтобы было ясно, что это величина тока, приписывается буква А . Например, I=5 A обозначает, что сила тока в измеренной цепи составляет 5 Ампер.

На измерительных приборах для измерения переменного тока перед буквой А ставится знак "~ ", а предназначенных для измерения постоянного тока ставится "– ". Например, –А означает, что прибор предназначен для измеренная силы постоянного тока.

О том, что такое ток и законы его протекания в популярной форме Вы можете прочитать в статье сайта «Закон силы тока» . Перед проведением измерений настоятельно рекомендую ознакомиться с этой небольшой статьей. На фотографии Амперметр, рассчитанный на измерение силы постоянного ток величиной до 3 Ампер.

Схема измерения силы тока Амперметром

Согласно закону, ток по проводам течет в любой точке замкнутой цепи одинаковой величины. Следовательно, чтобы измерять величину тока, нужно прибор подключить, разорвав цепь в любом удобном месте. Надо отметить, что при измерении величины тока не имеет значение, какое напряжение приложено к электрической цепи. Источником тока может быть и батарейка на 1,5 В, автомобильный аккумулятор на 12 В или бытовая электросеть 220 В или 380 В.

На схеме измерения также видно, как обозначается амперметр на электрических схемах. Это прописная буква А обведенная окружностью.

Приступая к измерению силы тока в цепи необходимо, как и при любых других измерениях, подготовить прибор, то есть установить переключатели в положение измерения тока с учетом рода его, постоянного или переменного. Если не известна ожидаемая величина тока, то переключатель устанавливается в положение измерения тока максимальной величины.

Как измерять потребляемый ток электроприбором

Для удобства и безопасности работ по измерению потребляемого тока электроприборами необходимо сделать специальный удлинитель с двумя розетками. По внешнему виду самодельный удлинитель ничем не отличается от обыкновенного удлинителя.

Но если снять крышки с розеток, то не трудно заметить, что их выводы соединены не параллельно, как во всех удлинителях, а последовательно.

Как видно на фотографии сетевое напряжение подается на нижние клеммы розеток, а верхние выводы соединены между собой перемычкой из провода с желтой изоляцией.

Все подготовлено для измерения. Вставляете в любую из розеток вилку электроприбора, а в другую розетку, щупы амперметра. Перед измерениями, необходимо переключатели прибора установить в соответствии с видом тока (переменный или постоянный) и на максимальный предел измерения.

Как видно по показаниям амперметра, потребляемый ток прибора составил 0,25 А. Если шкала прибора не позволяет снимать прямой отсчет, как в моем случае, то необходимо выполнить расчет результатов, что очень неудобно. Так как выбран предел измерения амперметра 0,5 А, то чтобы узнать цену деления, нужно 0,5 А разделить на число делений на шкале. Для данного амперметра получается 0,5/100=0,005 А. Стрелка отклонилась на 50 делений. Значит нужно теперь 0,005×50=0,25 А.

Как видите, со стрелочных приборов снимать показания величины тока неудобно и можно легко допустить ошибку. Гораздо удобнее пользоваться цифровыми приборами, например мультиметром M890G.

На фотографии представлен универсальный мультиметр, включенный в режим измерения переменного тока на предел 10 А. Измеренный ток, потребляемый электроприбором составил 5,1 А при напряжении питания 220 В. Следовательно прибор потребляет мощность 1122 Вт.

У мультиметра предусмотрено два сектора для измерения тока, обозначенные буквами А– для постоянного тока и А~ для измерения переменного. Поэтому перед началом измерений нужно определить вид тока, оценить его величину и установить указатель переключателя в соответствующее положение.

Розетка мультиметра с надписью COM является общей для всех видов измерений. Розетки, обозначенные mA и 10А предназначены только для подключения щупа при измерении силы тока. При измеряемом токе менее 200 мA штекер щупа вставляется в розетку mA, а при токе величиной до 10 А в розетку 10А.

Внимание, если производить измерение тока, многократно превышающего 200 мА при нахождении вилки щупа в розетке mA, то мультиметр можно вывести из строя.

Если величина измеряемого тока не известна, то измерения нужно начинать, установив предел измерения 10 А. Если ток будет менее 200 мА, то тогда уже переключить прибор в соответствующее положение. Переключение режимов измерения мультиметра допустимо делать только обесточив измеряемую цепь .

Рассчет мощности электроприбора по потребляемому току

Зная величину тока, можно определить потребляемую мощность любого потребителя электрической энергии, будь то лампочка в автомобиле или кондиционер в квартире. Достаточно воспользоваться простым законом физики, который установили одновременно два ученых физика, независимо друг от друга. В 1841 году Джеймс Джоуль, а в 1842 году Эмиль Ленц. Этот закон и назвали в их честь – Закон Джоуля – Ленца .

Приборы для измерения переменного тока могут быть различными.

Для измерения тока промышленной частоты (50 – 100 Гц) используют в основном приборы непосредственной оценки на основе электромагнитной и электродинамической систем, а также термоэлектрической систем.

В маломощных цепях высоких частот ток измеряется выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми и аналоговыми вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением. Амперметр должен иметь минимальные значения входного сопротивления, индуктивностей и емкостей.

Приборы электромагнитной системы. Принцип действия этих приборов основан на явлении втягивания стальной пластины, соединенной со стрелкой, магнитным полем катушки. Отклонение подвижной части измерительного механизма зависит от квадрата измеряемого тока и может быть использовано для измерения как постоянного, так и переменного тока с частотой не выше 5 кГц. Подбором формы сердечника удается получить практически равномерную шкалу. Амперметры магнитоэлектрической системы выпускаются в качестве щитовых приборов классов точности 0,5, 1,0, 2,5 на частотах до 1500 Гц, и 0,5, 1,0 – до 2400 Гц. Для расширения пределов измерения тока электромагнитным амперметром применяются не шунты, а секционные катушки или трансформаторы. Достоинства – простота конструкции, дешевизна и надежность. Недостатки – малая точность и чувствительность. Электромагнитные амперметры применяют для непосредственного измерения токов до 200 А, катушка измерительного механизма включается последовательно в цепь измеряемого тока. Предел измерения определяется числом витков катушки. Чем выше предел, тем меньше витков из более толстого провода.

Электродинамические приборы. Принцип действия основан на взаимодействии двух магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими по двум катушкам, одна из которых подвижна. В результате взаимодействия магнитных полей катушек и противодействующих пружин, подвижная катушка поворачивается на некоторый угол, пропорциональный токам в катушках. Измеряется этими приборами действующее (среднеквадратическое) значение тока. Схемы включения обмоток катушек различны. При последовательном включении измеряются малые токи (менее 0,5 А), шкала прибора квадратична. При параллельном включении обмоток измеряются большие токи, шкала тоже квадратичная. Электродинамические амперметры выпускаются различных классов точности до 0,1. Применяются в основном на промышленных частотах. Для расширения пределов применяют переключение катушек измерительного механизма с последовательного на параллельное и трансформаторы тока.

Выпрямительные приборы.

Они широко применяются для измерения тока в звуковом диапазоне частот. Принцип действия основан на выпрямительных свойствах диода. Постоянная составляющая выпрямленного диодом тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы. Обычно используются выпрямители однополупериодные и двухполупериодные. Выпрямительные приборы измеряют среднее значение переменного тока, а не среднеквадратическое. Шкалу прибора градуируют в среднеквадратических значениях, поэтому показания пересчитывают через коэффициент формы. Выпрямительные приборы для измерения токов широко применяют как составные элементы комбинированных приборов:тестеров, авометров, используемых для измерения токов, напряжений, сопротивлений. При использовании соответствующих диодов выпрямительные приборы могут применяться в диапазоне СВЧ. Германиевые и кремниевые диоды обеспечивают частотный диапазон до 100 МГц. Основные достоинства выпрямительных приборов – высокая чувствительность, малое собственное потребление и возможность измерения в широком диапазоне частот. Недостаток – невысокая точность. Основные источники погрешностей – изменение параметров диодов со временем. Класс точности выпрямительных приборов 1,5 и 2,5, пределы измерений по току от 2 мА до 600 А, по напряжению от 0,3 до 600 В.

Термоэлектрические приборы.

Они используются для измерения токов высокой частоты. Прибор состоит из термопреобразователя, термоэлемента и измерительного прибора.

Измерительный прибор И выполнен по магнитоэлектрической системе. Простейший термопреобразователь имеет подогреватель 2 и термопару 1 из двух разнородных проводников, спаянных между собой. Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток, то вследствие нагрева спая в цепи термопары и прибора И будет протекать термоток постоянного напряжения. Прибор измеряет действующее значение переменного тока. Шкала термоэлектрических приборов близка к квадратичной. Чувствительность зависит от материала термопары. Достоинства термоэлектрических приборов – высокая чувствительность, большой диапазон измерения токов, широкий диапазон частот, возможность измерения токов произвольной формы. Недостатки – неравномерность шкалы, которая в начальной части получается сжатой. Кроме того показания зависят от температуры. Общий частотный диапазон термоэлектрических приборов лежит в пределах от 45 Гц до 300 МГц, номинальные токи – от 1 мА до 50 А, классы точности – от 1,0 до 2,5.

Измерение напряжения

Измерение постоянного напряжения

При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором надо измерить напряжение. Относительная погрешность измерения напряжения равна
, т.е. чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения.

Измерение постоянного напряжения может быть выполнено любыми измерителями напряжений постоянного тока (магнитоэлектрическими, электродинамическими, электромагнитными, электростатическими, аналоговыми и цифровыми вольтметрами.) Выбор вольтметра обусловлен мощностью объекта измерений и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от долей микровольт до десятков киловольт.

Если необходимая точность может быть обеспечена приборами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственной оценки. При измерении напряжений с более высокой точностью следует использовать приборы, основанные на методе сравнения. При любом методе измерения могут быть использованы аналоговый и цифровой отсчеты.

Приборы непосредственной оценки.

Магнитоэлектрические приборы используются при проверке режимов радиосхем и используются при измерении напряжений в приборах других систем. Кроме того они используются в качестве индикаторов. Вольтметры магнитоэлектрической системы имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но низкое входное сопротивление.

Электростатические вольтметры имеют достоинство малое потребление, независимость от температуры окружающей среды, высокое входное сопротивление, а недостатки – неравномерная шкала и опасность пробоя между пластинами.

Наиболее широко для измерения постоянного напряжения применяют электронные вольтметры. Они могут быть аналоговыми и цифровыми.

Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока.

В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного тока имеют высокое входное сопротивление и малое потребление тока от измерительной цепи. На рисунке М2-6 представлена структурная схема аналогового электронного вольтметра.

Рисунок М2-6. Структурная схема аналогового электронного вольтметра постоянного напряжения.

Основными элементами являются входное устройство, усилитель постоянного тока и измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Входное устройство содержит входные зажимы, делитель напряжения, предварительный усилитель. Высокоомный делитель на резисторах служит для расширения пределов измерения. Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствительности вольтметра и является усилителем мощности измеряемого напряжения до значения, необходимого для создания достаточного вращающего момента у измерительного прибора.

К усилителям постоянного напряжения предъявляются такие требования, как высокая линейность характеристики, постоянство коэффициента усиления. Основные технические характеристики вольтметров постоянного тока приведены в таблице М2-3.

Таблица М2-3. Основные технические характеристики вольтметров постоянного тока.

Тип, наименование прибора	Диапазон измеряемых напряжений, В	Основная погрешность измерения, %
В2–34, вольтметр постоянного тока, дифференциальный, цифровой	0,01 мВ – 1000В, поддиапазоны:
В2 – 36, вольтметр постоянного тока, цифровой
В2-38, нановольтметр цифровой постоянного тока

Измерение постоянного напряжения цифровыми приборами.

Цифровые вольтметры все шире применяются для измерения напряжений и токов. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на рис.М2-7.

Рисунок М2-7. Структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму и представляет его цифровым кодом. Цифровое отсчетное устройство регистрирует измеряемую величину.

По типу АЦП цифровые вольтметры делятся на кодоимпульсные и времяимпульсные. Поскольку АЦП преобразует сигнал постоянного тока в цифровой код, цифровые вольтметры считают приборами постоянного напряжения. Для измерения переменного напряжения на выходе вольтметра ставится преобразователь.

По виду измеряемой величины цифровые приборы делятся на приборы:

для измерения постоянного напряжения;

для измерения переменного напряжения;

мультиметры (универсальные вольтметры для измерения напряжения, сопротивления, тока)

Цифровые вольтметры обычно имеют высокое входное сопротивление более 100 Мом, диапазоны измерений 100мВ, 1 В, 10В, 100 В, 1000В. Порог чувствительности на диапазоне 1 00 мВ может быть 10 мкВ.

Запомните одно правило при измерениях: при измерении силы тока, соединяются последовательно с нагрузкой, а при измерении других величин – параллельно.

На рисунке ниже показано, как надо правильно соединять щупы и нагрузку для того, чтобы замерить силу тока:

Черный щуп, который воткнут в гнездо СОМ – его не трогаем, а красный переносим в гнездо, где написано mA или хA, где вместо х – максимальное значение силы тока, которую может замерить прибор. В моем случае это 20 Ампер, так как рядом с гнездом написано 20 А. В зависимости от того, какое значение силы тока вы собираетесь замерять, туда и втыкаем красный щуп. Если вы не знаете, какая примерно сила тока будет протекать в цепи, то ставим в гнездо хА:

Давайте проверим, как все это работает в деле. В нашем случае нагрузкой является вентилятор от компьютера. Наш блок питания имеет встроенную индикацию для показа силы тока, а как вы знаете с курса физики, сила тока измеряется в Амперах. Выставляем 12 Вольт, на мультиметре ручку крутим на измерение постоянного тока. Мы выставили предел измерения на мультике до 20 Ампер. Собираем как по схеме выше и смотрим показания на мультике. Оно в точности совпало со встроенным амперметром на .

Для того, чтобы измерить силу тока переменного напряжения мы ставим крутилку мультиметра на значок измерения силы тока переменного напряжения – “А~” и точно также по такой же схеме делаем замеры.

Как измерить постоянное напряжение мультиметром

Возьмем вот такую вот батарейку

Как мы видим, на ней написан ток 550 мАh , который она может выдавать в нагрузку в течение часа, то есть миллиампер в час, а также напряжение, которым обладает наша батарейка – 1,2 Вольта. Напряжение – это понятно, а вот что такое “ток в течение часа”? Допустим, наша нагрузка -лампочка кушает ток 550 мА. Значит лампочка будет светить один час. Или возьмем лампочку, которая светит послабее, и пусть она у нас кушает 55 мА, значит она сможет проработать 10 часов.

Значение 550 мА, которое у нас написано на батарейке, делим на значение, которое написано на нагрузке и получаем время, в течение которого все это будет работать, пока не сядет батарейка. Короче говоря, кто дружен с математикой, тому не составит труда понять сие чудо:-)

Давайте замеряем напряжение на батарейке, один щуп мультиметра ставим на плюс, а другой на минус, то есть подсоединяем параллельно , и вуаля!

В данном случае напряжение на батарейке 1,28 Вольт. Значение на новой батарейке всегда должно превышать то, которое написано на этикетке.

Давайте замеряем напряжение на блоке питания. Выставляем 10 Вольт и замеряем.

Красный – это плюс, черный – минус. Все сходится, напряжение 10,09 Вольт. 0,09 Вольт спишем на погрешность.

Если же мы спутаем щупы мультиметра или щупы блока, то ничего страшного не произойдет. Мультиметр покажет нам такое же значение, но со знаком “минус”.

Имейте ввиду, на таких мультиметрах это не прокатывает

Для того, чтобы точно определить полярность не имея мультиметра, можно прибегнуть к нескольким советам, которые описаны в статье.

Как измерить переменное напряжение мультиметром

Ставим на мультике предел измерения переменного напряжения и замеряем напряжение в розетке. Без разницы, как совать щупы. У нет плюса и минуса. Там есть фаза и ноль. Грубо говоря, один провод в розетке не представляет опасности – это ноль, а другой может здорово попортить ваше самочувствие или даже здоровье – это фаза.

Рисунок 8.1-Измерение постоянного тока магнитоэлектрическим прибором

Применение совместно с магнитоэлектрическим прибором шунта (рис. 8.1,б) позволяет определять токи, превышающие 500 мкА, т. е. расширить предел измерений. Шунт имеет сравнительно малое, точно подобранное сопротивление R ш, подключается параллельно прибору и последовательно в цепь измеряемого тока. При этом измеряемый ток I изм разветвляется на две неравные части: большая часть проходит через шунт, а меньшая ‒ через прибор, вызывая отклонение указателя. При полном отклонении указателя измеряемый ток достигает предельного значения

Iизм = I пред = I ш + I и ,

Iш = I пред ‒ I и ,

Падения напряжений на выводах шунта и измерительного прибора равны и составляют

Uи = I и ∙R к = I ш ∙ Rш Таким образом, сопротивление шунта

Rш = I и∙ R к/(I пред ‒ I и) . (8.1)

Следовательно, для расчета сопротивления шунта необходимо знать ток полного отклонения I и и сопротивление R к измерительного прибора и выбрать предел измеряемого тока

I пред.

Измерение постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором Магнитоэлектрический прибор включают параллельно участку цепи, на котором действует измеряемое напряжение U изм (рис. 8.2, а). Увеличение этого напряжения до U и вызы­вает возрастание показаний до полного отклонения указателя, следовательно, прибор является милливольтметром с пределом измерений U и. Включение прибора вызывает некоторое умень­шение напряжения, поскольку уменьшается сопротивление участка цепи R уч из-за его шунтирования сопротивлением R и прибора. Этим уменьшением напряжения можно пренебречь и считать, что при включении прибора напряжение не изменилось, если R к » R уч . Дополнитель­ная погрешность, вызванная влиянием включения прибора, равна

У = R уч/(R уч + Rи) (8.1)

Так, при R к = 2000 Ом дополнительная погрешность меньше 5% для участков цепи сопротивлением R уч = 100 Ом и ниже. В зависимости от чувствительности приборов их пределы измерений различны и обычно составляют 25‒200 мВ. Для прибора с параметрами: R к = 2000 Ом и I и = 50 мкА величина U и составит 100 мВ.

Рисунок 8.2-Измерение постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором

Применение совместно с магнитоэлектрическим прибором добавочного резистора R доб (рис. 8.2,6) позволяет измерять более высокие напряжения, т.е. расширить пределы измерений напряжений.

Добавочный резистор имеет сравнительно большое, точно подобранное сопротивление и включается последовательно магнитоэлектрическому прибору, который подключается па­раллельно исследуемому участку R уч . Измеряемое напряжение разделяется на две неравные части: большая часть падает на R доб, а меньшая вызывает отклонение указателя прибора. При полном отклонении указателя измеряемое напряжение достигает своего предельного значения

Uизм =U пред = U R+ U и

Поскольку через R доб и прибор проходит общий ток I и и падение напряжения на добавочном резисторе U R = I и ∙ R доб, соотношение напряжений U R И Uи равно соотношению сопротивлений R доб и R н, т. е.

U R /U и = I и ∙ R do6 / (I и ∙ R к) = R do6 / R к , откуда

R do6 = R к ∙(UR/Uи) Учитывая, что

U R = U пред ‒ U и и U и = I и ∙ R к

R do6 = (U пред / I и) ‒ R к (8.3)

В нашем случае для U пред = 1 В R доб =18 кОм.

Следовательно, для расчета добавочного резистора следует знать параметры I и и R к измерительного механизма и выбрать предел измеряемого напряжения U пред.

Важным параметром вольтметра является входное сопротивление R v = R к + R доб , которое определяют как отношение предела измеряемого напряжения к току полного отклонения, т.е. Rv = U п р ед/I и, поэтому в нашем случае R v = 20 кОм на пределе измерения 1 В. Следовательно, чем больше предел измерений, тем больше сопротивление R доб и входное сопротивление. Для получения больших входных сопротивлений желательно применять измерительные механизмы большой чувствительности, т. е. имеющие малый ток полного отклонения I и. В практике изме­рений для оценки вольтметра и расчета R доб удобно пользоваться удельным входным сопротивлением R/U = 1/I и. При этом входное сопротивление вольтметра определяют как про­изведение предела измерений на удельное входное сопротивление.

Точность показаний вольтметра зависит от точности подбора сопротивлений добавочных резисторов и их стабильности. В массовой измерительной аппаратуре широко используют непроволочные резисторы MЛT, OMЛT и др., общим недостатком которых является зависимость стабильности сопротивления от температуры, влажности и времени. Для уменьшения нестабильности сопротивления резисторы подвергают искусственному старению и тренировке, пропуская номинальный ток в течение нескольких часов. В вольтметрах повышенной точности используют прецизионные резисторы С2-14, С2-29 и более современные в керамическом герметизированном покрытом эмалью корпусе, имеющие номинальные сопротивления до 1 МОм с допустимыми отклонениями 0,1; 0,2... 2%, а также проволочные резисторы с допустимыми отклонениями 0,05; 0,1... 1%.

Для подбора сопротивления добавочного резистора к вольтметру прикладывают предельное напряжение и выбирают из нескольких резисторов тот, при котором указатель устанавливается на конечную отметку шкалы.

Для переменных токов и напряжений характерно изменение их значения с определенной периодичностью соответственно направления и полярности. Количество периодов в секунду, т.е. частота электрических колебаний, может быть различно: от долей герца до десятков гигагерц. К диапазону низких частот относят частоты от долей герца до 100 кГц, высоких - от 100 кГц до 30 МГц и сверхвысоких - от 30 МГц до 30 ГГц. Сверхвысокочастотный диапазон, в свою очередь подразделяют на поддиапазоны метровых (MB), дециметровых (ДМВ) и сантиметровых (СМВ) волн, граничные частоты которых соответственно составляют от 30 до 300 МГц, от 300 до 3000 МГц и от 3 ГГц до 30 ГГц.

Токи и напряжения промышленной частоты 50 Гц измеряют электромагнитными, электро- и ферродинамическими приборами, а также магнитоэлектрическими совместно с пре­образователями переменного тока в постоянный.

Токи и напряжения с частотой более 1 кГц в основном измеряют приборами выпрямительной системы ‒ магнитоэлектрическими с диодами. Приборы электромагнитной и электродинамической систем находят ограниченное применение, поскольку их частотная погрешность с увеличением частоты возрастает.

Токи высокой частоты измеряют термоэлектрическими приборами ‒ магнитоэлектри­ческими с термопреобразователями.

Напряжения высоких и низких частот измеряют электронными вольтметрами.

Оценить переменный ток и напряжение можно по их амплитудному I m и U m , среднеквадратичному, или действующему I д и U д, и средневыпрямленному I ср и U cp значениям. В электротехнике наиболее часто производят оценку по действующему значению.

При синусоидальной форме напряжения его действующее значение (рис. 8.3, а)

U д = U m /b = 0,707 U m ,

а средневыпрямленное при одно- и двухполупериодном выпрямлении (рис. 8.3, б)

U cp = U m /n = 0,318 U m и U c p = 2U m /n = 0,637 U m

(коэффициенты определены математически, исходя из условий равенства приведенных на рис. 8.3, а, б заштрихованных фигур и соответствующих им прямоугольников). Коэффициент формы К ф напряжения определяют как отношение действующего напряжения к средневыпрямленному и при синусоидальном напряжении

К ф = U д / U cp = 0,707 U m /0,637 U m = 1,11. При других формах напряжения он может иметь другие значения.

Рисунок 8.3-Действующее (а) и средневыпрямленное (б) переменные напряжения

синусоидальной формы

Действующие переменные токи и напряжения до 1 кГц измеряют электромагнитными
приборами, которые могут быть щитовыми или переносными. Щитовые амперметры и
вольтметры имеют один предел измерений, а переносные могут быть многопредельные, для
чего переключаются секции катушки измерительного механизма. Так, два предела измерений
можно получить, переключая две секции катушки с последовательного соединения на
параллельное. Для расширения пределов измерений однопредельных амперметров используют
измерительный трансформатор тока. Применение шунтов возможно только в

высокочувствительных приборах. Для расширения пределов измерений однопредельных вольтметров используют без‒реактивные добавочные резисторы или измерительный транс-форматор напряжения.

Кроме того, действующие переменные токи и напряжения измеряют электро-динамическими переносными амперметрами н вольтметрами с одним или несколькими пределами измерений. Неподвижную и подвижную катушки вольтметров и высо-кочувствительных амперметров соединяют последовательно, а низкочувствительных амперметров-параллельно. Расширяют пределы измерений однопредельных вольтметров и амперметров так же, как электромагнитных приборов. Широко используются амперметры на два предела измерений, которые получают последовательным или параллельным соединением неподвижной и подвижной катушек. Многопредельные вольтметры имеют несколько добавочных резистров, выполненных в виде намотки манганиновой проволоки на каркас из изоляционного материала.

При повышении частоты переменного тока реактивные сопротивления измерительных приборов изменяются и возникают резонансные явления. Например, амперметр, эквивалентная схема которого показана на рис. 8.4, имеет собственные индуктивность L A И емкость С A , а также емкости С между зажимами и корпусом, которые хотя и невелики, но оказывают влияние на высоких частотах. При этом емкостные сопротивления уменьшаются, а индуктивное ‒ возрастает, все большая часть измеряемого тока минует прибор и растет частотная по-грешность. Собственные индуктивность и емкость амперметра являются колебательным контуром, поэтому резонансные явления на частотах, близких к резонансной, значительно искажают показания. Таким образом, на высоких частотах следует использовать приборы, имеющие малые собственные емкости и индуктивности.

Для каждого конкретного прибора обычно указывается частотный диапазон, в котором его можно применять с наибольшей допустимой частотной погрешностью. При измерениях на ностоянном токе и переменном промышленной частоты 50 Гц место включения амперметра в цепь значения не имеет. При измерениях на высокой частоте следует включать амперметр в участки цепи, имеющие соединение на корпус (рис. 8.5), тогда действие емкости между одним зажимом и корпусом исключается, а вторая оказывается соединенной параллельно емкости прибора С А. При этом ток утечки незначителен, поскольку он возникает под действием весьма малой разности потенциалов между зажимами прибора.

Рисунок 8.5-Включение амперметра при измерениях на высокой частоте

При измерениях напряжений высоких частот основное влияние оказывает входная емкость С вх электронного вольтметра (рис. 8.6), шунтирующая его входное сопротивление R вх, а также собственная индуктивность подводящих проводов L пров. При возрастании частоты переменного тока уменьшается реактивное сопротивление входной емкости, возрастает ток утечки через нее, что вызывает снижение показаний вольтметра. Поскольку входные сопротивления вольтметров очень велики (порядка единиц и десятков мегаом), то даже небольшие входные емкости вызывают значительные частотные погрешности. Действительно, индуктивность подводящих проводов L пров и входная емкость С вх представляют собой последовательный колебательный контур, поэтому на высоких частотах, близких к резонансной, входное сопротивление вольтметра будет резко изменяться, вызывая частотную погрешность.

Рисунок 8.6-Эквивалентная схема входной части элегтронного вольтметра переменного тока

Для уменьшения частотной погрешности и расширения диапазона частот входную часть вольтметра конструируют так, чтобы снизить входную емкость и уменьшить длину подводя-щих проводов. В некоторых конструкциях вольтметров входной частью служит буферный по-вторитель напряжения, имеющий большое входное и малое выходное сопротивление, который монтируют в выносной головке, соединенной с прибором кабелем 0,5-1 м. Выносную головку приближают вплотную к объекту измерений, что резко снижает длину подводящих проводов. Такая конструкция позволяет расширить частотный диапазон до нескольких мегагерц. На более высоких частотах применяют вольтметры, в выносной головке которых смонтирован измерительный выпрямитель, который преобразует измеряемое переменное напряжение в постоянное, подаваемое по кабелю непосредственно в прибор на усилитель постоянного тока. Частотный диапазон таких вольтметров достигает сотен мегагерц.

Приборы выпрямительной системы

Основной частью приборов выпрямительной системы являются измерительные
выпрямители средневыпрямленного, действующего или амплитудного переменного

напряжения, которые состоят из одного или нескольких диодов и магнитоэлектрического
измерительного механизма. Измеряемое переменное напряжение выпрямляется

полупроводниковым или ламповым диодом, при этом в цепи измерительного механизма проходит постоянный ток, вызывающий отклонение его подвижной системы и указателя.

В настоящее время в электронных вольтметрах для этой цели используются кремниевые полупроводниковые диоды, выдерживающие прямые токи от единиц миллиампер до нескольких десятков ампер и обратные напряжения до тысячи вольт.. Характер проводимости полупроводникового диода можно определить с помощью вольтамперной характеристики (рис. 8.7), из которой видно, что при малых прямых напряжениях (примерно до 0,6 В) зависимость тока от напряжения имеет квадратичный характер, т.е. I пр ≈ m ∙U п p 2 (где m ‒ постоянный коэффициент), а при больших прямых напряжениях (выше 0,7 В) ‒ линейный характер, т.е. I п p ≈ m∙U п p . Очень малые прямые напряжения (примерно до 0,4 В) не открывают диод и прямого тока нет. Обратные напряжения (порядка десятков и даже сотен вольт) вызывают в цепи диода очень малые обратные токи, которые можно не учитывать.

Рисунок 8.7-Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Основная погрешность выпрямительных приборов обычно составляет 1,5 ‒ 4%, выража-ется в процентах от конечного значения шкалы, определяется при нормальных значениях влияющих величин, т. е. при температуре (20 + 5)° С и синусоидальной форме напряжения частотой (50 ± 5) Гц и зависит от разброса параметров диодов, их нестабильности, а также точности подбора добавочных резисторов, шунтов и градуировки шкалы. Для выпрямительных приборов характерна температурная погрешность, вызванная изменением прямого и обратного сопротивления диодов при изменении температуры. Собственная емкость высокочастотных полупроводниковых диодов очень мала (меньше 1-2 пФ), потому их применяют в очень широком диапазоне частот: от низких до сверхвысоких. Частотный диапазон выпрямительных приборов достигает 10-20 кГц и ограничивается наличием собственных индуктивностей и емкостей других элементов приборов: шунтов, добавочных резисторов, переключателей, соединительных проводов и т.д. На высоких и сверхвысоких частотах выпрямительные приборы служат как индикаторы и позволяют определять точную настройку контуров в резонанс по максимуму показаний.

Шкалы выпрямительных приборов с выпрямителем средневыпрямленного напряжения градуируют в действующих значениях переменного напряжения синусоидальной формы. При других формах измеряемого напряжения в показаниях прибора появляется погрешность, зависящая от того, насколько коэффициент формы К ф отличается от 1,11.

Измерительные выпрямители средневыпрямленного напряжения могут быть одно- и двухполупериодные.

а ‒ одним, б ‒ двумя Рисунок 8.8-Однополупериодные выпрямители средневыпрямленного напряжения с диодами

Однополупериодные с одним диодом Д (рис. 8.8, а) используют на высоких и сверх-высоких частотах в качестве индикатора резонанса при контроле напряжений контура,

однополупериодные с двумя диодами (рис. 8.8, б) позволяют пропустить обратную волну переменного тока через диод Д 2 и резистор R, имеющий сопротивление, равное сопротивлению измерительного механизма и этим устранить недостатки предыдущей схемы, т.е. выравнять сопротивление схемы для токов обоих направлений и устранить перенапряжение на диоде Д 1 в тот полупериод, когда он закрыт.

Рисунок 8.9-Двухполупериодная мостовая выпрямительная схема с четырьмя диодами

Двухполупериодные мостовые схемы с четырьмя диодами (рис. 8.9) позволяют удвоить чувствительность прибора, поскольку ток через измерительный механизм проходит (как это показано на рис. 8.9 стрелками) в течение обоих полупериодов переменного напряжения.

В мостовых параллельных (рис. 8.10) и последовательных (рис. 8.11) выпрямительных схемах вместо двух диодов включены резисторы R 1 и R 2 , поэтому они не требуют тщательного подбора одинаковых по параметрам диодов и градуировка шкал при замене диодов более стабильна. По чувствительности эти выпрямители уступают выпрямителям с четырьмя диодами, так как часть выпрямленного тока минует измерительный механизм.

Рисунок 8.11-Мостовая последовательная выпрямительная схема с двумя диодами

Двухполупериодные мостовые выпрямители с удвоением напряжения (рис. 8.12) позволяют получить наибольшую чувствительность. В один полупериод происходит заряд конденсатора С 1 через открытый диод Д 1 , а в другой-заряд конденсатора С 2 через открытый диод Д 2 . Напряжения на конденсаторах постоянны и соответствуют амплитудному значению переменного напряжения. К измерительному механизму прикладывается суммарное напряжение конденсаторов, соединенных последовательно.

Рисунок 8.12-Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя с удвоением на двух диодах

Анализируя характер шкал, показанных на рис. 8.13, а‒г, можно заметить, что наиболее равномерную шкалу, удобную для отсчета (рис. 8.13, г), можно получить, применив мостовую параллельную или последовательную схему. Однополупериодные схемы также позволяют получить достаточно равномерный характер большей части шкалы (рис. 8.13, б). Неравно-мерный начальный участок шкалы (рис. 8.13, в) наиболее велик при использовании мостовой схемы с четырьмя диодами.

Рисунок 8.14-Схема измерительного выпрямителя действующего напряжения

Измерительные выпрямители действующегопеременногонапряжения , или

квадратичные вольтметры , имеют довольно сложную схему (рис. 8.14), в которой
применены широкополосный трансформатор Тр со средней точкой во вторичной обмотке
и двухполупериодный выпрямитель измеряемого напряжения на диодах Д 1 и Д 2 . Для
получения квадратичной зависимости тока измерительного механизма И от приложенного
напряжения последовательно ему включают диодную цепочку, состоящую из нескольких
звеньев (на рис. 8.14-четырех). Резисторы R 3 , R 5 , R 7 и R 9 делителей напряжения источника
питания Е каждого звена подобраны так, чтобы создать на резисторах R 2 , R 4 , R 6 и R 8
увеличивающиеся постоянные напряжения, соответственно запирающие диоды Д З, Д 4 , Д 5 и
Д 6 . При увеличении измеряемого напряжения диоды Д З, Д 4 и Д 5 поочередно открываются и
их токи, определяемые линейным участком характеристики, суммируются с током,

определяемым квадратичным участком характеристики открывающегося последним диода Д 6 . Шкалу измерительного механизма градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения, и эта градуировка справедлива при любой другой форме измеряемого напряжения. Такие вольтметры являются единственно пригодными для измерения напряжений сложной формы и напряжений шумов.

Измерительный выпрямитель амплитудного значения переменного напряжения, или амплитудный выпрямитель, выполняют по схеме с закрытым входом (рис.13,а). В положительный полупериод измеряемого переменного напряжения U изм (рис.13,б) диод Д открыт и конденсатор С заряжается до напряжения U c . В момент t 1 мгновенное значение измеряемого напряжения становится равным U c и диод закрывается. В течение времени от t 1 до t 2 диод закрыт и конденсатор медленно разряжается через большое сопроти-вление нагрузочного резистора R. В отрезок времени от t 2 до t 3 диод снова открывается, конденсатор подзаряжается, напряжение U с возрастает и т.д.