Измерение электрических характеристик. Характеристика средств измерения электрических величин
Измерения электрических параметров кабельных линий связи
1. Измерения электрических параметров кабельных линий связи
1.1 Общие положения
Электрические свойства кабельных линий связи характеризуются параметрами передачи и параметрами влияния.
Параметры передачи оценивают процессы распространения электромагнитной энергии вдоль кабельной цепи. Параметры влияния характеризуют явления перехода энергии с одной цепи на другую и степень защищенности от взаимных и внешних помех.
К параметрам передачи относятся первичные параметры:
R - сопротивление,
L - индуктивность,
С - ёмкость,
G - проводимость изоляции и вторичные параметры,
Z - волновое сопротивление,
a - коэффициент затухания,
β - коэффициент фазы.
К параметрам влияния относятся первичные параметры; К - электрическая связь, М - магнитная связь и вторичные параметры, Во-переходное затухание на ближнем конце, Bℓ - переходное затухание на дальним конце. В области низких частот качество и дальность связи определяются в основном параметрами передачи, а при высокочастотном использовании цепей важнейшими характеристиками являются параметры влияния. При эксплуатации кабельных линий связи проводятся измерения их электрических параметров, которые делятся на профилактические, контрольные и аварийные. Профилактические измерения осуществляются через определенные промежутки времени для оценки состояния линий связи и приведение их параметров к нормам. Контрольные измерения проводят после технического обслуживания и других видов работ для оценки качества их выполнения. Аварийные измерения осуществляются в целях определения характера и места повреждения линии связи.
1.2
Измерение сопротивления цепи
Различают сопротивление цепи (Rц) постоянному току и сопротивление цепи переменному току. Сопротивление 1 км провода постоянному току зависит от материала провода (удельного сопротивления - p), диаметра провода и температуры. Сопротивление любого провода при увеличение температуры увеличивается, а при увеличении диаметра уменьшается. Для любой температуры сопротивление от 20 °С, сопротивление может быть подсчитано по формуле:
Rt =Rt=20 [1+а (t -20)] Ом/км,
где Rt - сопротивление при данной температуре, a - температурный коэффициент сопротивления. Для двух проводных цепей полученную величину сопротивления необходимо умножить на два. Сопротивление 1 км провода переменному току зависит, кроме указанных факторов, еще и от частоты тока. Сопротивление переменному току всегда больше, чем постоянному, вследствие поверхностного эффекта. Зависимость сопротивления провода переменному току от частоты определяется формулой:
R=K1 × Rt Ом/км,
где K1 - коэффициент, учитывающий частоту тока (с увеличением частоты тока K1 увеличивается) Сопротивление цепи кабеля и отдельных проводов измеряется на смонтированных усилительных участках. Для измерения сопротивления используется схема моста постоянного тока с постоянным отношением балансных плеч. Данную схему обеспечивают измерительные приборы ПКП-3М, ПКП-4М, П-324. Схемы измерения с использованием указанных приборов изображены на рис. 1 и рис. 2.
Рис. 1. Схема измерения сопротивления цепи прибором ПКП
Рис. 2. Схема измерения сопротивления цепи прибором П-324
Измеренное сопротивление пересчитывается на 1 км цепи и сравнивается с нормами на данный кабель. Нормы сопротивлений на некоторые типы легких и симметричных кабелей приведены в табл. 1. Таблица 1 Пара-метрКабельП-274 П-274МП-270ТГ ТБТЗБ ТЗГП-296МКБ МКГМКСБ МКСГСопротивление цепи постоянному току (¦
= 800Гц), при +20 °С, Ом/км115÷12536,0d=0,4 £148d=0,8 £56,155,5d=1,2 £31,9d=0,9 £28,5d=0,75 £95d=0,9 £28,5d=1,4 £23,8d=1,2 £15,85d=0,6 £65,8d=1,0 £23,5d=0,7 £48d=1,2 £16,4d=1,4 £11,9
Сопротивление постоянному току d равно, а активное сопротивление легких полевых кабелей связи (П-274, П-274М, П-275) не зависят от способов прокладки линий и условий погоды («сухо», «сыро») и имеет лишь температурную зависимость, возрастая с увеличением температуры окружающей среды (воздуха, почвы и т.д.). Если в результате сравнения измеренное значение сопротивления больше нормы, то это может означать наличие плохого контакта в сростках кабеля или в соединительных полумуфтах.
1.3 Измерение ёмкости
Емкость (Сх) является одним из важнейших первичных параметров передачи цепей кабельных линий связи. По ее величине можно судить о состоянии кабеля, определять характер и место его повреждения. По фактической природе ёмкость кабеля аналогична ёмкости конденсатора, где роль обкладок выполняют поверхности проводов, а диэлектриком служит расположенный между ними изоляционный материал (бумага, стирофлекс и т.д.). Ёмкость цепей кабельных линий связи зависит от длины линии связи, конструкции кабеля, изоляционных материалов, типа скрутки. На величину ёмкости цепей симметричных кабелей оказывают влияние соседние жилы, оболочки кабеля, так как все они находятся в непосредственной близости друг от друга. Измерения ёмкости кабеля производят измерительными приборами типа ПКП-3М, ПКП-4М, П-324. При измерении прибора ПКП используется баллистический метод измерения, а прибор П-324 измеряет по схеме моста переменного тока с переменным отношением балансных плеч. На кабельных линиях связи могут производиться: измерения ёмкости пары жил; измерения ёмкости жилы (относительно земли).
1.3.1 Измерение ёмкости пары жил прибором П-324
Измерение ёмкости пары жил производится по схеме, приведенной на рис. 3.
Рис. 3. Схема измерения ёмкости пары жил
Одно из балансных плеч представляет собой набор резисторов nR, втрое - магазин сопротивлений - Rмс. Два других плеча - эталонная ёмкость Со и измеряемая Сх. Для обеспечения равенства углов потерь плеч и используются потенциометры БАЛАНС Сх ГРУБО и БАЛАНС Сх ПЛАВНО. Баланс моста обеспечивается с помощью магазина сопротивлений Rмс. При равенстве углов потерь плеч и баланса моста справедливо следующее равенство:
Поскольку Со и R постоянны для данной схемы измерения, то измеряемая ёмкость обратно пропорциональна сопротивлению магазина. Поэтому магазин сопротивлений градуируется непосредственно в единицах ёмкости (нФ), а результат измерения определяется из выражения:
Сх = n Смс.
1.3.2 Измерение ёмкости жилы относительно земли
Измерение ёмкости жилы относительно земли проводится по схеме рис. 4.
Рис. 4. Схема измерения ёмкости жилы относительно земли
Нормы среднего значения рабочей ёмкости пары жил для некоторых типов кабельных линий связи приведены в табл. 2.
Таблица 2 Пара-метрКабельП-274 П-274МП-270ТГ ТБТЗБ ТЗГП-296МКБ МКГМКСБ МКСГСреднее значение рабочей ёмкости, нФ/км32,6 ÷ 38,340,45d =0,4 d =0,5 С=50d =0,8 С=3836,0d =1,2 С=27 d =1,4 С=3624,0÷25d =0,9 С=33,5d =0,6 С=40d =1,0 С=34d =0,7 С=41d =1,2 С=34,5d =1,4 С=35,5
Примечание: . Ёмкость легких полевых кабелей связи в зависимости от способа прокладки, состояния погоды, а также температуры окружающей среды колеблется. Наибольшее влияние оказывает увлажнение или покрытие кабельной оболочки полупроводящими наслоениями (почва, атмосферные осадки, сажа и т.д.) Ёмкость кабеля П-274 заметно изменяется с ростом температуры и частоты (с ростом температуры ёмкость увеличивается, а с увеличением частоты уменьшается). Рабочая ёмкость кабеля МКСБ, МКСГ зависит от числа четвёрок (одно-, четырёх- и семичетвёрочные) и количества сигнальных жил.
1.4 Измерение сопротивления изоляции
При оценке качества изоляции цепи обычно пользуются понятием «сопротивление изоляции» (Rиз). Сопротивление изоляции есть величина, обратная проводимости изоляции. Проводимость изоляции цепи зависит от материала и состояния изоляции, атмосферных условий и частоты тока. Проводимость изоляции значительно увеличивается при загрязнении изоляции, при наличии в ней трещин, при нарушении целости слоя изоляционного покрова кабеля. В сырую погоду проводимость изоляции больше, чем в сухую. С увеличением частоты тока проводимость изоляции увеличивается. Измерение сопротивления изоляции может производиться приборами ПКП-3, ПКП-4, П-324 при профилактических и контрольных испытаниях. Сопротивление изоляции измеряется между жилами и между жилой и землей. Для измерения сопротивления изоляции Rиз управляющая обмотка МУ включается последовательно с источником напряжения и измеряемым сопротивлением изоляции. Чем меньше величина измеряемого Rиз, тем больше ток в управляющей обмотке МУ, а следовательно, и больше ЭДС в выходной обмотке МУ. Усиленный сигнал детектируется и фиксируется прибором ИП. Шкала прибора градуируется непосредственно в мегомах, поэтому отсчёт измеряемой величины Rиз. производится по верхней или средней шкале с учётом положения переключателя ПРЕДЕЛ Rмом. При измерении прибором ПКП сопротивления изоляции используется схема омметра, которая состоит из последовательно соединенных микроамперметра и источника питания напряжением 220В. Шкала микроамперметра проградуирована от 3 до 1000 Мом. Нормы сопротивления изоляции для некоторых типов кабелей связи приведены в табл. 3.
Таблица 3 ПараметрКабельП-274 П-274МП-270ТГ ТБТЗБ ТЗГП-296МКБ МКГМКСБ МКСГСопротивление изоляции одиночных жил относительно других жил, при t=20 °С не менее, МОм/км100÷1000 250÷2500500050001000050001000010000
Сопротивление изоляции лёгких полевых кабелей связи в большей степени зависит от способа прокладки условий эксплуатации, а также температуры окружающей среды.
1.5 Измерение вторичных параметров передачи
1.5.1 Волновое сопротивление
Волновое сопротивление (Zc) - это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной цепи без отражения. Оно свойственно данному типу кабеля и зависит лишь от первичных параметров и частоты передаваемого тока. Величина волнового сопротивления характеризует цепь, так как показывает соотношение между напряжением (U) и током (I) в любой её точке для однородной цепи величина постоянная, не зависящая от ее длины.
Так как все первичные параметры, за исключением ёмкости, зависят от частоты тока, то при увеличении частоты тока волновое сопротивление уменьшается. Измерение и оценка величины волнового сопротивления может производиться с помощью прибора Р5-5. С этой целью работы производятся с обоих концов кабельной линии связи. На одном конце измеряемая цепь нарушается активным сопротивлением, в качестве которого рекомендуется использовать высокочастотные мастичные сопротивления СП, СПО или магазин непроволочных сопротивлений, на другом подключается прибор Р5-5. Регулируя сопротивления на дальнем конце цепи и увеличивая усиление прибора на ближнем конце цепи, добиваются минимального отражения от дальнего конца линии по прибору Р5-5. Величина сопротивления, подобранная на дальнем конце цепи в этом случае будет соответствовать волновому сопротивлению цепи. Нормы на величину среднего значения волнового сопротивления приведены в табл. 4.
Таблица 4 Час-то-та, кГцКабельП-274П-274МП-270ТГ, ТБТЗГ, ТЗСП-296МКБ МКГМКСБ МКСГсухов водесухов воде0,8720495823585798 ÷1085368 ÷64843548749010,0230155258181146231 ÷308147 ÷200160190,519616,0205135222158139133 ÷17415218218660131142 ÷147130174174,6120129142 ÷146171168,4200128169,2167,3300126168,2166,3
1.5.2 Рабочее затухание
При распространении электрической энергии по проводам амплитуды тока и напряжения уменьшаются или, как говорят, претерпевают затухание. Уменьшение энергии на длине цепи 1 км учитывается через коэффициент затухания, который иначе называют километрическим затуханием. Коэффициент затухания обозначается буквой a и измеряется в неперах на 1 км. Коэффициент затухания зависит от первичных параметров цепи и обусловлен двумя видами потерь:
затухание за счет потерь энергии на нагрев металла провода; затухание за счет потерь несовершенства изоляции и за счет диэлектрических потерь. В нижней области частот доминируют потери в металле, а выше начинают сказываться потери в диэлектрике. Так как первичные параметры зависят от частоты, то и a зависит от частоты: с увеличением частоты тока a увеличивается. Увеличение затухания объясняется тем, что с возрастанием частоты тока увеличиваются активное сопротивление и проводимость изоляции.
Зная коэффициент затухания цепи (a) и длину цепи (ℓ), то можно определить собственное затухание всей цепи (а):
а=a× ℓ, Нп
Для четырехполосников, образующих канал связи, обычно не удается полностью обеспечить условия согласованного включения. Поэтому для учета несогласованности как во входной так и в выходной цепях образованного канала связи в действительных (реальных) условиях недостаточно знания только собственного затухания. Рабочее затухание (ар) - это затухание кабельной цепи в реальных условиях, т.е. при любых нагрузках по ее концам. Как правило, в реальных условиях рабочее затухание больше собственного затухания (ар > а).
Одним из методов измерения рабочего затухания является метод разности уровней. При измерениях по этому методу необходим генератор с известной ЭДС, известным внутренним сопротивлением Zо. Абсолютный уровень напряжения на согласованной нагрузке генератора Zо измеряется указателем уровня станции А и определяется: а абсолютный уровень напряжения на нагрузке Zi измеряется указателем уровня станции Б.
Нормы на коэффициент затухания цепей некоторых типов кабельных линий связи, представлены в табл. 5. Вторичные параметры легких полевых кабелей связи существенно зависят от способа прокладки линий (подвеска, по земле, в земле, в воде).
1.6 Измерение параметров влияния
Степень влияния между цепями кабельной линии связи принято оценивать величиной переходного затухания. Переходное затухание характеризует затухание токов влияния при переходе их с влияющей цепи в цепь, подверженную влиянию. При прохождении переменного тока по влияющей цепи вокруг нее создается переменное магнитное поле, которое пересекает цепь, подверженную влиянию. Различают переходное затухание на ближнем конце Ао и переходное затухание на дальнем конце Аℓ. Затухание переходных токов, проявляющихся на том конце цепи, где расположен генератор влияющей цепи, называется переходным затуханием на ближнем конце. Затухание переходных токов, поступивших на противоположный конец второй цепи, называется переходным затуханием на дальнем конце.
Таблица 5. Нормы на коэффициент затухания цепей, Нп/км. Частота, кГцКабельП-274П-274МП-270ТГ, ТБТЗГ, ТЗСП-296МКБ МКГМКСБ МКСГсухов водесухов воде0,80,1080,1570,0950,1440,0650,04÷0,670,043÷0,0660,0440,043100,2840,3980,2680,3740,1160,344÷0,6440,091÷0,1700,200,0910,087160,3200,4450,3040,4210,1360,103÷0,1820,230,0960,092300,1740,129÷0,2200,240,1110,114600,2290,189÷0,2750,280,1500,1451200,3110,299÷0,3830,380,2180,2102000,3920,460,2940,2743000,4740,3720,3325520,81
1.6.1 переходное затухание на ближнем конце
Переходное затухание на ближнем конце важно измерять и оценивать для четырехпроводных систем с разными направлениями передачи и приема. К таким системам относятся однокабельные системы передачи (П-303, П-302, П-301, П-330-6, П-330-24), работающие по одночетвёрочному кабелю (П-296, Р-270). Наиболее распространенным методом измерения переходных затуханий является метод сравнения, используемый при применении комплекта приборов ВИЗ-600, П-322. При измерении прибором П-324 используется смешанный (сравнения и дополнения) метод. Суть метода сравнения и дополнения заключается в том, что в положении 2 величина переходного затухания (Ао) дополняется затуханием магазина (амз) до значения на менее 10 Нп. Изменяя затухание магазина, добиваются выполнения условия Ао + амз ≥10 Нп. Для удобства отсчета измеряемой величины на переключателе НП указаны цифры не затухания амз, фактически вносимого магазином, а разности 10 - амз. Поскольку затухание магазина изменяется не плавно, а ступенями через 1 Нп, остаток затухания свой в Нп измеряется по шкале стрелочного прибора (ИП) в пределах от 0 до 1 Нп. Перед измерением производится градуировка прибора (ИП), для чего переключатель НП схемы устанавливается в положение ГРАД (положение 1 на рис. 9). При этом выход генератора подключается к измерителю через эталонный удлинитель (ЭУ) с затуханием 10 Нп. Нормы на переходное затухание приведены в табл. 6. Таблица 6. Нормы на переходное затухание на ближнем конце внутри и между смежными четвёрками, не менее, Нп Тип кабеляЧастота, кГцДлина линии, кмПереходное затуханиеП-27060106,0П-29660108,8МКБ МКГ100 2000,850 0,8506,8 6,8МКСБ, МКСГВесь диапазон частот0,6507,2 Для кабеля П-296 проверка переходного затухания производится также на частотах 10 кГц и 30 кГц.
1.6.2 Переходное затухание на дальнем конце
Переходное затухание на дальнем конце важно измерять и оценивать также для четырехпроводных систем, но с одинаковыми направлениями приема и передачи. К таким системам относятся двухкабельные системы передачи типа П-300, П-330-60. Для измерения переходного затухания на дальнем конце Аℓ необходимо иметь два прибора П-324, устанавливаемых на противоположных концах измеряемых цепей. Измерение производится в три этапа. Так же с помощью прибора П-324 возможно измерение затуханий не менее 5 Нп, на входе прибора включается удлинитель УД 5 Нп, входящий в состав устройства для проверки работоспособности прибора. Полученный результат измерения делится пополам и определяется затухание одной цепи. После этого собирается схема и проводится градуировка измерительного тракта прибора станции Б, подключаемого к влияющей цепи. При этом сумма затуханий цепи, удлинителя УД 5Нп и магазина затухания должна быть не менее 10 Нп, остаток затухания сверх 10Нп устанавливается на стрелочном приборе. На третьем этапе измеряется переходное затухание на дальнем конце. Результат измерения представляет собой сумму показаний переключателя НП и стрелочного прибора. Измеренная величина переходного затухания на дальнем конце сравнивается с нормой. Нормой переходного затухания на дальнем конце приведены в табл. 7.
Таблица 7 Тип кабеляЧастота, кГцДлина линии, кмПереходное затуханиеП-27060105,5П-29660105,0МКБ МКГ100 2000,850 0,8507,8 7,8МКСБ, МКСГВесь диапазон частот0,6508,2 Во всех симметричных кабельных цепях переходное затухание с ростом частоты снижается примерно по логарифмическому закону. Для увеличения переходного затухания между цепями токопроводящие жилы при изготовлении скручиваются в группы (пары, четверки, восьмерки), группы свиваются в кабельный сердечник, цепи экранируются, а при прокладке кабельных линий связи производится симметрирование кабеля. Симметрирование на кабелях низкой частоты заключается в дополнительном скрещивании их при развертывании и включение конденсаторов. Симметрирование на ВЧ кабелях - это скрещивание и включение контуров противосвязи. Потребность в симметрировании может возникнуть при ухудшении параметров влияния кабеля в процессе его долголетнего использования или при строительстве линии связи большой протяженности. Необходимость симметрирования кабеля должна определяться в каждом конкретном случае, исходя из фактической величины переходного затухания цепей, которая зависит от системы связи (системы использования цепей кабеля и аппаратуры уплотнения) и протяженности линии. 2. Определение характера и места повреждения кабельных линий связи
2.1 Общие положения
На кабелях связи могут быть следующие виды повреждений: понижение сопротивления изоляции между жилами кабеля или между жилами и землей; понижение сопротивления изоляции «оболочка - земля» или «броня - земля»; полный обрыв кабеля; пробой диэлектрика; асимметрия сопротивления жил; разбитость пар в симметричном кабеле. 2.2 Испытания для определения характера повреждений
Определение характера повреждений («земля», «обрыв», «короткое» понижение сопротивления изоляции) проводится испытанием каждой жилы кабеля с помощью схем мегомметра или омметра различных измерительных приборов (например, П-324, ПКП-3, ПКП-4, КМ-61С и др). В качестве омметра можно использовать комбинированный прибор «тестер». Испытания проводятся в следующем порядке: Проверяется сопротивление изоляции между одной жилой и остальными, соединенными с заземленным экраном. На станции А, где проводятся испытания, все жилы, кроме одной, соединяются вместе и с экраном и заземляются. На станции Б жилы ставятся на изоляцию. Измеряется сопротивление изоляции и сравнивается с нормой для данного типа кабеля. Испытания и анализ проводятся для каждой жилы кабеля. Если измеренное значение сопротивления изоляции окажется ниже нормы, то определяется характер повреждения: повреждение изоляции относительно «земли»; повреждение изоляции относительно экрана кабеля; повреждение изоляции относительно других жил кабеля. Для определения характера повреждения на станции А поочередно снимают «землю» с жил кабеля и проводят анализ: а) если снятие «земли» с какой-то жилы (например, с жилы 2 на рис. 13) приводит к резкому увеличению сопротивления изоляции, то повреждена изоляция между испытываемой жилой (жила 1) и той, с которой снята «земля» (жила 2); б) если снятие «земли» со всех жил не приводит к увеличению сопротивления изоляции до нормы, то изоляция испытуемой жилы (жила 1) повреждена относительно экрана кабеля (земли). Если при очередном испытании окажется, что сопротивление изоляции составляет сотни Ом или единицы кОм, то это указывает на возможное короткое замыкание между испытываемыми жилами кабеля (например, «короткое» показано между жилами 3 и 4); Проверяется целость жил кабеля, для чего все жилы на станции Б соединяются вместе и с экраном. На станции А каждая жила проверяется омметром на целость. Установление характера повреждения позволяет выбрать один из методов определения до места повреждения. 2.3 Определение места повреждения изоляции жил проводов
Для определения места повреждения изоляции жил применяют мостовые схемы, выбор которых зависит от того, имеются ли в данном кабеле исправные жилы или нет. При наличии исправного провода, равного по сопротивлению поврежденному, и при сопротивлении изоляции поврежденного провода до 10мОм измерения производят методом моста с переменным отношением балансных плеч. Величины сопротивления плеч моста Rа и Rм при измерениях подбираются таким образом, чтобы ток в диагонали моста, в которую включен ИП, отсутствовал. При определении места повреждения изоляции методом моста с переменным отношением балансных плеч используются приборы ПКП-3, ПКП-4, КМ-61С. В этих приборах сопротивление Rм переменное и определяется при измерениях в момент равновесия моста, а сопротивление Rа постоянное и для приборов ПКП выбрано равным 990 ОМ, для прибора КМ-61С-1000 Ом. Если исправный и поврежденный провода имеют разные сопротивления, то измерения производятся с обоих концов кабельной линии связи. При использовании приборов ПКП-3, ПКП-4 могут применяться и другие методы измерения сопротивления изоляции с целью определения места повреждения кабеля: 5. Метод холостого хода и короткого замыкания при использовании моста с постоянным отношением балансных плеч. Применяется при отсутствии исправных проводов и переходном сопротивление в месте повреждения изоляции до 10 кОм. Метод холостого хода и короткого замыкания при использовании моста с переменным отношением балансных плеч. Применяется при отсутствии исправных проводов и переходном сопротивлении в месте повреждения изоляции от 0,1 до 10 МОм. При отсутствии исправных проводов определение места повреждения изоляции мостовыми методами с достаточной точностью представляет определенные трудности. В этом случае могут использоваться импульсный и индуктивный методы. Для измерений импульсным методом применяются прибором Р5-5, P5-10, дальность действия которых может достигать 20-25 км на симметричных кабелях связи.
2.4 Определение места обрыва проводов
Определение места обрыва проводов может осуществляться следующим методами: Метод моста на пульсирующем токе. Применяется при наличии исправного провода, равного по сопротивлению поврежденному. Метод сравнения ёмкостей (баллистический метод). Применяется при равной удельной ёмкости исправного и повреждённого проводов. Метод сравнения ёмкостей при двухстороннем измерении. Применяется при неравной удельной емкости повреждённого и исправного проводов и, в частности, при невозможности заземлить неизмеряемые провода лини. Для определения места обрыва проводов могут использоваться приборы ПКП-3, ПКП-4, KM-61C, П-324. При наличии в кабеле исправной жилы и возможности заземления всех остальных жил кабеля поочередно измеряется рабочая ёмкость исправной жилы (Сℓ), затем поврежденной жилы (Сх). Если же по условиям эксплуатации кабеля заземление остальных неизмеряемых жил невозможно, то для получения достоверного результата оборванную жилу измеряют с двух сторон, расстояние до места обрыва вычисляют по формуле:
План
Введение
Измерители силы тока
Измерение напряжения
Комбинированные приборы магнитоэлектрической системы
Универсальные электронные измерительные приборы
Шунты измерительные
Приборы для измерения сопротивлений
Определение сопротивления заземления
Магнитный поток
Индукция
Список литературы
Введение
Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем, с помощью специальных технических средств – измерительных приборов.
Таким образом, измерение – это информационный процесс получения опытным путем численного отношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.
Результат измерения – именованной число, найденное путем измерения физической величины. Одна из основных задач измерения – оценка степени приближения или разности между истинным и действительным значениями измеряемой физической величины – погрешности измерения.
Основными параметрами электрических цепей являются: сила тока, напряжение, сопротивление, мощность тока. Для измерения этих параметров используют электроизмерительные приборы.
Измерение параметров электрических цепей осуществляется двумя способами: первый – прямой метод измерения, второй – косвенный метод измерения.
Прямой метод измерения подразумевает получения результата непосредственно из опыта. Косвенным измерением называют измерение, при котором искомая величина находится на основании известной зависимости между этой величиной и величиной, полученной в результате прямого измерения.
Электроизмерительные приборы – класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений – меры, преобразователи, комплексные установки.
Электроизмерительные приборы классифицируются следующем образом: по измеряемой и воспроизводимой физической величине (амперметр, вольтметр, омметр, частометр и др.); по назначению (измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства); по способу предоставления результатов измерений (показывающие и регистрирующие); по методу измерений (приборы непосредственно оценки и приборы сравнения); по способу применения и по конструкции (щитовые, переносные и стационарные); по принципу действия (электромеханические – магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, ферродинамические, индукционные, магнитодинамические; электронные; термоэлектрические; электрохимические).
В данном реферате я постараюсь рассказать об устройстве, принципе действия, дать описание и краткую характеристику электроизмерительным приборам электромеханического класса.
Измерение силы тока
Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах (рис.1). Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи (рис.2) , силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений - с шунтом или через трансформатор.
Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол, пропорциональной величине измеряемого тока.
Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.
Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными - силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.
Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.
Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействия между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах - через трансформатор.
Технические данные некоторых типов отечественных амперметров, миллиамперметров, микроамперметров, магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, а также тепловой систем приведены в таблице 1.
Таблица 1. Амперметры, миллиамперметры, микроамперметры
| Система прибора | Тип прибора | Класс точности | Пределы измерения |
| Магнитоэлектрическая | М109 | 0,5 | 1; 2; 5; 10 А |
| М109/1 | 0,5 | 1,5-3 А | |
| М45М | 1,0 | 75мВ | |
| 75-0-75мВ | |||
| М1-9 | 0,5 | 10-1000 мкА | |
| М109 | 0,5 | 2; 10; 50 мА | |
| 200 мА | |||
| М45М | 1,0 | 1,5-150 мА | |
| Электромагнитная | Э514/3 | 0,5 | 5-10 А |
| Э514/2 | 0,5 | 2,5-5 А | |
| Э514/1 | 0,5 | 1-2 А | |
| Э316 | 1,0 | 1-2 А | |
| 3316 | 1,0 | 2,5-5 А | |
| Э513/4 | 1,0 | 0,25-0,5-1 А | |
| Э513/3 | 0,5 | 50-100-200 мА | |
| Э513/2 | 0,5 | 25-50-100 мА | |
| Э513/1 | 0,5 | 10-20-40 мА | |
| Э316 | 1,0 | 10-20 мА | |
| Электродинамическая | Д510/1 | 0,5 | 0,1-0,2-0,5-1-2-5 А |
| Тепловая | Е15 | 1,0 | 30;50;100;300 мА |
Измерение напряжения
Вольтметр - измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях (рис. 3). Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии (рис.4).
По принципу действия вольтметры разделяются на: электромеханические - магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические; электронные - аналоговые и цифровые. По назначению: постоянного тока; переменного тока; импульсные; фазочувствительные; селективные; универсальные. По конструкции и способу применения: щитовые; переносные; стационарные. Технические данные некоторых отечественных вольтметров, милливольтметров магнитоэлектрической, электродинамической, электромагнитной, а также тепловой систем представлены в таблице 2.
Таблица 2. Вольтметры и милливольтметры
| Система прибора | Тип прибора | Класс точности | Пределы измерения |
| Электродинамическая | Д121 | 0,5 | 150-250 В |
| Д567 | 0,5 | 15-600 В | |
| Магнитоэлектрическая | М109 | 0,5 | 3-600 В |
| М250 | 0,5 | 3; 50; 200; 400 В | |
| М45М | 1,0 | 75 мВ; | |
| 75-0-75 мВ | |||
| 75-15-750-1500 мВ | |||
| М109 | 0,5 | 10-3000 мВ | |
| Электростатическая | С50/1 | 1,0 | 30 В |
| С50/5 | 1,0 | 600 В | |
| С50/8 | 1,0 | 3 кВ | |
| С96 | 1,5 | 7,5-15-30 кВ | |
| Электромагнитная | Э515/3 | 0,5 | 75-600 В |
| Э515/2 | 0,5 | 7,5-60 В | |
| Э512/1 | 0,5 | 1,5-15 В | |
| С электронным преобразователем | Ф534 | 0,5 | 0,3-300 В |
| Тепловая | Е16 | 1,5 | 0,75-50 В |
Для измерения в цепях постоянного тока используются комбинированные приборы магнитоэлектрической системы ампер-вольметры. Технические данные о некоторых типах приборов приведены в таблице 3.
Таблица 3. Комбинированные приборы магнитоэлектрической системы .
| Наименование | Тип | Класс точности | Пределы измерения |
| Милливольт-миллиамперметр | М82 | 0,5 | 15-3000 мВ; 0,15-60 мА |
| Вольтамперметр | М128 | 0,5 | 75 мВ-600 В; 5; 10; 20 А |
| Ампервольтметр | М231 | 1,5 | 75-0-75 мВ; 100-0-100 В;0,005-0-0,005 А; 10-0-10 А |
| Вольтамперметр | М253 | 0,5 | 15 мВ-600 В; 0,75 мА-3 А |
| Милливольт-миллиамперметр | М254 | 0,5 | 0,15-60 мА; 15-3000 мВ |
| Микроампервольтметр | М1201 | 0,5 | 3-750 В; 0,3-750 мкА |
| Вольтамперметр | М1107 | 0,2 | 45 мВ-600 В; 0,075 мА-30 А |
| Миллиампервольтметр | М45М | 1 | 7,5-150 В; 1,5 мА |
| Вольтомметр | М491 | 2,5 | 3-30-300-600 В;30-300-3000 кОм |
| Ампервольтомметр | М493 | 2,5 | 3-300 мА; 3-600 В; 3-300 кОм |
| Ампервольтомметр | М351 | 1 | 75 мВ-1500 В;15 мкА-3000 мА;200 Ом-200 Мом |
Технические данные о комбинированных приборах – ампервольметрах и ампервольтваттметрах для измерения напряжения и тока, а также мощности в цепях переменного тока.
Комбинированные переносные приборы для измерения в цепях постоянного и переменного токов обеспечивают измерение постоянных и переменных токов и сопротивлений, а некоторые – также емкость элементов в весьма широком диапазоне, отличаются компактностью, имеют автономное питание, что обеспечивает их широкое применение. Класс точности этого типа приборов на постоянном токе 2,5; на переменном – 4,0.
Универсальные электронные измерительные приборы
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств - измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).
ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Электрическое измерение - это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах (например, 3 А, 4 В). Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики и единицами механических величин. Поскольку "поддержание" единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют "практическими" эталонами единиц электрических величин. Такие эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Например, в США юридическую ответственность за поддержание эталонов единиц электрических величин несет Национальный институт стандартов и технологии. Время от времени проводятся эксперименты по уточнению соответствия между значениями эталонов единиц электрических величин и определениями этих единиц. В 1990 государственные метрологические лаборатории промышленно развитых стран подписали соглашение о согласовании всех практических эталонов единиц электрических величин между собой и с международными определениями единиц этих величин. Электрические измерения проводятся в соответствии с государственными эталонами единиц напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и емкости. Такие эталоны представляют собой устройства, имеющие стабильные электрические характеристики, или установки, в которых на основе некоего физического явления воспроизводится электрическая величина, вычисляемая по известным значениям фундаментальных физических констант. Эталоны ватта и ватт-часа не поддерживаются, так как более целесообразно вычислять значения этих единиц по определяющим уравнениям, связывающим их с единицами других величин. См. также
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН .
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы ("мультиметры") и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы - ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.
ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ
Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.
Аналого-цифровые преобразователи.
Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый "медленный". Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1-0,0003%. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4-0,002%), но зато время преобразования - от ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ10мкс до ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ1 мс. Параллельные АЦП - самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность - от 0,4 до 2%.
Методы дискретизации.
Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала; их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала ("в реальном времени"), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.
Цифровые вольтметры и мультиметры.
Цифровые вольтметры и мультиметры измеряют квазистатическое значение величины и указывают его в цифровой форме. Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение, обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление постоянному току и иногда температуру. Эти самые распространенные контрольно-измерительные приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2 до 0,001% могут иметь 3,5- или 4,5-значный цифровой дисплей. "Полуцелый" знак (разряд) - это условное указание на то, что дисплей может показывать числа, выходящие за пределы номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5-разрядный) дисплей в диапазоне 1-2 В может показывать напряжение до 1,999 В.
Измерители полных сопротивлений.
Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс) соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором. Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г. Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах, близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых значений. Большинство приборов могут показывать также производные величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.
АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ
Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на постоянном токе применяются аналоговые магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и многовитковой подвижной частью. Такие приборы стрелочного типа характеризуются погрешностью от 0,5 до 5%. Они просты и недороги (пример - автомобильные приборы, показывающие ток и температуру), но не применяются там, где требуется сколько-нибудь значительная точность.
Магнитоэлектрические приборы.
В таких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю. Момент этой силы уравновешивается моментом, создаваемым противодействующей пружиной, так что каждому значению тока соответствует определенное положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет форму многовитковой проволочной рамки с размерами от 3ґ5 до 25ґ35 мм и делается как можно более легкой. Подвижная часть, установленная на каменных подшипниках или подвешенная на металлической ленточке, помещается между полюсами сильного постоянного магнита. Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий момент, служат также токопроводами обмотки подвижной части. Магнитоэлектрический прибор реагирует на ток, проходящий по обмотке его подвижной части, а потому представляет собой амперметр или, точнее, миллиамперметр (так как верхний предел диапазона измерений не превышает примерно 50 мА). Его можно приспособить для измерения токов большей силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля полного измеряемого тока. Такое устройство пригодно для токов, измеряемых многими тысячами ампер. Если последовательно с обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор превратится в вольтметр. Падение напряжения на таком последовательном соединении равно произведению сопротивления резистора на ток, показываемый прибором, так что его шкалу можно проградуировать в вольтах. Чтобы сделать из магнитоэлектрического миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему последовательно измеряемые резисторы и подавать на это последовательное соединение постоянное напряжение, например от батареи питания. Ток в такой схеме не будет пропорционален сопротивлению, а потому необходима специальная шкала, корректирующая нелинейность. Тогда можно будет производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя и с не очень высокой точностью.
Гальванометры.
К магнитоэлектрическим приборам относятся и гальванометры - высокочувствительные приборы для измерения крайне малых токов. В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть подвешена на тонкой ленточке или нити, используется более сильное магнитное поле, а стрелка заменена зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 1). Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а угол его поворота оценивается по смещению отбрасываемого им светового зайчика на шкале, установленной на расстоянии около 1 м. Самые чувствительные гальванометры способны давать отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока всего лишь на 0,00001 мкА.
РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ
Регистрирующие приборы записывают "историю" изменения значения измеряемой величины. К таким приборам наиболее распространенных типов относятся ленточные самописцы, записывающие пером кривую изменения величины на диаграммной бумажной ленте, аналоговые электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса на экране электронно-лучевой трубки, и цифровые осциллографы, запоминающие однократные или редко повторяющиеся сигналы. Основное различие между этими приборами - в скорости записи. Ленточные самописцы с их движущимися механическими частями наиболее подходят для регистрации сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее. Электронные осциллографы же способны регистрировать сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей секунды до нескольких секунд.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ
Измерительный мост - это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой - нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется наивысшая точность измерения. (Для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001%. Простейший мост для измерения сопротивления носит имя своего изобретателя Ч.Уитстона.
Двойной измерительный мост постоянного тока.
К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом ошибка будет составлять 10%. Двойной измерительный мост (мост Томсона), схема которого представлена на рис. 2, предназначен для измерения сопротивления эталонных резисторов малого номинала. Сопротивление таких четырехполюсных эталонных резисторов определяют как отношение напряжения на их потенциальных зажимах (р1, р2 резистора Rs и р3, p4 резистора Rx на рис. 2) к току через их токовые зажимы (с1, с2 и с3, с4). При такой методике сопротивление присоединительных проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого сопротивления. Два дополнительных плеча m и n исключают влияние соединительного провода 1 между зажимами с2 и с3. Сопротивления m и n этих плеч подбирают так, чтобы выполнялось равенство M/m = N/n. Затем, изменяя сопротивление Rs, сводят разбаланс к нулю и находят Rx = Rs(N /M).
Измерительные мосты переменного тока.
Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50-60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц. Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла - Вина.
Измерительный мост Максвелла - Вина.
Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, их легче экранировать, и они практически не создают внешних электромагнитных полей. Условия равновесия этого измерительного моста таковы: Lx = R2R3C1 и Rx = (R2R3) /R1 (рис. 3). Мост уравновешивается даже в случае "нечистого" источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты), если величина Lx не зависит от частоты.
Трансформаторный измерительный мост. Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока - простота задания точного отношения напряжений посредством трансформатора. В отличие от делителей напряжения, построенных из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, трансформаторы в течение длительного времени сохраняют постоянным установленное отношение напряжений и редко требуют повторной калибровки. На рис. 4 представлена схема трансформаторного измерительного моста для сравнения двух однотипных полных сопротивлений. К недостаткам трансформаторного измерительного моста можно отнести то, что отношение, задаваемое трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты сигнала. Это приводит к необходимости проектировать трансформаторные измерительные мосты лишь для ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется паспортная точность.
где Т - период сигнала Y(t). Максимальное значение Yмакс - это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение YAA - абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний Yэфф = 0,707Yмакс и YAA = 0,637Yмакс.
Измерение напряжения и силы переменного тока.
Почти все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока показывают значение, которое предлагается рассматривать как эффективное значение входного сигнала. Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле измеряется среднее абсолютное или максимальное значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы показание соответствовало эквивалентному эффективному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Не следует упускать из виду, что точность таких приборов крайне низка, если сигнал несинусоидален. Приборы, способные измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из трех принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала или теплового преобразования. Приборы, основанные на первых двух принципах, как правило, реагируют на напряжение, а тепловые электроизмерительные приборы - на ток. При использовании добавочных и шунтовых резисторов всеми приборами можно измерять как ток, так и напряжение.
Электронное умножение.
Возведение в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такого типа могут иметь погрешность порядка всего лишь 0,009%.
Дискретизация сигнала.
Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких приборов составляет 0,01-0,1%.
Тепловые электроизмерительные приборы.
Наивысшую точность измерения эффективных значений напряжения и тока обеспечивают тепловые электроизмерительные приборы. В них используется тепловой преобразователь тока в виде небольшого откачанного стеклянного баллончика с нагревательной проволочкой (длиной 0,5-1 см), к средней части которой крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары. Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно электроизоляцию. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением тока в нагревательной проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС (напряжение постоянного тока). Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц. На рис. 5 показана принципиальная схема теплового электроизмерительного прибора с двумя подобранными по параметрам тепловыми преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 возникает напряжение постоянного тока, усилитель А создает постоянный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС2, при котором термопара последнего дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный прибор постоянного тока измеряет выходной ток.
С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно превратить в вольтметр. Поскольку тепловые электроизмерительные приборы непосредственно измеряют токи лишь от 2 до 500 мА, для измерения токов большей силы необходимы резисторные шунты.
Измерение мощности и энергии переменного тока. Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально (как это обычно и бывает), то мощность Р можно представить в виде P = EI cosj, где Е и I - эффективные значения напряжения и тока, а j - фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cosj, называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока. С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина - энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается так:
Если время (t1 - t2) измеряется в секундах, напряжение е - в вольтах, а ток i - в амперах, то энергия W будет выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях (1 Дж = 1 ВтЧс). Если же время измеряется в часах, то энергия - в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах (1 кВт*ч = 1000 ВтЧч).
Счетчики электроэнергии с разделением времени.
В счетчиках электроэнергии с разделением времени используется весьма своеобразный, но точный метод измерения электрической мощности. Такой прибор имеет два канала. Один канал представляет собой электронный ключ, который пропускает или не пропускает входной сигнал Y (или обращенный входной сигнал -Y) на фильтр нижних частот. Состоянием ключа управляет выходной сигнал второго канала с отношением временных интервалов "закрыто"/"открыто", пропорциональным его входному сигналу. Средний сигнал на выходе фильтра равен среднему по времени произведению двух входных сигналов. Если один входной сигнал пропорционален напряжению на нагрузке, а другой - току нагрузки, то выходное напряжение пропорционально мощности, потребляемой нагрузкой. Погрешность таких счетчиков промышленного изготовления составляет 0,02% на частотах до 3 кГц (лабораторных - порядка всего лишь 0,0001% при 60 Гц). Как приборы высокой точности они применяются в качестве образцовых счетчиков для поверки рабочих средств измерения.
Дискретизирующие ваттметры и счетчики электроэнергии.
Такие приборы основаны на принципе цифрового вольтметра, но имеют два входных канала, дискретизирующих параллельно сигналы тока и напряжения. Каждое дискретное значение e(k), представляющее мгновенные значения сигнала напряжения в момент дискретизации, умножается на соответствующее дискретное значение i(k) сигнала тока, полученное в тот же момент времени. Среднее по времени таких произведений есть мощность в ваттах:
Сумматор, накапливающий произведения дискретных значений с течением времени, дает полную электроэнергию в ватт-часах. Погрешность счетчиков электроэнергии может составлять всего лишь 0,01%.
Индукционные счетчики электроэнергии.
Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками - токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности. Число оборотов диска за то или иное время пропорционально полной электроэнергии, полученной за это время потребителем. Число оборотов диска считает механический счетчик, который показывает электроэнергию в киловатт-часах. Приборы такого типа широко применяются в качестве бытовых счетчиков электроэнергии. Их погрешность, как правило, составляет 0,5%; они отличаются большим сроком службы при любых допустимых уровнях тока.
- измерения электрических величин: электрического напряжения, электрического сопротивления, силы тока, частоты и фазы переменного тока, мощности тока, электрической энергии, электрического заряда, индуктивности, электрической ёмкости и др.… … Большая советская энциклопедия
электрические измерения - — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN electrical measurementelectricity metering … Справочник технического переводчика
Э. измерительными аппаратами называют приборы и приспособления, служащие для измерения Э., а также и магнитных величин. Большая часть измерений сводится к определению силы тока, напряжения (разности потенциалов) и количества электричества.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона - совокупности соединенных определенным образом элементов и устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. Теория цепей раздел теоретической электротехники, в котором рассматриваются математические методы вычисления электрических… … Энциклопедия Кольера
измерения аэродинамические Энциклопедия «Авиация»
измерения аэродинамические - Рис. 1. измерения аэродинамические процесс нахождения опытным путём значений физических величин в аэродинамическом эксперименте с помощью соответствующих технических средств. Различают 2 типа И. а.: статические и динамические. При… … Энциклопедия «Авиация»
Электрические - 4. Электрические нормы проектирования радиотрансляционных сетей. М., Связьиздат, 1961. 80 с.
При изучении электротехники приходится иметь дело с электрическим, магнитными и механическими величинами и измерять эти величины.
Измерить электрическую, магнитную или какую-либо иную величину - это значит сравнить ее с другой однородной величиной, принятой за единицу.
В этой статье рассмотрена классификация измерений, наиболее важная для . К такой классификации можно отнести классификацию измерений с методологической точки зрения, т. е. в зависимости от общих приемов получения результатов измерений (виды или классы измерений), классификацию измерений в зависимости от использования принципов и средств измерений (методы измерений) и классификацию измерений в зависимости от динамики измеряемых величин.
В зависимости от общих приемов получения результата измерения делятся на следующие виды: прямые, косвенные и совместные.
К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой Y = Х, где Y - искомое значение измеряемой величины; X -значение, непосредственно получаемое из опытных данных. К этому виду измерений относятся измерения различных физических величин при помощи приборов, градуированных в установленных единицах.
Например, измерения силы тока амперметром, температуры - термометром и т. д. К этому виду измерений относятся и измерения, при которых искомое значение величины определяется непосредственным сравнением ее с мерой. Применяемые средства и простота (или сложность) эксперимента при отнесении измерения к прямому не учитываются.
Косвенным
называется такое измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях числовое значение
измеряемой величины определяется путем вычисления по формуле Y = F(Xl, Х2 ... Хn
), где Y
- искомое значение измеряемой величины; Х1
, Х2, Хn
- значения измеренных величин.
В качестве примера косвенных измерений можно указать на измерение мощности в цепях постоянного тока амперметром и вольтметром.
Совместными измерениями называются такие, при которых искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами. В качестве примера совместных измерений можно привести определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление резистора с его температурой: Rt = R20
Методы электрических измерений
В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения.
Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина.
Простейшим примером метода непосредственной оценки может служить измерение какой-либо величины одним прибором, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах.
Вторая большая группа методов электрических измерений объединена под общим названием методов сравнения . К ним относятся все те методы электрических измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Таким образом, отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.
Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.
Нулевой метод - это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким образом, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи или напряжения на нем, что может быть зафиксировано при помощи служащих для этой цели приборов - нуль-индикаторов. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также потому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, получается и большая точность измерений.
Примером применения нулевого метода может быть измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
При дифференциальном методе , так же как и при нулевом, измеряемая величина сравнивается непосредственно или косвенно с мерой, а о значении измеряемой величины в результате сравнения судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов и по известной величине, воспроизводимой мерой. Таким образом, в дифференциальном методе происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального метода от нулевого.
Дифференциальный метод сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и часть признаков нулевого метода. Он может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга.
Например, если разность этих двух величин равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01%, если не учитывать погрешности меры. Примером применения дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое является искомой величиной.
Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины прибором и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По результатам двух измерений может быть вычислена искомая величина. Вследствие того что оба измерения делаются одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Так как погрешность прибора обычно неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.
Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производиться от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изменяемым и образцовым сопротивлениями.
Метод совпадений - это такой метод, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко применяется в практике неэлектрических измерений.
Примером может служить измерение длины . В электрических измерениях в качестве примера можно привести измерение частоты вращения тела стробоскопом.
Укажем еще классификацию измерений по признаку изменения во времени измеряемой величины . В зависимости от того, изменяется ли измеряемая величина во времени или остается в процессе измерения неизменной, различаются статические и динамические измерения. Статическими называются измерения постоянных или установившихся значений. К ним относятся и измерения действующих и амплитудных значений величин, но в установившемся режиме.
Если измеряются мгновенные значения изменяющихся во времени величин, то измерения называются динамическими . Если при динамических измерениях средства измерений позволяют непрерывно следить за значениями измеряемой величины, такие измерения называются непрерывными.
Можно осуществить измерения какой-либо величины путем измерений ее значений в некоторые моменты времени t1 , t2 и т. д. В результате окажутся известными не все значения измеряемой величины, а лишь значения в выбранные моменты времени. Такие измерения называются дискретными .
Сопротивление, емкость и индуктивность суть основные параметры электрических цепей, с измерением которых часто приходится встречаться на практике. Известно много методов их измерения, а приборостроительная промышленность выпускает для этой цели средства измерения широкой номенклатуры. Выбор того или иного метода измерения и измерительной аппаратуры зависит от вида измеряемого параметра, его значения, требуемой точности измерения, особенностей объекта измерения и т. п. Например, измерение сопротивлений твердых проводников, как правило, производится на постоянном токе, поскольку прибор для измерений в этом случае проще по конструкции и дешевле, чем аналогичный прибор для измерений на переменном токе. Однако измерение в средах, имеющих высокую влажность, или сопротивлений заземлений производится только на переменном токе, так как результат измерения на постоянном токе будет содержать большие погрешности из-за влияния электрохимических процессов.
Основные методы и средства измерения сопротивления электрической цепи постоянному току
Диапазон измеряемых на практике сопротивлений широк (от 10 8 до 10 ь Ом), и его условно делят по значениям сопротивлений на малые (менее 10 Ом), средние (от 10 до 10 6 Ом) и большие (свыше 10 6 Ом), в каждой из которых измерение сопротивлений имеет свои особенности.
Сопротивление - параметр, проявляющийся только при прохождении в цепи электрического тока, поэтому измерения проводятся в работающем устройстве или используется измерительный прибор с собственным источником тока. Необходимо позаботиться о том, чтобы полученная электрическая величина правильно отражала только измеряемое сопротивление и не содержала излишней информации, которая воспринимается как погрешность измерения. Рассмотрим с этой точки зрения особенности измерения малых и больших сопротивлений.
При измерении малых сопротивлений, например обмоток трансформаторов или коротких проводов, через сопротивление пропускается ток, а возникшее на этом сопротивлении падение напряжения измеряется. На рис. 10.1 показана схема соединений при измерении сопротивления К х короткого проводника. Последний подключается к источнику тока I посредством двух соединительных проводников с собственным сопротивлением Я п. В местах соединения этих проводников с измеряемым сопротивлением образуются переходные сопротивления контактов /? к. Значение Я и зависит от материала соединительного проводника, его длины и сечения, значение /? к - от площади соприкасающихся частей, их чистоты и силы сжатия. Таким образом, числовые значения Я и и зависят от многих причин и определить их заранее трудно, но им можно дать примерную оценку. Если соединительные проводники выполнены коротким медным проводом с сечением в несколько квадратных милли-
Рис. 10.1.
проводника
метров, а контактные сопротивления имеют чистую и хорошо сжатую поверхность, то для приближенных оценок можно принять 2(Я и + Я к) * 0,01 Ом.
В качестве измеряемого напряжения в схеме рис. 10.1 можно использовать 11 п, И 22 или?/ 33 . Если выбрано II п, то результат измерения отражает полное сопротивление цепи между зажимами 1-Г:
Яц = ?/,//= Яд+ 2(Л И + Л К).
Здесь второе слагаемое представляет собой погрешность, относительное значение которой 5 в процентах равно:
5 = Я{Х ~ Ях 100 = 2 Кп + Як 100.
к х * х
При измерении малых сопротивлений эта погрешность может быть большой. Например, если принять 2(Я и + Я к) * 0,01 Ом, а Я х = 0,1 Ом, то 5 * 10 %. Погрешность 5 уменьшится, если в качестве измеряемого напряжения выбрать и 22:
Я 22 = и 22 /1 = Я х + 2Я К.
Здесь сопротивление подводящих проводов исключается из результата измерения, но остается влияние Л к.
Результат измерения будет полностью свободен от влияния Я п и Я к, если в качестве измеряемого напряжения выбрать?/ 33 .
Схему включения Я х в таком случае называют четырехзажимной: первая пара зажимов 2-2" предназначена для подвода тока и называется токовыми зажимами, вторая пара зажимов 3-3" - для съема напряжения с измеряемого сопротивления и называется потенциальными зажимами.
Применение токовых и потенциальных зажимов при измерении малых сопротивлений является основным приемом для устранения влияния соединительных проводов и переходных сопротивлений на результат измерения.
При измерении больших сопротивлений, например сопротивлений изоляторов, поступают так: к объекту прикладывают напряжение, а возникший ток измеряют и по нему судят о значении измеряемого сопротивления.
При испытании диэлектриков следует иметь в виду, что их электрическое сопротивление зависит от многих условий - окружающей температуры, влажности, утечек по грязной поверхности, значения испытательного напряжения, продолжительности его действия и т. д.
Измерение сопротивления электрической цепи постоянному току на практике производится наиболее часто методом амперметра и вольтметра, логометрическим или мостовым методом.
Метод амперметра и вольтметра. Этот метод основан на раздельном измерении тока I в цепи измеряемого сопротивления К х и напряжения и на его зажимах и последующем вычислении значения по показаниям измерительных приборов:
Я х = и/і.
Обычно ток / измеряют амперметром, а напряжение и - вольтметром, этим объясняется название метода. При измерении высокоомных сопротивлений, например сопротивления изоляции, ток / мал и его измеряют миллиамперметром, микроамперметром или гальванометром. При измерении низкоомных сопротивлений, например куска провода, оказывается малым значение и и для его измерения применяют милливольтметры, микровольтметры или гальванометры. Однако во всех этих случаях метод измерения сохраняет свое наименование- амперметра и вольтметра. Возможные схемы включения приборов показаны на рис. 10.2, а, б.
Рис. 10.2. Схемы для измерений малых (а) и больших (б) сопротивлений
методом амперметра и вольтметра
Достоинство метода заключается в простоте его реализации, недостаток - в сравнительно невысокой точности результата измерения, которая ограничена классом точности применяемых измерительных приборов и методической погрешностью. Последняя обусловлена влиянием мощности, потребляемой измерительными приборами в процессе измерения, другими словами - конечным значением собственных сопротивлений амперметра Я А и вольтметра Я у.
Выразим методическую погрешность через параметры схемы.
В схеме рис. 10.2, а вольтметр показывает значение напряжения на зажимах Я х, а амперметр - сумму токов 1 У + /. Следовательно, результат измерения Я, вычисленный по показаниям приборов, будет отличаться от Я х:
л _ и и Я*
I + 1 У и/Я х + и Я у 1 + Я х /Я у "
Относительная погрешность измерения в процентах
- 1 + Я х /Я у
Здесь приближенное равенство справедливо, так как при правильной организации эксперимента предполагается выполнение условия Я у » Я х.
В схеме рис. 10.2, 6 амперметр показывает значение тока в цепи с Я х, а вольтметр - сумму падений напряжений на Я х и и амперметре и А. Учитывая это, можно по показаниям приборов вычислить результат измерения:
+ Я А.
Ц +Ц л
Относительная погрешность измерения в процентах в данном случае равна:
Из полученных выражений для относительных погрешностей видно, что в схеме рис. 10.2, а на методическую погрешность результата измерения оказывает влияние только сопротивление Я у; для снижения этой погрешности необходимо обеспечить условие Я х « Я у. В схеме рис. 10.2, б на методическую погрешность результата измерения оказывает влияние только Я А; снижение этой погрешности достигается выполнением условия Я х » Я А. Таким образом, при практическом использовании данного метода можно рекомендовать правило: измерение малых сопротивлений следует производить по схеме рис. 10.2, а при измерении больших сопротивлений предпочтение следует отдавать схеме рис. 10.2, б.
Методическую погрешность результата измерения можно исключить путем введения соответствующих поправок, но для этого необходимо знать значения Я А и Я у. Если они известны, то из результата измерения по схеме рис. 10.2, б следует вычесть значение Я А; в схеме рис. 10.2, а результат измерения отражает параллельное соединение сопротивлений Я х и Я у, поэтому значение Я х вычисляется по формуле
Если при данном методе применить источник питания с заранее известным напряжением, то необходимость измерения напряжения вольтметром отпадает, а шкалу амперметра можно сразу отградуировать в значениях измеряемого сопротивления. На этом принципе основано действие многих моделей выпускаемых промышленностью омметров непосредственной оценки. Упрощенная принципиальная схема такого омметра показана на рис. 10.3. Схема содержит источник ЭДС?, добавочный резистор Я д и амперметр (обычно микроамперметр) А. При подключении к зажимам схемы измеряемого сопротивления Я х в цепи возникает ток I, под действием которого подвижная часть амперметра поворачивается на угол а, а его указатель отклоняется на а делении шкалы:
С/ Я а + Я А + Я х
где С, - цена деления (постоянная) амперметра; Я А - сопротивление амперметра.
Рис. 10.3. Принципиальная схема омметра с последовательным включением
измеряемого сопротивления
Как видно из этой формулы, шкала омметра нелинейна, и стабильность градуировочной характеристики требует обеспечения стабильности всех величин, входящих в уравнение. Между тем источник питания в такого рода приборах обычно реализуется в виде сухого гальванического элемента, ЭДС которого падает по мере его разряда. Ввести поправку на изменение?, как видно из уравнения, можно путем соответствующей регулировки С„ или Я я. В некоторых омметрах С, регулируется путем изменения индукции в зазоре магнитной системы амперметра с помощью магнитного шунта.
В этом случае поддерживается постоянство отношения ё/С, и градуировочная характеристика прибора сохраняет свое значение независимо от значения ё. Регулировка С, производится так: зажимы прибора, к которым подключается К х, замыкаются накоротко (Я х = 0) и регулировкой положения магнитного шунта добиваются установки указателя амперметра на нулевую отметку шкалы; последняя расположена на крайней правой точке шкалы. На этом регулировка заканчивается, и прибор готов к измерению сопротивлений.
В комбинированных приборах ампервольтомметрах регулировка С, недопустима, так как это приведет к нарушению градуировки прибора в режимах измерений токов и напряжений. Поэтому в таких приборах поправку на изменение ЭДС ё вводят регулировкой сопротивления переменного добавочного резистора Процедура регулировки та же, что и в приборах с регулируемой магнитным шунтом магнитной индукцией в рабочем зазоре. В этом случае градуировочная характеристика прибора изменяется, что приводит к дополнительным методическим погрешностям. Однако параметры схемы выбираются так, чтобы указанная погрешность была небольшой.
Возможен другой способ подключения измеряемого сопротивления - не последовательно с амперметром, а параллельно ему (рис. 10.4). Зависимость между Я х и углом отклонения подвижной части в данном случае также нелинейна, однако нулевая отметка на шкале расположена слева, а не справа, как это имеет место в предыдущем варианте. Такой способ подключения измеряемого сопротивления применяется при измерении малых сопротивлений, так как позволяет ограничить потребляемый ток.
Электронный омметр может быть реализован на базе усилителя постоянного тока с большим коэффициентом усиления, на-
Рис. 10.4.
измеряемого сопротивления
пример, на операционном усилителе (ОУ). Схема такого прибора показана на рис. 10.5. Его главное достоинство - линейность шкалы для отсчета результатов измерений. ОУ охвачен отрицательной обратной связью через измеряемый резистор Я х, питающее стабилизированное напряжение?/ 0 подано на вход усилителя через вспомогательный резистор /?, а к выходу подключен вольтметр РУ При большом собственном коэффициенте усиления ОУ, низком выходном и высоком входном его сопротивлениях, выходное напряжение ОУ есть:
и для заданных значений и 0 и /?, шкалу измерительного прибора можно проградуировать в единицах измерения сопротивления для отсчета значения К х, причем она будет линейной в пределах изменения напряжения от 0 до?/ вых тах - максимального напряжения на выходе ОУ.
Рис. 10.5. Электронный омметр
Из формулы (10.1) видно, что максимальное значение измеряемого сопротивления есть:
«, т „ =-«,%="? 00.2)
Для изменения пределов измерений переключают значения сопротивления резистора /?, или напряжения?/ 0 .
При измерении низкоомных сопротивлений можно в схеме поменять местами измеряемый и вспомогательный резисторы. Тогда выходное напряжение будет обратно пропорционально величине Я х:
и шх =-и 0 ^. (10.3)
Следует заметить, что данный способ включения не позволяет измерять низкоомные сопротивления менее десятков Ом, поскольку внутреннее сопротивление источника опорного напряжения, которое составляет доли или единицы Ом, оказывается включенным последовательно с измеряемым сопротивлением и вносит существенную погрешность в измерения. Кроме того, в этом случае теряется основное преимущество прибора - линейность отсчета измеряемого сопротивления, а сдвиг нуля и входной ток усилителя могут вносить существенные ошибки
Рассмотрим специальную схему для измерения малых сопротивлений, свободную от этих недостатков (рис. 10.6). Измеряемый резистор Я х вместе с резистором Я 3 образует делитель напряжения на входе ОУ. Напряжение на выходе схемы в этом случае равно:
Рис. 10.6.
Если выбрать » Я х, то выражение упростится и шкала прибора будет линейной относительно Я х:
Электронный омметр не позволяет измерять реактивные сопротивления, так как включение измеряемой индуктивности или
емкости в схему изменит фазовые соотношения в цепи обратной связи ОУ и формулы (10.1)-(10.4) станут неверными. Кроме того, ОУ может потерять устойчивость, и в схеме возникнет генерация.
Логометрический метод. Этот метод основан на измерении отношения двух токов /, и / 2 , один из которых протекает по цепи с измеряемым сопротивлением, а другой - по цепи, сопротивление которой известно. Оба тока создаются одним источником напряжения, поэтому нестабильность последнего практически не влияет на точность результата измерения. Принципиальная схема омметра на основе логометра представлена на рис. 10.7. Схема содержит измерительный механизм на основе логометра, магнитоэлектрической системы с двумя рамками, одна из которых при протекании тока создает отклоняющий, а другая - возвращающий момент. Измеряемое сопротивление может быть включено последовательно (рис. 10.7, а) или параллельно (рис. 10.7, б) относительно рамки измерительного механизма.
Рис. 10.7. Схемы омметров на основе логометра для измерения больших (а)
и малых (б) сопротивлений
Последовательное включение применяется при измерении средних и больших сопротивлений, параллельное - при измерении малых сопротивлений. Рассмотрим работу омметра на примере схемы рис. 10.7, а. Если пренебречь сопротивлением обмоток рамок логометра, то угол поворота подвижной части а зависит только от отношения сопротивлений: где /, и / 2 - токи через рамки логометра; Я 0 - сопротивление рамок логометра; /?, - известное сопротивление; Я х - измеряемое сопротивление.
Сопротивлением резистора /?, задается диапазон измеряемых омметром сопротивлений. Напряжение питания логометра влияет на чувствительность его измерительного механизма к изменению измеряемого сопротивления и не должно быть ниже определенного уровня. Обычно напряжение питания логометров устанавливают с некоторым запасом для того, чтобы его возможные колебания не влияли на точность результата измерения.
Выбор напряжения питания и способ его получения зависят от назначения омметра и диапазона измеряемых сопротивлений: при измерении малых и средних сопротивлений применяют сухие батареи, аккумуляторы или источники питания от промышленной сети, при измерении больших сопротивлений - специальные генераторы с напряжением 100, 500, 1000 В и более.
Логометрический метод применен в мегаомметрах ЭС0202/1Г и ЭС0202/2Г с внутренним электромеханическим генератором напряжения. Они применяются для измерения больших (10..10 9 Ом) электрических сопротивлений, для измерения сопротивления изоляции электрических проводов, кабелей, разъемов, трансформаторов, обмоток электрических машин и других устройств, а также для измерения поверхностных и объемных сопротивлений изоляционных материалов.
При измерении с помощью мегаомметра сопротивления электрической изоляции следует учитывать температуру и влажность окружающего воздуха, от значения которых зависят возможные неконтролируемые утечки тока.
Цифровые омметры применяются в научно-исследовательских, поверочных и ремонтных лабораториях, на промышленных предприятиях, изготовляющих резисторы, т. е. там, где требуется повышенная точность измерений. В этих омметрах предусматривается ручное, автоматическое и дистанционное управление диапазонами измерений. Вывод информации о диапазоне измерений, числовом значении измеряемой величины производится в параллельном двоично-десятичном коде.
Структурная схема омметра Щ306-2 представлена на рис. 10.8. Омметр включает в себя блок преобразования /, блок индикации 10, блок управления 9, блок питания, микроЭВМ 4 и блок вывода результатов 11.
Рис. 10.8. Структурная схема омметра типа Щ306-2
Блок преобразования содержит входной масштабный преобразователь 2, интегратор 8 и блок управления 3. Измеряемый резистор 7 подключается в цепь обратной связи операционного усилителя. Через измеряемый резистор в зависимости от такта измерения пропускается ток, соответствующий диапазону измерения, включая дополнительный ток, вызванный смещением нуля операционных усилителей. С выхода масштабного преобразователя напряжение подается на вход интегратора, выполненного по принципу многотактного интегрирования с измерением величины разрядного тока.
Алгоритм управления обеспечивает работу масштабного преобразователя и интегратора, а также связь с микроЭВМ.
В блоке управления происходит заполнение интервалов времени тактовыми импульсами, поступающими затем на входы четырех счетчиков старших и младших разрядов. Информация, полученная на выходах счетчиков, считывается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) микроЭВМ.
Съем информации с блока управления о результате измерения и режиме работы омметра, обработка и приведение данных к виду, необходимому для индикации, математическая обработка результата, вывод данных во вспомогательное ОЗУ блока управления, управление работой омметра и другие функции возложены на микропроцессор 5, расположенный в блоке микро-ЭВМ. В этом же блоке находятся стабилизаторы 6 для питания устройств омметра.
Омметр построен на микросхемах повышенной степени интеграции.
Технические характеристики
Диапазон измерений 10Л..10 9 Ом. Класс точности для пределов измерений: 0,01/0,002 для 100 Ом; 0,005/0,001 для 1,10, 100 кОм; 0,005/0,002 для 1 МОм; 0,01/0,005 для 10 МОм; 0,2/0,04 для 100 МОм; 0,5/0,1 для 1 Гом (в числителе даны значения в режиме без накопления данных, в знаменателе - с накоплением).
Число десятичных разрядов: 4,5 в диапазонах с верхним пределом 100 МОм, 1 ГОм; 5,5 в остальных диапазонах в режиме без суммирования, 6,5 в режиме с суммированием.
Портативные цифровые мультиметры, например серии М83 производства Мазїес/і могут использоваться как омметры класса точности 1.0 или 2.5.
Варенье из черноплодной рябины с сахарным сиропом
Акафист сладчайшему господу нашему иисусу христу Когда можно читать акафист иисусу сладчайшему
Страховка компании ERV Есть ли альтернатива тому, что предлагают rent-a-car