4.2.Измерение напряжения и силы тока
4.2.1Электроизмерительные приборы
Измерение напряжения и силы тока относят к классическим видам электроизмерений. Этот вид измерений развивался одним из первых с появлением приборов, использующих электрическую энергию. В радиоизмерительной практике в последние годы получили распространение цифровые измерители напряжения и тока, использующие более совершенные процессорные и интегральные технологии. Тем не менее в промышленности еще эксплуатируется довольно значительное число аналоговых электроизмерительных приборов поколения «ретро». Очевидны преимущества приборов этого класса:
при производстве используются отлаженные технологические процессы;
простота эксплуатации и невысокая стоимость;
наглядность результата измерения (стрелочный индикатор воспринимается проще, чем индикация цифровая с разделением на запятые)
В последние годы у этих приборов появилось еще одно серьезное преимущество – помехоустойчивость. Электроизмерительные приборы как правило независимы от сетевого напряжения и невосприимчивы к различным видам помех, передающихся кондуктивно по сетевым линиям. Эти приборы мало чувствительны к электростатическим разрядам (ЭСР) и воздействию радиочастотных полей, что имеет несомненное преимущество при измерениях в условиях часто работающих сотовых телефонов.
Все это позволяет считать аналоговые измерители напряжения и тока базовыми измерительными приборами в радиоизмерениях.
Измерение напряжения и силы тока — наиболее распространенный вид измерений. В различных областях науки и техники эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот — от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более) и в большом диапазоне измеряемых значений напряжения и тока — соответственно от нановольт до сотен киловольт и от 10-16 до десятков и сотен ампер (при большом многообразии форм измеряемого напряжения и тока).
Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значений и полярности. Целью измерения переменных напряжения и силы тока является нахождение какого-либо их параметра.
Выбор метода и средств измерений напряжения и силы тока обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи, и т. д.
В зависимости от способа получения результата методы измерений делятся на прямые, при которых значение напряжения (тока) измеряется непосредственно, и косвенные, результат которых находится по результатам прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной той или иной функциональной зависимостью.
Оба класса приборов по системе отсчета показаний можно разделить на приборы с аналоговым отсчетом (аналоговые) и приборы с дискретным отсчетом (цифровые).
К приборам с аналоговым отсчетом следует отнести стрелочные приборы, приборы со световым указателем, приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием (имеющие реохорд) и самопишущие. К приборам с дискретным отсчетом следует отнести цифровые приборы и приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием, имеющие набор (магазин) переключаемых элементов. Результат измерений, проведенных такими приборами, выражен в виде дискретного (цифрового) кода.
Все электроизмерительные приборы по способу преобразования электромагнитной энергии, связанной с измеряемой величиной, в величину, позволяющую провести отсчет значений измеряемой величины, можно разделить на электромеханические, электротепловые, электронные и электронно-лучевые.
В электромеханических приборах для перемещения подвижной части прибора используются различные электромагнитные процессы. В зависимости от физического явления, используемого для преобразования подводимой электромагнитной энергии в механическую энергию перемещения подвижной части, приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические.
В электротепловых приборах для перемещения подвижной части прибора используется тепловое действие электрического тока.
Электронные приборы представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерителя (аналогового или цифрового).
Электронно-лучевые приборы используют подводимую энергию электромагнитного поля для перемещения электронного луча в электронной трубке. Это перемещение пропорционально значению измеряемой величины.
В общем виде структурная схема аналогового электроизмерительного прибора непосредственной оценки состоит из входного устройства, измерительного преобразователя, измерительного механизма и отсчетного устройства (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Структурная схема аналогового измерительного прибора непосредственной оценки
Входное устройство и измерительный преобразователь преобразуют измеряемую величину x{t) в некоторую промежуточную величину y(t), находящуюся в определенной функциональной зависимости от измеряемой величины и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.
По принципу действия и конструктивным особенностям измерительные преобразователи, применяемые в измерительной цепи, можно разделить на выпрямительные, термоэлектрические, электронные.
Измерительный механизм преобразует подводимую электрическую энергию, определяющую величину y(t), в механическую энергию перемещения подвижной части механизма. При этом между перемещением подвижной части механизма и измеряемой величиной должна существовать однозначная зависимость.
Для измерения напряжения и силы постоянного и переменного токов применяются все перечисленные виды приборов.
Электромеханические приборы самостоятельное применение находят преимущественно в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока промышленной частоты и представляют собой сочетание измерительного механизма и отсчетного устройства. У большинства конструкций электроизмерительных приборов непосредственной оценки энергия измеряемой величины преобразуется в энергию перемещения подвижной части измерительного механизма. Оценки классифицируются по принципу действия (по системам). Название системы соответствует характеру явления, используемого для преобразования электрической величины, подводимой к прибору,
Электроизмерительные приборы непосредственной перемещение его подвижной части. В соответствии с этим различают приборы следующих систем:
магнитоэлектрической; подвижная часть приборов этой системы отклоняется в результате взаимодействия поля постоянного магнита и контура с протекающим по нему током.
Магнитоэлектрические приборы применяются как самостоятельно, так и в сочетании с различными преобразователями переменного тока в постоянный, при измерении переменного тока и напряжения. В качестве преобразователей могут использоваться термопары (приборы термоэлектрической системы), детекторы (выпрямительная система) и электронные преобразователи (электронные приборы);
электромагнитной; в приборах этой системы подвижная часть отклоняется в результате взаимодействия магнитного поля катушки с протекающим по ней током и ферромагнитного сердечника;
электродинамической; принцип действия в приборах этой системы основан на взаимодействии неподвижной и подвижной катушек с протекающими по ним токами. Разновидностью этой системы является ферродинамическая система;
индукционной; приборы этой системы содержат катушки, питаемые переменным током и создающие переменные магнитные поля. Эти поля наводят токи в подвижной части прибора, которые взаимодействуют с магнитными потоками, в результате чего подвижная часть перемещается;
электростатической; подвижная часть приборов этой системы перемещается в результате взаимодействия электрически заряженных проводников;
тепловой; в этих приборах подвижная часть отклоняется в результате удлинения проводника, нагреваемого протекающим по нему током;
вибрационной; принцип действия этой системы основан на явлении механического резонанса.
Термоэлектрические приборы представляют собой сочетание термопреобразователя с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Принцип действия термоэлектрического измерительного преобразователя основан на двух физических явлениях: выделении тепла при прохождении по проводнику электрического тока и появлении ЭДС постоянного тока при нагревании места соединения двух различных металлов.
По принципу действия термоприборы являются измерителями тока, протекающего по нагревателю термопреобразователя. При протекании по нагревателю измеряемого тока ix выделяется тепло, под действием которого нагревается сплав термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС. Термо-ЭДС Ет пропорциональна количеству тепла Q, выделяемому нагревателем, т.е. Eт = k1Q. Количество тепла, в свою очередь, пропорционально квадрату измеряемого тока:
Q = k2 ix2
Величина тока в цепи измерительного механизма
iи = ET/r = (k1k2 ix2)/r,
где r — полное сопротивление цепи измерительного механизма.
Угол отклонения подвижной части прибора
α = S1 iИ = S1k1k2 ix2/r = k ix2,
где S1 — чувствительность магнитоэлектрического механизма к току; k — постоянный коэффициент, зависящий от свойств термопары и параметров измерительного механизма.
Таким образом, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату силы тока, протекающего через нагреватель. Термоприборы пригодны для измерения в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала приборов градуируется в среднеквадратических значениях тока или напряжения и имеет квадратический характер.
Электронные приборы для измерения тока и напряжения представляют собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического или цифрового измерителя (отсчетного устройства).
Свойства электронных амперметров и вольтметров определяются входной схемой, полным входным сопротивлением, схемой преобразователя, характером шкалы, чувствительностью, зависимостью показаний от формы и частоты измеряемого сигнала, пределом измерения, погрешностью.
По способу отсчета электронные приборы разделяют на цифровые и аналоговые. Цифровые вольтметры (амперметры) в отличие от аналоговых содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и устройство цифрового отсчета. Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения напряжений и других электрических и неэлектрических величин. Цифровые приборы позволяют обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых величин, автоматическую коррекцию погрешности, высокую точность измерений в широком диапазоне измеряемых величин, выдачу результатов измерения в цифровом виде, ввод измерительной информации в ЭВМ и информационно-измерительные системы по каналу общего пользования.
Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот и импульсных.
Наиболее высокая точность измерений достигнута в цепях постоянного тока. При измерении в цепях переменного тока точность измерений понижается с повышением частоты; здесь кроме оценки среднеквадратического, средневыпрямленного, среднего и максимального значений иногда требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжений.
Рис. 3.2. Схема измерения методом непосредственной оценки: а) тока; б) напряжения