Измерение ЭДС — EMF measurement

Измерения ЭДС — это измерения окружающих (окружающих) электромагнитных полей , которые выполняются с помощью определенных датчиков или зондов, таких как измерители ЭДС. Эти зонды можно в целом рассматривать как антенны, хотя и с разными характеристиками. Фактически, зонды не должны возмущать электромагнитное поле и должны предотвращать взаимодействие и отражение в максимально возможной степени, чтобы получить точные результаты. Существует два основных типа измерений ЭДС:

• широкополосные измерения : выполняются с использованием широкополосного зонда, то есть устройства, которое определяет любой сигнал в широком диапазоне частот и обычно выполняется с помощью трех независимых диодных детекторов ;
• частотно-избирательные измерения : в которых измерительная система состоит из полевой антенны и частотно-избирательного приемника или анализатора спектра, позволяющего контролировать интересующий частотный диапазон.

Зонды ЭДС могут реагировать на поля только на одной оси или могут быть трехосными, показывая компоненты поля одновременно в трех направлениях. Активные пробники с усилением могут улучшить точность и чувствительность измерений, но их активные компоненты могут ограничивать скорость их отклика.

Содержание

Идеальные изотропные измерения

Измерения ЭДС производятся с помощью датчика электрического поля или датчика H-поля, который может быть изотропным или одноосным, активным или пассивным. Одноосный всенаправленный зонд — это устройство, которое воспринимает электрическое ( короткий диполь ) или магнитное поле, линейно поляризованное в заданном направлении.

Использование одноосного зонда подразумевает необходимость в трех измерениях, выполненных с осью датчика, установленной вдоль трех взаимно ортогональных направлений в конфигурации X, Y, Z. Например, его можно использовать в качестве зонда, который определяет составляющую электрического поля, параллельную направлению его оси симметрии. В этих условиях, где E — амплитуда падающего электрического поля, а θ — амплитуда угла между осью датчика и направлением электрического поля E, обнаруженный сигнал пропорционален | E | cos θ ( справа ). Это позволяет получить правильную полную амплитуду поля в виде

| E | знак равно E Икс 2 + E y 2 + E z 2 <\ displaystyle | E | = <\ sqrt ^ <2>+ E_ ^ <2>+ E_ ^ <2>>>>

или, в случае магнитного поля

| ЧАС | знак равно ЧАС Икс 2 + ЧАС y 2 + ЧАС z 2 <\ displaystyle | H | = <\ sqrt ^ <2>+ H_ ^ <2>+ H_ ^ <2>>>>

Изотропно (три-осевой) зонд упрощает процедуру измерения , поскольку общее значение поля определяется тремя мер , принимаемых без изменения положения датчика: эти результаты от геометрии устройства , которое производится с помощью трех независимых элементов широкополосного зондирования , сделанные ортогональны друг другу . На практике выход каждого элемента измеряется в трех последовательных временных интервалах, предполагая, что компоненты поля постоянны во времени.

Метры

ЭДС метр является научным прибором для измерения электромагнитных полей (сокращенно ЭДС). Большинство измерителей измеряют плотность потока электромагнитного излучения ( поля постоянного тока ) или изменение электромагнитного поля во времени ( поля переменного тока ), по сути так же, как радиоантенна, но с совершенно другими характеристиками обнаружения.

Две самые большие категории — это одноосные и трехосные. Одноосные измерители дешевле, чем трехосные, но для завершения обследования требуется больше времени, поскольку измеритель измеряет только одно измерение поля. Одноосные инструменты должны быть наклонены и повернуты по всем трем осям, чтобы получить полное измерение. Трехосевой измеритель измеряет все три оси одновременно, но эти модели, как правило, дороже.

Электромагнитные поля могут создаваться переменным или постоянным током. Измеритель ЭДС может измерять электромагнитные поля переменного тока, которые обычно излучаются искусственными источниками, такими как электропроводка, в то время как гауссметры или магнитометры измеряют поля постоянного тока, которые возникают естественным образом в геомагнитном поле Земли и излучаются из других источников, где присутствует постоянный ток.

Чувствительность и калибровка

Поскольку большинство электромагнитных полей, встречающихся в повседневных ситуациях, создается бытовыми или промышленными приборами, большинство доступных измерителей ЭДС откалиброваны для измерения переменных полей 50 и 60 Гц ( частота электросети в Европе и США ). Существуют и другие измерители, которые могут измерять поля, чередующиеся с частотой до 20 Гц, однако они, как правило, намного дороже и используются только для конкретных исследовательских целей.

Калибровка должна выполняться лабораторией, аккредитованной по стандарту ISO 17025, и сертификат калибровки должен быть выдан соответствующим образом, чтобы гарантировать, что инструменты, используемые для выполнения измерений ЭМП, являются точными и что результаты измерений прослеживаются.

Источник

Измерение ЭДС источника тока различными методами

Измерение ЭДС источника тока различными методами

Одним из необходимых условий существования электрического тока в цепи является наличие источника тока.

Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Внутри любого источника тока совершается работа по разделению разноимённых зарядов и накапливанию их на полюсах, в результате чего создаётся и поддерживается электрическое поле.

В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так. Более того, обычно используемые в быту источники электроэнергии по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока

Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

К ним относятся: электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Например, термоэлемент — две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент — при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

Химический источник тока — в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

Например, гальванический элемент — в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд — отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.
Аккумуляторы — в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.

Магнитогидродинамический генератор (МГД — генератор) — энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию

Принцип работы МГД-генератора, как и обычного машинного генератора, основан на явлении электромагнитной индукции, то есть — на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В отличие от машинных генераторов проводником в МГД-генераторе является само рабочее тело.

Рабочее тело движется поперёк магнитного поля, и под действием магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.

Сторонние силы — силы неэлектрической природы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока. Сторонними считаются все силы отличные от кулоновских сил, т. е.
любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (кулоновские силы), называются сторонними силами.

Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны движутся от положительного заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.

Природа сторонних сил может быть разнообразна. В генераторах электростанций сторонняя сила – сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике. В гальваническом элементе сторонними силами являются химические силы. Например, элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродом, помещенных в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая обуславливает ток в замкнутой электрической цепи.

В электрофорной машине сторонними сила являются силы трения.

В МГД сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на движущиеся заряды.

Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (ЭДС).

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

Методы определения ЭДС источника тока.

Прямой метод измерения ЭДС.

Собирая цепь по схеме:

Мы непосредственно измерили ЭДС источника тока при разомкнутом ключе. При замкнутом ключе вольтметр показал напряжение на внешнем участке цепи. Используя закон Ома для полной цепи, было рассчитано внутреннее сопротивление источника тока. Измерения проводились для трех батарей элементов.

Результаты измерения приведены в таблице №1:

Источник

Лабораторная работа №7 компенсационный метод измерения электродвижущей силы и сопротивления

Цель работы:изучение компенсационного метода измерений эдс и сопротивлений.

Принцип действия потенциометров постоянного тока

1. Как известно, электродвижущая сила источника тока равна разности потенциалов (или напряжению) на его полюсах в условиях, когда ток через источник не идет. Поэтому найти эдс можно, измерив значения потенциалов на полюсах разомкнутого источника, либо использовать замкнутую цепь, но при условии, что через источник, включенный в цепь, ток не идет. А это возможно тогда, когда эдс исследуемого источника компенсируется электродвижущей силой другого источника, равной по величине, но противоположной по знаку. Этот метод, называемыйкомпенсационным,обычно и используется для измерения эдс и напряжений (разности потенциалов). Так как напряжение на участке цепи равноIR(I — сила тока на участке,R — его сопротивление), то этот метод можно использовать и для измерения сопротивлений. Точные измерения сопротивления проводятся почти исключительно компенсационным методом.

2. Главной частью измерительной схемы, применяемой в компенсационном методе, является потенциометр. Схема потенциометра проста (рис.1). Источник эдс Eзамкнут на некоторое (обычно большое) сопротивлениеR. Схема позволяет получить любое из напряжений: от нуля до значения напряжения на полюсах источника. В самом деле, если мы возьмем на сопротивлении две точки, например, одну на одном из его контактов A и другую в любом местеa, то разность потенциалов между этими точками будет меньше, чем напряжение на полюсах источника во столько раз, во сколько сопротивление участкаAaменьше, чем все сопротивлениеR. Перемещая контакт aсопротивленияR, можно получить любую часть напряжения источникаЕ.Поэтому схему потенциометра часто называют также делителем напряжения. Она и используется в компенсационном методе измерения эдс. Часто сами устройства для измерения эдс этим методом называются потенциометрами.

Исследуемый источник эдс присоединяется к схеме потенциометра так, как показано на рис.2. Здесь E — источник эдс, входящий в схему потенциометра и являющийся для наших измерений вспомогательным. На схемах и на панелях компенсаторов он часто обозначаетсяБ — вспомогательная батарея, Е_x на нашем рисунке — исследуемый источник, эдс которого нужно измерить,G— гальванометр, присоединяемый к сопротивлениюRподвижным контактом.

Источник Е_x включается так, чтобы ток от него был направлен против тока от источникаЕ. Тогда, перемещая контакт вдольR, можно выделить такую долю эдс источникаЕ, которая равна эдс источникаE_x. При этом гальванометр покажет отсутствие тока в цепи исследуемого источника, а значит и в самом источнике: эдсЕ_xскомпенсирована частью эдс источникаЕ.

Если бы были известны точное значение эдсЕи доля этой эдс, выделенная для компенсации, то нам было бы известно и значениеЕ_x. Но точное значение эдсЕвспомогательного источника неизвестно, поэтому поступают следующим образом. Скомпенсировав эдсЕ_x определенной, но неизвестной долей эдс Е,отмечают ту часть сопротивленияR, которая при компенсации оказалась в цепи источникаE_x.Обозначим это сопротивлениеR_x. Затем заменяют источникЕ_xдругим источникомЕ_n(на рис.2 это показано пунктиром), представляющим собой так называемый нормальный элемент Вестона. Это гальванический элемент, эдс которого известна до пятого знака после запятой. Она составляет 1,01850 — 1,01870 вольта (последние два знака устанавливаются с учетом зависимости эдсЕ_nот температуры). После этого перемещением подвижного контакта снова добиваются компенсации, то есть отсутствия тока в гальванометре. Положение контакта и значение части сопротивленияR, включенной в цепьЕ_nбудет теперь иным. Обозначим это сопротивление черезR_n . Ток, текущий по сопротивлениюR, в обоих случаях один и тот же. Он называетсярабочим током.

Здесь I-рабочий ток, I_G иR_G— соответственно сила тока в гальванометре и его сопротивление. Так как при компенсации ток в гальванометре отсутствует, членI_GR_Gв обоих случаях равен нулю. Разделив эти два равенства одно на другое, получим:

Из этого выражения видно, что для вычисления Е_xнадо знать только отношениеR_x иR_n, а не каждое из них в отдельности.

Измерение отношения R_x/R_nнаиболее просто может быть реализовано, если сопротивлениеRвыполнено в виде проволоки постоянного сечения со скользящим по ней контактом (реохордом). В этом случае отношениеR_x/R_nбудет равно отношению длин участков проволокиL_xиL_n, входящих в контуры компенсируемых эдсЕ_xиЕ_n, то есть:

3. Описанный выше простейший способ применения компенсационного метода измерения эдс отличается малой точностью, так как невелика точность измерения длин L_x иL_n. Поэтому практически этот метод реализуется в другом варианте, схема которого представлена на рис.3. Здесь вместо реохорда используются магазины сопротивленийR₁иR₂. Они вместе с вспомогательным источникомЕи магазином сопротивленийRобразуют потенциометр (контур abcd), с помощью которого можно использовать часть напряжения источникаЕдля компенсации эдс источниковE_x иE_n. Напомним, что магазин сопротивлений — это набор большого числа сопротивлений, устроенный так, что в цепь можно вводить или выводить из нее любую часть набора. Использование магазинов сопротивлений как бы удлиняет реохорд, что сильно уменьшает относительную погрешность измеренияR_x иR_n . Так как значения сопротивлений, образующих набор магазинов известны с очень большой точностью, то и абсолютная погрешность очень мала.

С помощью ключаK₁источникиE_n иE_x присоединяются через гальванометр Gк потенциометру. В цепь гальванометра (для сохранности) включено сопротивлениеr, которое можно «выключить» замыканием ключаК₂. Как и в прежнем, «реохордном», варианте, значение эдсЕ_x определяется выражением (1), гдеR_x — часть сопротивления потенциометра, которая после компенсации Е_xоказывается включенной в цепь этой эдс, аR_n — при компенсацииE_n. Но теперь величинаR_n, выбирается численно равным тысячекратному значению эдс нормального элемента, т.е. около 1018 Ом. Такое сопротивление и устанавливается на магазинеR₁ (см. рис.3). Делается это вот для чего: когда эдсE_nскомпенсирована, выполняется условиеE_n = IR_n. ПосколькуR_n = 1000E_n, рабочий токI в цепиabcdравен 0,001A. Если после установления такого рабочего тока скомпенсировать эдсE_x,то будет справедливо равенство E_x= IR_x. Так какI = 0,001A, тоR_x = 1000E_n. Значит,R_xчисленно будет равно E_x, выраженной в милливольтах. Тем самым отпадает необходимость в каких-либо расчетах.

Измерение эдс по схеме рис.3 производится так: сначала устанавливается рабочий ток 1мA. Для этого ключ K₁ставится в положение1 (подключен нормальный элемент). Затем с помощью магазинаRдобиваются равенства тока нулю в гальванометре. Это и означает, что рабочий ток равен 1мA. Затем ключК₁ переводят в положение2(включена неизвестная эдс). После этого добиваются равенства тока в гальванометре нулю, но не магазиномR, а реохордом, которым выделяют из магазинаR₂ такую его часть, чтобы ток в гальванометре был равен нулю. Эта выделенная часть и естьR₁, т.е. после компенсацииE_x= IR_x. Но так какI=0,001A, тоR_xпросто равно выраженной в милливольтах электродвижущей силе E_x.

4. Точность описанного выше метода, однако, недостаточна для проведения прецизионных измерений. Дело в том, что, например, для измерения эдс с точностью до милливольта по схеме на рис.3 необходимо было бы использовать магазин сопротивлений R₂, позволяющий задавать сопротивление с точностью до 0,001 Ома. Магазины с такой высокой точностью практически нереализуемы. Поэтому для прецизионных измерений компенсационным методом применяется более сложная схема, приведенная на рис.4.

Как видно из рис.4, неизвестная эдс E_x компенсируется падением напряжения на магазинах сопротивленийR_2A,R_2B,R_2CиR_3C. КонтурA, в который включен магазинR_2A, есть не что иное, как контурabcdсхемы рис.3. Здесь, как и ранее, численное значениеR_1Aустанавливается равным тысячекратному значению эдс нормального элемента. Аналогично ток в контуреAи магазинеR_2Aустанавливается 1мA.

Ток в магазинах сопротивлений R_2B,R_2Cи R_3Cустанавливается соответственно I_2B = 0,1мA; I_2C = 0,001мA; I_3C = 0,0001мA. Не останавливаясь детально на методах установления этих токов, отметим только, что эта процедура в принципе аналогична процедуре установления тока в контуреA. Отличие заключается в том, что при установленииI_2Bв качествеЕ_n используется падение напряжения на определенной частиR_1A, по которому течет точно известный токI_1A =1мA. Установка токов в контуреCиспользует падение напряжения на точно известной частиR_2B, по которой течет I_2B = 0,1мA.

Если неизвестная эдс скомпенсирована, то величина Е_xравна:

Здесь индекс «x» употребляется для обозначения части сопротивления магазиновR_2A, R_2B, R_2C иR_3C, используемых для компенсации эдс E_x. С помощью магазинаR_2Aможно установить значение(R_2A)_x в пределах 10 — 2110 Ом и изменять его с шагом в 10 Ом, т.е. магазиномR_2Aможно скомпенсироватьE_x с точностью до 10 мВ. Значение(R_2B)_xможно варьировать в пределах 10 — 110 Ом с шагом 1 Ом, что дает возможность этим магазином проводить компенсацию с точностью до 0,1мВ. В тех же пределах с таким же шагом изменяется величина магазинаR_2C, что обеспечивает точность компенсации 0,001мВ. И, наконец, с помощью магазинаR_3C(пределы варьирования от 1 до 10 Ом) достигается точность компенсации 0,0001мВ.

5. Как указывалось, компенсационным методом можно измерять не только электродвижущую силу, но и разность потенциалов на каком-либо участке электрической цепи, по которой течет ток. Присоединив такой участок к потенциометру (к клеммам «X«), можно уже описанным методом измерить разность потенциалов на его концах. По закону Ома она равнаIR, гдеI— сила тока на участке иR— его сопротивление. Если сила тока известна, то легко вычислить и сопротивление участка. Но точность измерения тока обычно невелика. Поэтому и точность измерения сопротивления этим способом будет небольшая. Можно, однако, обойтись и без измерения силы тока, а воспользоваться нормальным или эталонным сопротивлением. Нормальные сопротивления выпускаются в виде катушек из проволоки или ленты, изготовляемых из сплавов, сопротивление которых слабо зависит от температуры. Величины этих сопротивлений известны с очень большой точностью (значительно большей, чем точность измерения силы тока). Катушки помещаются в металлические цилиндры, поверхность которых хорошо отражает (чтобы избежать нагрева). На крышку цилиндра выведены 4 клеммы. Две из них, большие по размеру, служат для включения сопротивления в цепь, две другие — для присоединения к компенсатору. Первые называются токовыми, вторые —потенциальными. На верхней крышке цилиндра указано значение сопротивления.

Для измерения с их помощью неизвестного сопротивления поступают так. Собирают цепь, показанную на рис.5. Здесь U — некоторый источник тока,R_n— нормальное сопротивление,R_x — измеряемое сопротивление. Оба сопротивления — измеряемое и нормальное включены в цепь источникаUпоследовательно и сила тока в них одна и та же. Если разность потенциалов на концах неизвестного сопротивления равнаU_x, а нормального —U_n, то можно записать:

где I— сила тока в цепи, содержащей оба сопротивления. Разделив эти равенства друг на друга, получаем

При измерении неизвестного сопротивления удобнее использовать нормальное сопротивление того же порядка величины, что и неизвестное. Нормальные сопротивления изготавливаются от значения 10 -5 до значения 10 5 Ом. Имея такой набор нормальных сопротивлений, всегда можно выбрать наиболее подходящее.

Если разность потенциалов на концах исследуемого или нормального сопротивления больше, чем предельное напряжение, которое можно измерять на потенциометре, то можно воспользоваться делителем напряжения и измерять часть (известную) этой разности потенциалов. Дополнительное сопротивлениеR включено в цепь для того, чтобы уменьшить силу тока в ней. Оно, разумеется, никак не влияет на результат измерения сопротивленияR_x.

Источник

Датчики ЭДС

Системы автоматизации различных технологических процессов невозможно построить без применения разнообразных датчиков. Датчик – ключевой элемент измерительных и регулирующих устройств. Он преобразует воздействие измеряемой физической величины (температуры, давления и т. д.) в удобный для передачи и обработки электрический сигнал.

Датчики ЭДС – служат для регистрации ЭДС (электродвижущей силы) возникающей, когда в цепи появляется разность потенциалов.

Что такое ЭДС

Электродвижущая сила – это физическая величина, которая отражает работу сторонних (необязательно электромагнитных) сил, влияющих на цепи переменного и постоянного тока. Измеряется она в Вольтах, но с напряжением имеет мало общего.

В отличие от ЭДС, напряжение отражает силу действия электрического поля на заряженные частицы. ЭДС может порождаться не только электрическим полем, но и магнитным, воздействием температуры, света и другими силами.

Для лучшего понимания природы ЭДС можно взять простейший пример – «условный» проводник, на концах которого появилась разность потенциалов. В результате по нему пойдет электроток и будет протекать, пока потенциалы не уравновесятся. Чем выше будет разность – тем выше будет напряжение.

Но напряжение в нашем примере будет постепенно падать, по мере выравнивания потенциалов. Если же к проводнику приложить некую силу, которая совершит работу по поддержанию разницы потенциалов, ток в проводнике будет сохраняться, пока действует эта сила, его параметры будут зависеть от него. Эту работу и называют ЭДС.

ЭДС может возникать под воздействием разных факторов (температуры, магнитного поля, света), что позволяет создать большое количество разнообразных датчиков ЭДС.

Как работают датчики ЭДС

Принцип работы таких сенсоров прост – под воздействием измеряемой величины в датчике возникает ЭДС, которая создает разность потенциалов и приводит к возникновению электрического тока.

Напряжение и сила тока будут меняться в зависимости от величины измеримого параметра. Регистрируя эту информацию, можно получить точные данные о температуре, давлении, и других величинах (в зависимости от конструкции конкретного сенсора).

Разновидности ЭДС-датчиков

В зависимости от природы возникновения ЭДС они бывают:

• Химическими. Регистрируют ЭДС возникающую при протекании химических реакций. Часто используются для контроля разрядки/зарядки аккумуляторов, для автоматизации управления химическими производственными циклами.
• Термическими. Позволяют точно измерить температуру. Используются в металлургии, газовых котлах, водонагревателях.
• Фотоэлектронными. Основаны на регистрации фотоэффекта (возникновения электрического тока под действием квантов света).
• Основанными на эффекте Холла. Регистрируется электрически ток в проводнике, помещенном в постоянное магнитное поле. Широко применяются в автомобилестроении, присутствуют в большинстве современных смартфонов (цифровой компас).
• Пьезоэлектрическими. Позволяют регистрировать механические колебания, силу растяжения либо сжатия, приложенную к особым материалам (чаще всего кристаллам кварца).

Наиболее распространены термические ЭДС датчики (термопары) и датчики Холла. Они отличаются простой конструкцией, широким спектром применения и высокой точностью измерения.

Особенности работы термопар (термоэлектрических преобразователей)

Термопары представляют собой две проволоки, изготовленные из разных металлов либо их сплавов. Одни их концы образуют «горячий/рабочий пай», в этом месте их соединяют путем:

Свободные концы представляют собой «холодный/опорный пай». К нему же крепятся провода, ведущие к измерительному устройству либо управляющей автоматике.

При соединении разнородных металлов/сплавов в точках спаек образуется термо-ЭДС. Но если контакты электродов имеют одинаковую температуру, ЭДС горячего и холодного пая компенсируют друг друга. Если же температура горячей спайки изменяется, возникает разность потенциалов и по цепи начинает идти ток, регистрируя который можно с высокой точностью измерить температуру.

Таблица рабочих диапазонов основных типов термопар

При использовании термопары важно обеспечить постоянную температуру в области холодной пайки. От этого зависит точность показаний сенсора. Если температура «холодного пая» будет колебаться, в работе устройства возникнут нежелательные помехи и сильно врастет погрешность измерения.

К основным преимуществам термопар относят:

1. Высокая точность измерения.
2. Широкий диапазон измеряемой температуры.
3. Простая конструкция, обслуживание.
4. Высокая надежность.

Приобрести сенсоры термо-ЭДС можно в компании «Градиентех». Компания предлагает надежные устройства бескорпусного типа для различных условий работы.

На что обращать внимание при выборе термопары

Чтобы правильно выбрать датчик термо-ЭДС, необходимо учитывать:

1. Измеряемый диапазон температуры. Каждая разновидность сенсора имеет типичный рабочий диапазон, при выходе за его пределы устройство прекратит работу, либо выдаст недостоверные показатели.
2. Соответствие конструкции датчика условиям эксплуатации. Для работы в агрессивных средах, способных нанести повреждение термопаре, нужно выбирать устройства, оснащенные керамической защитой либо построенные на основе особо устойчивых сплавов. Для обычных условий хорошо подойдут и обычные, бескорпусные термодатчики.

Также необходимо учитывать длину погружаемой части сенсора и соединительного кабеля. Для «холодного пая» необходимо создать условия, способствующие поддержанию постоянной температуры. Это позволит свести погрешности измерения к минимуму.

Источник

Измерение напряжения, тока, споротивления, емкости, индуктивности, мощности в электрических цепях

Методика измерений в электрических цепях

Измерение постоянного и переменного напряжения

Измерение как постоянного, так и переменного напряжения может производиться непосредственно вольтметрами, рассчитанными для работы соответствующего типа напряжения. В тех случаях, когда необходимо измерить напряжение больше того, на которое рассчитан вольтметр, необходимо последовательно с ним включить добавочный резистор. Тогда часть измеряемого напряжения будет падать на добавочный резистор, а часть — на прибор. Подбирая величину сопротивления добавочного резистора, можно в широких пределах расширять возможности измерения больших напряжений. Известно сопротивление вольтметра R_пp и выбран коэффициент расширения пределов расширения:

где U_x — максимальное напряжение на входе схемы, подлежащее измерению; U_пp — максимальные пределы измерения непосредственно вольтметром.

Величина сопротивления добавочного резистора может быть найдена по следующей формуле:

Обычно для удобства производства отсчетов коэффициент п выбирают кратным 2, 5 или 10.

Для измерения высоких значений переменных напряжений могут быть использованы так называемые измерительные трансформаторы напряжения.

Они представляют собой понижающие трансформаторы, т. е. такие, у которых число витков вторичной обмотки W₂, к которой подключается вольтметр, меньше числа витков W₁ первичной обмотки. Коэффициент расширения пределов измерения n = W₁/W₂. Схемы подключения вольтметров для измерения напряжения приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схемы измерения напряжения

Измерение электродвижущей силы (ЭДС)

Измерение Е имеет свои особенности. При подключении вольтметра к источнику ЭДС для ее измерения через него всегда будет проходить ток, а так как любой источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением R_вн, то напряжение на таком источнике и вольтметр будет измерять величину меньшую, чем ЭДС Е.

Если нет требований к высокой точности измерения ЭДС, то для уменьшения тока можно воспользоваться вольтметром с большим внутренним сопротивлением, например электронным. В этом случае можно считать, что измеренное напряжение U

Е. Более точные методы измерения ЭДС связаны с использованием компенсационных схем (рис. 2).

Рис. 2. Схемы измерения ЭДС

В них напряжение, измеряемое вольтметром PV, снимаемое с переменного резистора R, сравнивается с напряжением на источнике ЭДС.

Изменяя напряжение на выходе переменного резистора (потенциометра), можно добиться такого условия, когда измерительный прибор Р покажет отсутствие тока через источник ЭДС. В этом случае показания вольтметра будут точно соответствовать величине ЭДС источника, т. е. U = Е .

Измерение тока

Можно производить измерение тока непосредственно амперметром, включенным в разрыв измеряемой цепи (рис. 3, а).

Рис. 3. Схемы измерения силы тока

При необходимости расширить пределы измерения амперметра необходимо параллельно амперметру включить резистор (рис. 3, б), который чаще всего называют шунтом. Тогда через амперметр будет проходить только часть тока, а остальная — через шунт. Так как сопротивление амперметров обычно небольшое, то для существенного расширения пределов измерения сопротивление шунта должно быть очень небольшим. Существуют формулы для расчета сопротивления шунта, но обычно на практике приходится вручную подгонять его сопротивление, контролируя ток эталонным амперметром.

Для измерения больших переменных токов часто используют измерительные трансформаторы токов (рис. 3, в). У них первичная обмотка, включаемая в разрыв измеряемой цепи, имеет число витков W₁ меньшее, чем число витков W₂ вторичной обмотки, т. е. трансформатор является повышающим по напряжению, но по току он понижающий. Амперметр подключается к выходу вторичной обмотки трансформатора тока. Часто лабораторные трансформаторы тока вообще не имеют изготовленной заранее первичной обмотки, а в их корпусе имеется широкое сквозное отверстие, через которое сам экспериментатор наматывает необходимое число витков (рис. 3, г). Зная число витков вторичной обмотки (оно обычно указано на корпусе трансформатора тока), можно выбрать коэффициент трансформации n = W₁/W₂ и определить измеряемый ток I_х по показаниям амперметра I_пр по следующей формуле:

Совершенно по-иному производят измерение токов в электронных схемах, которые обычно спаяны, изготовлены на печатных платах; произвести какой-либо разрыв в них практически невозможно. Для измерения токов в этих случаях используют вольтметры (обычно электронные с большим внутренним сопротивлением для устранения влияния прибора на работу электронной схемы), подключая их к резисторам схемы, величины которых либо известны, либо могут быть предварительно измерены. Воспользовавшись законом Ома, можно определить силу тока:

Измерение сопротивлений

Часто при работе с электрическими установками или при наладке электронных схем необходимо производить измерение различных сопротивлений. Простейший способ измерения сопротивлений заключается в использовании двух измерительных приборов: амперметра и вольтметра. С их помощью измеряют напряжение и ток в сопротивлении R, подключенном к источнику питания, и по закону Ома находят величину искомого сопротивления:

Однако этот способ измерения сопротивлений не позволяет получить результаты измерения с высокой точностью, так как на результаты измерения оказывают влияние собственные внутренние сопротивления амперметра и вольтметра. Так, на изображенной на рис. 4, а схеме амперметр измеряет не только ток, проходящий через сопротивление, но и ток, проходящий через вольтметр, чем вносится методическая погрешность измерений.

Рис. 4. Схема для измерения сопротивлений методом амперметра и вольтметра (а) и схема омметра (б)

Этим способом производят измерение обычно в тех случаях, когда нет специальных приборов — омметров. Одна из возможных схем омметра (рис. 4, б) — последовательная. Она состоит из автономного источника питания Е, переменного резистора R и миллиамперметра магнитоэлектрического типа РА. В качестве источника питания обычно используют сухие элементы или батареи напряжением 1,4. 4,5 В. Если к выводам прибора подключить сопротивление R_x, величину которого необходимо определить, то по цепи пойдет ток, величина которого будет зависеть от величины сопротивления. Так как миллиамперметр измеряет этот ток, то его шкала может быть непосредственно отградуирована в омах. Шкала у такого омметра обратная, т. е. нуль находится в правой части шкалы, так как при сопротивлении на входе, равном нулю (режим короткого замыкания), через амперметр будет протекать максимальный ток. Если внешняя цепь разорвана, что соответствует бесконечно большому сопротивлению на входе, то стрелка миллиамперметра будет находиться в самой левой части шкалы, где стоит знак х . Шкала такого омметра резко нелинейная, что в какой-то мере затрудняет считывание результатов. Переменный резистор омметра служит для установки прибора на нуль перед началом работы с ним. Для этого замыкают выводы омметра накоротко и, вращая ручку переменного резистора, добиваются нулевых показаний прибора. Так как ЭДС элемента питания с течением времени за счет разряда уменьшается, такую установку нуля необходимо периодически контролировать. С помощью подобных омметров можно измерять сопротивления от нескольких омов до сотен килоомов.

Рис. 5. Схемы мегометра (а) и электрического моста (б)

Измерение больших сопротивлений до 100 МОм обычно производят с помощью мегометров (рис. 5, а). В своем классическом виде он представляет собой комбинацию автономного источника питания и измерительного прибора — логометра. Логометр — разновидность магнитоэлектрического прибора, у которого вместо одной рамки имеются две, соединенные жестко между собой под некоторым утлом. Так же, как и в обычном магнитоэлектрическом приборе, с ними связана стрелка прибора и находятся они в магнитном поле постоянного магнита. При пропускании тока через обмотки рамок они создают вращающие моменты противоположных знаков, в результате чего положение стрелки будет зависеть от отношения токов в рамках. В цепь одной из рамок включен резистор R, а в цепь другой — сопротивление R_x, величина которого должна быть определена. Применение логометра объясняется тем, что его показания определяются только отношением токов в рамках и не зависят от изменения питающего напряжения U_пит. В качестве источника напряжения для мегометра используют либо индуктор, приводимый во вращение рукой оператора, либо аккумуляторную батарею с электронным преобразователем напряжения. Такая система питания определяется тем, что для работы прибора требуются большие напряжения — порядка 500 В, так как при меньших напряжениях токи в обмотках прибора были бы слишком малыми для его нормальной работы. Использование автономного источника питания диктуется тем, что мегометром часто измеряют сопротивление изоляции кабелей; при этом, естественно, напряжение в них бывает отключенным. Кроме того, с его помощью часто проводят измерения вне помещений, где нет электрической сети.

Измерение малых сопротивлений (меньше 1 Ом), а также измерения других сопротивлений в широком диапазоне значений с высокой точностью могут проводиться с помощью электрических мостов.

Электрический мост (рис. 5, б) представляет собой четыре сопротивления (одно из них — R_x подлежит измерению), включенные по кольцевой схеме. Каждое из сопротивлений образует плечо моста. В одну диагональ моста подают постоянное напряжение питания U_пит , а к другой подключают измерительный прибор — гальванометр Р. Он представляет собой высокочувствительный магнитоэлектрический прибор с нулем посередине шкалы. Его назначение — фиксировать момент, когда ток будет отсутствовать. Приборы подобного типа часто называются нуль-индикаторами. Одно или два сопротивления в плечах моста делаются переменными, и именно ими добиваются нулевых показаний прибора. Мост при этом считается сбалансированным. Как показывает теория электрических мостов, условие баланса достигается при равенстве произведения сопротивлений противоположных плеч, т. е. при условии R₁R_x = R₂R₃. Следовательно, после балансировки моста можно, зная величины всех сопротивлений, определить значение неизвестного сопротивления

Точность измерения с помощью мостов постоянного тока может быть очень велика. Результирующие значения сопротивлений могут иметь более пяти значащих цифр. В то же время мост не позволяет оперативно производить измерения, так как процесс балансировки требует определенного времени и навыка оператора.

Измерение емкостей

Определение емкости конденсатора или других устройств емкостного характера также может осуществляться различными способами. Простейший из них — метод амперметра-вольтметра (рис. 6, а).

Рис. 6. Схемы измерения емкости

Он во многом аналогичен такому же методу измерения сопротивлений, с той только разницей, что схема питается переменным синусоидальным напряжением от генератора низкой или высокой частоты (или от сети). Емкостное сопротивление конденсатора определяется по следующей формуле:

где f — частота переменного напряжения.

Емкостное сопротивление находится по закону Ома по показаниям приборов

Измерение малых по величине емкостей удобнее производить методом резонанса (рис. 6, б). Измеряемый конденсатор С_х подключается к известной индуктивности L, образуя колебательный контур. На контур подается синусоидальное напряжение от генератора. С помощью электронного вольтметра измеряют напряжение на контуре. При резонансе оно достигает максимума.

Известно, что резонансная частота контура может быть выражена следующей формулой:

Следовательно, при известной величине индуктивности в контуре и определенной по максимальным показаниям вольтметра частоте резонанса можно найти искомое значение емкости С_х.

Измерение больших емкостей (например, электролитических конденсаторов) проще всего производить путем разряда конденсатора на известное сопротивление R. Известно, что за время, равное постоянной времени цепи разряда конденсатора, его напряжение уменьшается в е раз, где е = 2,71. — основание натурального логарифма. Постоянная времени цепи разряда конденсатора на резистор определяется соотношением

Схема измерения емкости этим методом (рис. 6, в) состоит из источника постоянного напряжения питания, известного по величине сопротивления резистора R, электронного вольтметра PV, переключателя S и клемм для подключения конденсатора. С помощью переключателя S конденсатор С_х заряжается до напряжения источника питания, а после переключения конденсатора на разряд с помощью секундомера измеряют время t, по истечении которого конденсатор разрядится до напряжения U_пит/е. Емкость конденсатора определяется по формуле

Емкости конденсаторов можно измерять также с помощью мостов переменного тока.

Измерение индуктивностей

Измерение индуктивностей несколько сложнее. Это связано с тем, что любая катушка (обмотка трансформатора и т. п.) имеет кроме индуктивности еще и резистивное сопротивление. Поэтому во многих случаях измеряют предварительно полное сопротивление катушки индуктивности:

Оно может быть определено методом амперметра и вольтметра путем измерения напряжения и тока измерительными приборами схемы на переменном напряжении (рис. 7, a) z = U/I. При подаче на схему постоянного напряжения (рис. 7, б), как уже рассматривалось выше, можно определить резистивное сопротивление катушки R.

Рис. 7. Схемы измерения индуктивностей

В свою очередь, индуктивное сопротивление

При известном значении частоты / напряжения питания легко найти величину искомого значения индуктивности

При малых значениях индуктивности (например, контурных катушек радиоэлектронных устройств) можно воспользоваться резонансной схемой, аналогичной схеме определения емкости резонансным методом.

Для измерения индуктивности можно использовать также мосты переменного тока, специальные измерительные приборы — ку- метры, позволяющие определять не только величину индуктивности, но и такую характеристику, как добротность катушки, характеризующие качество работы катушки в электронных схемах.

Измерение мощности

В электрических цепях измерение мощности удобнее рассматривать отдельно для цепей постоянного и переменного тока.

На постоянном токе основные формулы для определения мощности следующие:

В соответствии с приведенными формулами мощность в каком-то сопротивлении нагрузки R можно измерить тремя способами: с помощью вольтметра и амперметра (рис. 8, а), только вольтметром (рис. 8, б) и только амперметром (рис. 8, в). Во всех случаях после снятия показаний с приборов необходимо провести математические расчеты для определения собственно мощности.

Рис. 8. Схемы измерения мощности в цепях постоянного тока

Этого можно избежать, если для измерения мощности воспользоваться специальным прибором ваттметром (рис. 8, г). Как правило, выпускаемые промышленностью ваттметры изготавливаются на базе ферродинамического прибора (см. рис. 2.105). У ваттметров имеются две обмотки и соответственно четыре вывода. Одна из обмоток является токовой, через нее проходит ток к нагрузке, расходуемая мощность в которой подлежит измерению, а вторая — обмоткой напряжения. Она подключается непосредственно к источнику питания.

Измерение мощности на переменном токе имеет свои особенности. Во-первых, здесь существуют три различные мощности:

полная мощность, В * А,

активная мощность, Вт,

реактивная мощность, вар,

В этих формулах (φ — угол сдвига по фазе между током и напряжением.

Чаще всего интересуются полной и активной мощностями. Знание полной мощности необходимо для расчета токов в нагрузке, выбора сечения проводов и предохранителей. Активная мощность важна потому, что именно она характеризует ту мощность, которая в нагрузке преобразуется в теплоту, свет, звук и т.д.

Измерение полной мощности обычно производят, измеряя напряжение и ток вольтметром и амперметром и перемножая полученные значения. Активную мощность чаще всего измеряют с помощью ферродинамических ваттметров, которые кроме напряжения и тока учитывают и так называемый коэффициент мощности cosφ.

При подключении обмоток ваттметра к нагрузке, так же как и при постоянном напряжении, ваттметр непосредственно произведет измерение активной мощности.

На переменном токе достаточно часто приходится решать задачу измерения активной мощности в трехфазных цепях. Трехфазные цепи могут быть двух типов: трехпроводные и четырехпроводные. В трехпроводных цепях к нагрузке подходят три провода, обозначаемые буквами А, В, С. Для измерения активной мощности в такой цепи при любом варианте подключения элементов нагрузки к проводам достаточно подключить только два ваттметра так, как это показано на рис. 9.

Рис. 9. Схемы измерения мощности на переменном токе: а — трехпроводная система; б — четырехпроводная система

При этом необходимо соблюсти определенные правила подключения ваттметров. Выводы обмоток ваттметра, обозначенные на его корпусе звездочками, должны быть обращены в сторону источника энергии. Поэтому эти выводы получили название генераторные (подключаются к проводам, идущим от генератора). Суммарная активная мощность такой трехфазной системы находится как алгебраическая сумма показаний двух ваттметров. При этом возможен вариант, когда показания одного из ваттметров могут быть отрицательными, т. е. его стрелка уйдет влево. Для снятия показаний с такого ваттметра необходимо поменять местами провода, подходящие к любой из обмоток, прочесть результат измерения, но в формулу подставить с отрицательным знаком.

Измерение активной мощности в четырехпроводных цепях требует использования трех ваттметров. Один из выводов каждого ваттметра здесь подключается к четвертому проводу, обычно называемому нулевым. Показания всех ваттметров могут быть только положительными, и суммарная активная мощность, потребляемая трехфазной цепью, будет равна сумме мощностей, измеряемых каждым из ваттметров:

Один из наиболее простых методов измерения количества электричества — метод измерения с помощью так называемого баллистического гальванометра. Он представляет собой прибор магнитоэлектрической системы (см. рис. 2.103) с умышленно утяжеленной подвижной частью (с большим моментом инерции). Если на вход такого баллистического гальванометра подать кратковременный импульс напряжения, то подвижная часть прибора, получив как бы импульсный вращающий момент, начнет движение, причем уже после окончания входного импульса это движение еще будет продолжаться и стрелка прибора, двигаясь по инерции, отклонится до какого-то значения шкалы, а затем возвратится в исходное нулевое положение. В качестве отсчета на таком приборе необходимо отметить то максимальное отклонение стрелки α_mах от нулевого значения, которое наблюдалось во время ее движения по «баллистической траектории». Теория такого баллистического гальванометра показывает, что этот отсчет по максимальному отклонению стрелки оказывается пропорциональным количеству электричества, прошедшего через рамку такого прибора, т. е.

где С_б—баллистическая постоянная, зависящая от конструктивных особенностей гальванометра.

Измерение количества электричества Q на обкладках предварительно заряженного конденсатора можно осуществить, разрядив его через баллистический гальванометр, и по максимальному отклонению его стрелки найти искомое значение количества электричества:

При разработке новых сплавов, предназначенных для использования в электротехнических цепях, возникает необходимость в определении их удельного сопротивления. Под удельным сопротивлением понимают сопротивление проводника сечением 1 мм 2

и длиной 1м. Соответственно такое удельное сопротивление р измеряется в единицах Ом — (мм 2 /м). Для его измерения выбирают отрезок проводника, желательно небольшого сечения, и измеряют его сопротивление любым из рассмотренных выше методов. После этого расчетным путем приводят величину этого сопротивления к сечению 1 мм2 и длине 1 м, что не представляет каких- либо трудностей, и получают значение удельного сопротивления. Для получения большей точности измерения желательно длину проводника брать по возможности большей.

Для многих изоляционных материалов представляет определенную ценность определение их диэлектрической проницаемости ε. Одним из простейших способов ее измерения является способ косвенного измерения с последующим расчетом величины диэлектрической проницаемости. Известно, что емкость простейшего конденсатора, состоящего из двух одинаковых пластин площадью S, расположенных на расстоянии δ друг от друга, с диэлектриком, заполняющим все пространство между пластинами, определяется по формуле

где ε — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами.

Рис. 10. Схема для измерения диэлектрической постоянной изоляционных материалов

Измерение диэлектрической проницаемости материала производят с помощью конденсатора (рис. 10), между пластинами которого помещают испытуемый материал, а также измерения емкости такого элементарного конденсатора любым из описанных выше методов. Численную величину диэлектрической проницаемости определяют по формуле

Развитие радиоэлектроники и установок для высокочастотного воздействия на материалы машиностроения привело к тому, что практически все пространство заполнено электромагнитными волнами.

В мире работают миллионы передающих радиостанций, многие из которых излучают значительные мощности (например, радиолокационные станции дальнего обнаружения, вещательные радиостанции и т. п.). Для оценки электромагнитных волн часто возникает необходимость определения их уровня. Обычно об уровне электромагнитных волн судят по напряженности электрического поля, величина которого аналитически может быть пересчитана в мощность электромагнитного поля. Напряженность электрического поля наиболее часто измеряют с помощью рамочной антенны (рис. 11), которая представляет собой плоскую катушку, намотанную на каркас Е из какого- либо диэлектрика. (На рис. 11 для простоты изображен только один виток.)

Рис. 11. Измерение напряженности электрического поля

Диаграмма направленности такой антенны показывает, что максимум принимаемого излучения идет со стороны, лежащей в плоскости витков катушки. Это позволяет не только производить измерение напряженности электрического поля, но и определять направление на источник высокочастотных излучений по максимальной величине напряжения на выходе рамки при ее поворотах относительно вертикальной оси. Напряженность электрического поля определяется по величине напряжения на выходе рамки по следующей формуле, В/м:

где U — напряжение на выходе рамки, В; f — частота принимаемого сигнала, Гц; n — число витков в рамке; S— площадь рамки, м 2 .

Обычно на геометрические размеры рамки в зависимости от частоты сигнала напряженность поля которого определяется, накладываются определенные ограничения. В частности, на частотах более 30 МГц более точные результаты получаются, если вместо рамочной антенны использовать полуволновый диполь, представляющий собой проводник длиной в половину длины волны, разрезанный посередине. Напряжение с диполя снимается с центральной разрезанной части. Значение напряженности электрического поля можно определить по следующей формуле:

где f— частота, Гц; U— напряжение на выходе диполя, В.

Диполь, так же как и рамка, позволяет определять направление, с которого приходит сигнал, так как обладает определенной направленностью, что видно из диаграммы направленности. Максимум принимаемых сигналов определяется перпендикуляром к плоскости диполя. Именно так ориентированы телевизионные антенны по отношению к телевизионной вышке.

Напряжение на выходе рамки или диполя можно измерять с помощью электронного вольтметра непосредственно при сильных сигналах или применяя электронные усилители. В этом случае, используя селективные свойства усилителей, можно определить уровень напряженности электрического поля определенной частоты. Нужно учесть, что уровень сигнала на выходе рамки и частично диполя складывается из большого числа электромагнитных полей, существующих в пространстве в районе расположения приемного устройства от различных источников (передатчиков).

При необходимости определить частоту высокочастотного сигнала можно, если он сильный, используя непосредственное включение электронного частотомера на выход рамки или диполя. При слабых сигналах и использовании усилителей можно по их частотной настройке определять частоты сигналов, наведенные в рамке или диполе, т. е. так, как обычно по шкале радиоприемника можно определить длину волны или частоту принимаемой станции.

Источник