Виды и методы электрических измерений

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 теории и практики электрических измерений. 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.

Виды электрических измерений

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 . Х n ), где Y — искомое значение измеряемой величины; Х 1 , Х2, Х n — 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 [1+α (T1-20)+β(T1-20)]

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 электрического сопротивления на постоянном токе 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 штангенциркулем с нониусом. 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 t 1 , t2 и т. д. В результате окажутся известными не все значения измеряемой величины, а лишь значения в выбранные моменты времени. Такие измерения называются дискретными .

Источник

Лекция №7 Электрические измерения

1. Виды и методы электрических измерений. Классификация погрешностей

2. Средства измерения электрических величин

3. Электромеханические измерительные приборы

4. Приборы электромагнитной системы

5. Приборы магнитоэлектрической системы

6. Приборы электродинамической системы

7. Приборы ферродинамической системы

8. Приборы электростатической системы

9. Термоэлектрические приборы

10. Индукционные приборы

11. Выпрямительные приборы

12. Цифровые измерительные приборы

13. Измерение электрических величин

13.1. Измерения в цепях постоянного тока

13.2. Измерения в цепях переменного тока

14. Электрические методы измерения неэлектрических величин

1.Виды и методы электрических измерений. Классификация погрешностей Слайд № 2

Измерение – процесс нахождения опытным путем значения физической величины с помощью специальных технических средств (средств измерения).

Существует два вида измерений:

При прямых измерениях искомое значение физической величины определяют непосредственно по показанию прибора. К ним относятся: измерение тока амперметром, электроэнергии счетчиком, напряжения вольтметром и др.

При косвенных измерениях искомое значение физической величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений. Например, измерив ток и напряжение, можно найти величину электрического сопротивления.

Слайд № 3

Различают два основных метода измерений:

– метод непосредственной оценки: значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (например, значение тока – по амперметру). Этот метод прост, но имеет сравнительно невысокую точность;

– метод сравнения, при котором измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод точнее, но процесс измерения более сложный.

Метод сравнения имеет несколько разновидностей:

– нулевой метод, при котором результирующий эффект взаимодействия сравниваемых величин на измерительный прибор доводят до нуля, например, измерения электрического сопротивления с помощью уравновешенного моста;

– дифференциальный метод: на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, например, измерение электрического сопротивления с помощью неуравновешенного моста;

– метод замещения, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой и изменяя эту величину, добиваются такого же показания прибора, как и при действии измеряемой величины.

В связи с тем, что абсолютно точных приборов нет, каждое средство измерения характеризуется погрешностью.

Слайд № 4

Погрешности делятся на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешность Δ – это разность между показанием прибора А и действительным значением измеряемой величины: .

Относительная погрешность δ представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины А. Обычно относительная погрешность выражается в процентах:

.

Приведенная погрешность γ представляет собой отношение абсолютной погрешности Δ к нормирующему значению А_N измеряемой величины:

.

Нормирующее значение обычно принимают равным верхнему пределу измерения для данного прибора.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Учебные материалы

Электрическим измерением называют нахождение значений физических величин в электронике и электротехнике опытным путем с помощью специальных технических средств (например, с помощью электроизмерительных приборов).

Устройства, воспроизводящие единицу измерения, с которой сравнивается измеряемая величина, называются мерами.
В зависимости от степени точности и области применения меры подразделяют на эталоны, образцовые и рабочие.

Эталоны обеспечивают воспроизведение и хранение единицы физической величины с наивысшей для данного уровня техники точностью.

Образцовые меры служат для поверки и градуировки рабочих мер и измерительных приборов.

Рабочие меры используют для поверки измерительных приборов и для непосредственных измерений в научных организациях и на промышленных предприятиях.

В зависимости от способа получения результатов измерения делят на два вида: прямые и косвенные.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение физической величины определяют непосредственно по показанию прибора. К ним относятся: измерение тока амперметром, электроэнергии — счетчиком, напряжения — вольтметром и др.

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение физической величины находят на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений (определение электрического сопротивления R по показаниям амперметра и вольтметра, т. е. R = U/I).

В зависимости от приемов использования принципов измерений и измерительных приборов все методы измерения делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Под методом непосредственной оценки понимают метод, при котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (значение тока — по амперметру, значение напряжения — по вольтметру и др.).

Метод непосредственной оценки прост, но отличается сравнительно невысокой точностью.

Методом сравнения называют метод, при котором измеряемая величина в измерительной цепи сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой.
Методы сравнения подразделяют на нулевой, дифференциальный и замещения.

Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, в котором результирующий эффект воздействия сравниваемых величин на прибор доводят до нуля (измерение электрического сопротивления с помощью уравновешенного моста).

Дифференциальный метод — это метод сравнения, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой (измерение электрического сопротивления с помощью неуравновешенного моста).

Метод замещения — это метод сравнения, в котором измеряемую величину в измерительной цепи замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Источник

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

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

1 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 3 ґ 5 до 25 ґ 35 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 R_s и р₃, p₄ резистора R_x 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 R_s, сводят разбаланс к нулю и находят

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: L_x = R₂R₃C₁ и R_x = (R₂R₃) /R₁ (рис. 3). Мост уравновешивается даже в случае «нечистого» источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты), если величина L_x 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.

Заземление и экранирование.

Измерительные мосты необходимо тщательно заземлять и экранировать, чтобы паразитные емкости между разными частями схемы моста не вносили ошибку уравновешивания.

Типичные нуль-детекторы.

В измерительных мостах переменного тока чаще всего применяются нуль-детекторы двух типов. Нуль-детектор одного из них представляет собой резонансный усилитель с аналоговым выходным прибором, показывающим уровень сигнала. Нуль-детектор другого типа – это фазочувствительный детектор, который разделяет сигнал разбаланса на активную и реактивную составляющие и пригоден в тех случаях, когда требуется точно уравновешивать только одну из неизвестных составляющих (скажем, индуктивность L, но не сопротивление R катушки индуктивности).

ИЗМЕРЕНИЕ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока обычно требуется измерять некоторые их характеристики, связанные с мгновенными значениями сигнала. Чаще всего желательно знать среднеквадратические (эффективные) значения электрических величин переменного тока, поскольку мощности нагревания при напряжении 1 В постоянного тока соответствует мощность нагревания при напряжении 1 В (эфф.) переменного тока. Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины, например максимальное или среднее абсолютное значение. Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения (или силы) переменного тока определяется как корень квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения (или силы тока):

где Т – период сигнала Y(t). Максимальное значение Y_макс – это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение Y_AA – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний Y_эфф = 0,707Y_макс и Y_AA = 0,637Y_макс.

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 V_ас 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 cos j , 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 cos j , 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 Вт Ч с). Если же время измеряется в часах, то энергия – в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах (1 кВт Ч ч = 1000 Вт Ч ч).

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.

Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измерения электрических величин. М., 1982
Малиновский В.Н. и др. Электрические измерения. М., 1985
Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л., 1987

Источник