Прибор для измерения напряжения в электрической цепи - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Напряжение измеряется от одной точки к другой и характеризуется силой передачи от конца цепи A к B. Значение отображается буквой V. Единицей измерения напряжения является вольт. Для удобства это число делится на кило-, милли- и микроединицы. Измеритель может быть электромеханическим, электронным, цифровым или электронным.

При прямых и косвенных измерениях известны конкретные данные физической величины.

Direct отображает результат непосредственно на шкале. Косвенные определяются путем расчета необходимых параметров. Последний метод гораздо более точен. Измерения проводятся в электрических и радиотехнических цепях.

Напряжение измеряется с помощью приборов

Напряжение измеряется от одной точки к другой и характеризуется силой передачи от конца A цепи к концу B. Значение отображается буквой V. Единицей измерения напряжения является вольт. Для удобства калибры делятся на кило-, милли- и микроединицы. Измеритель может быть электромеханическим, электронным, цифровым или электронным.

Содержание

Вольтметры

Это прибор, который изучается на уроках физики при измерении напряжения. Работа измерительного прибора основана на законе Ома. Измерение производится с помощью электромагнитного поля. Рабочие характеристики прибора улучшаются благодаря высокому внутреннему сопротивлению и широкому диапазону. Приборы, определяющие кило-, милли- и микроединицы, условно называются киловольтметрами, милливольтметрами и микровольтметрами. Последние два диапазона имеют минимальную погрешность.

Знание напряжений в цепи является обязательным.

Вольтметры бывают двух типов.

Электронный – очень чувствительный прибор с высоким сопротивлением. Он позволяет определить широкий диапазон значений. Отличается тем, что к основному механизму добавлен преобразователь. Эти устройства требуют ток в качестве источника питания. Известны аналоговые и цифровые вольтметры. Первые работают путем преобразования входного переменного напряжения в постоянное, постепенно отклоняя стрелку. Интегральная схема также содержит шкалу. Когда ток течет в обратном направлении, стрелка перемещается влево; когда ток течет в нормальном направлении, стрелка перемещается вправо. Таким образом, необходимо учитывать положительное или отрицательное напряжение. Цифровые вольтметры мгновенно считывают входное напряжение и отображают данные на дисплее. Точность зависит от качества аналого-цифрового преобразователя, но цифровые вольтметры все же имеют меньшую погрешность, чем аналоговые.

Широко распространены электронные модели.

Электромеханические отличаются тем, что для их работы не требуется источник тока. При подключении к цепи вольтметра прибор определяет входное значение, которое уменьшается с помощью специального внутреннего или внешнего резистора. Внутренние резисторы соединены последовательно на внутренней стороне корпуса, а внешние резисторы – на внешней. Устройство компактное и недорогое, но может потреблять ток из цепи. Диапазон измерения не очень широк, поэтому не всегда можно получить точные результаты.

Электромеханический не требует батареек

При выборе устройства большое значение имеет категория измерения. Вольтметры выпускаются для постоянного и переменного тока, селективные, импульсные, фазовые и универсальные.

Импульс. Помогает справиться с перебоями напряжения в сети. Проверяет напряжение одиночного импульсного сигнала. Это позволяет определить, в каком месте цепи возникла помеха, и устранить ее.
Фаза чувствительна. Получает значение путем преобразования постоянного или минимально изменяющегося напряжения. В результате получается общее показание.
Селективный. Устройство является узкополосным и выборочно выдает показания амплитуды и частоты одной части без отключения другой. Это устройство необходимо, когда вы хотите изолировать определенные элементы на большой площади.
Универсальность. Он объединяет все типы вольтметров, позволяет определять электродвижущую силу в различных местах и условиях.
Вольтметры для постоянного и переменного тока определяют соответствующие значения.

В зависимости от удобства, размера и конструктивных особенностей они могут быть ручными, стационарными или устанавливаться на панели.

Крепится на панели. Они предназначены для размещения в специальных шкафах. После приобретения они устанавливаются и размещаются на месте. Мобильные, но редкие и хрупкие.
Стационарный. Сложно перемещать из-за их громоздкости. Недостатки использования перевешиваются высокими техническими характеристиками, точностью и большой шкалой измерения.
Портативный. Не требует подключения к источнику питания и свободно перемещается. Компактный, помещенный в тонкий корпус.

Потенциометр

Потенциометр можно назвать устройством, регулирующим ток. Это 3-полюсный открытый переменный резистор. В большинстве случаев он имеет разделительный контакт. Он особенно часто используется в аудиосистемах и в автомобильной промышленности.

При работе один из проводов подключен к контакту, два других являются распределителями. Основание изготовлено из углеродных и керамических материалов.

Делятся по принципу действия:

Линейный. Сопротивление измеряется пропорционально углу, который образуется при повороте контакта. Они подразделяются на одноканальные, двухканальные и многооборотные.
Логарифмический. Потенциометр сначала быстро меняет сопротивление, затем скорость уменьшается.
Экзотенциал. Потенциометр сначала изменяется медленно, затем скорость увеличивается.

Корпус может быть навесным или стационарным. В первом случае устройство устанавливается на плату, во втором – остается на корпусе. Роторные агрегаты делятся на однооборотные, многооборотные и двухоборотные. Если однооборотные имеют 1 оборот, многооборотные – более 5 оборотов, то двухоборотные имеют по 2 резисторных элемента на каждом валу. Большинство многооборотных типов имеют диапазон скоростей от 5 до 15 оборотов.

Существуют аналоговые модели

Мультиметр

Комбинированный прибор, обладающий функциональностью многих доступных приборов. Может измерять силу тока, напряжение и сопротивление цепи и ее частей. Может включать большее количество метров.

Для информации. Каждая модель выполняет функции вольтметра, амперметра и омметра.

Подходит для переменного и постоянного тока. Благодаря хорошей производительности, многие люди предпочитают использовать именно его.

Устройство скрыто в корпусе и имеет дисплей или шкалу измерения на верхней стороне. На нижней стороне находится панель управления. В центральной части панели управления расположены кнопки режимов и переключатель измерений. Он питается от батарей, в основном прямоугольных.

Существуют цифровые модели

Аналог. Со шкалой со стрелкой в верхней части внешней панели. Некоторые модели измеряют Вольты и Амперы без питания и Омы с питанием. Вы можете увидеть динамику при измерении.
Цифровой. Они имеют ЖК-экран, на котором отображаются показания. Они просты в использовании и имеют понятный интерфейс.

Поставляется с 2 контактами, красным и черным.

Они могут показывать амплитуду сигнала

Осциллограф

Прибор, измеряющий электрические сигналы и их изменения, называется осциллографом. Важно при работе с электроникой. Показывает действие каждого, даже самого маленького импульса. Может быть подключен к сети, сигналу или внешнему источнику с помощью специального устройства, входящего в комплект.

Визуально выглядит как телевизор, что позволяет вести наблюдение в реальном времени. Если сигнал подается в канал вертикально, то на табло он отображается полосой вверх. Он также имеет диапазон модуляции, который работает с лучами, лампой луча и источником питания. Он может быть аналоговым или цифровым. Цифровые приборы имеют встроенную память и могут хранить ряд предыдущих измерений.

Электрический импульс, измеренный осциллографом, облегчает управление автомобилем и широко используется в медицине.

Осциллографы являются самыми точными из всех

Специализация. Предназначен для конкретного устройства.
Стробоскопический. Наблюдайте за короткими импульсами, которые имеют тенденцию повторяться.
Высокая скорость. Измеряет “быстрые” импульсы.
Памятные. Имеет небольшую память для хранения сигналов.
Универсальный. Своеобразный симбиоз – включает в себя несколько различных типов осциллографов.

Электрометр

Электрометр – это прибор для измерения электрического потенциала и его разности. Это улучшенная версия электроскопа. Электрический заряд устанавливается с помощью стержня, который составляет основу устройства. Два куска бумаги или фольги подвешиваются к основанию параллельно друг другу. Стержень надежно защищен металлическим футляром и запечатан стеклянной пробкой. Наличие заряда вызывает реакцию “отталкивания”. Сила реакции зависит от ее величины. Реакция идет в обе стороны, поэтому притяжение индикаторов дает понять, что заряд отрицательный.

Постоянное напряжение

Электрический котел для дома. Измерение тока и напряжения

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, +1

Нажмите на фотографию, чтобы увеличить ее!

Я хотел бы поделиться с вами некоторым практическим опытом.

Сегодня я подключал электрический котел в доме клиента и задался вопросом, как изменяется напряжение при включении/выключении электрического котла.

Как трехфазная нагрузка мощностью 9 киловатт влияет на электропроводку и какой ток протекает?

Ведь не секрет, что при увеличении нагрузки напряжение падает, но как и на сколько – для этого я провел несколько измерений цифровым мультиметром и клеммметром.

Я сделал несколько фотографий специально для вас, и вот что получилось:

Итак, я подключил электрический котел с заявленной производителем мощностью 9 кВт в распределительном щите, подключил котел к трем фазам.

Сразу скажу, что есть наклон давления в сети, т.е. на вводе в дом, здесь вина чисто электроснабжающей организации – скорее всего неравномерно распределенная нагрузка по фазам воздушной линии, т.е. если предположить нагрузку 50кВт на одну фазу, 35кВт на вторую, и все 2кВт на третью.

Конечно, в идеальной ситуации нагрузка на все три фазы должна быть одинаковой, но на практике это нереально.

Последствия этого можно увидеть на рисунке.

Я измерил фазное напряжение, т.е. между нулем и каждой фазой. Как видите, напряжение на фазе L1 ниже, чем на двух других более чем на 30 вольт!

И если 216 В на L1 еще приемлемо для электрооборудования, то на L2 – 249 В и почти на пределе пробоя – почти критично.

Затем я снял перемычку с ключа трехфазного выключателя, чтобы можно было переключить нагрузку по фазе.

Я подключил кабель к нижним клеммам электрического бойлера и включил каждую фазу отдельно, одновременно измеряя ток, протекающий по проводам.

Результаты можно увидеть на фотографии слева. Напряжение резко упало на всех трех фазах.

На фазе L1 напряжение составляло 197 В – падение на 19 В.

На фазе L2 стало 232 вольта (было 249) – снижение на 17 вольт.

На фазе L3 – 227 вольт вместо 247 – снижение на 20 вольт.

Интересно посмотреть на измеренный электрический ток. Измерения прекрасно показывают нам прямую зависимость между током и напряжением.

На рисунке видно, что чем ниже напряжение, тем меньше электрического тока протекает через электронагревательные элементы котла.

Сопротивление нагрузки в обеих фазах практически одинаково, поскольку нагревательные элементы имеют одинаковую мощность, короче говоря, они абсолютно одинаковы.

В то время как ток, измеренный в наиболее нагруженной фазе L1 при напряжении 197 В, составляет 12,15 ампер, ток в фазе L2 (где напряжение самое высокое) уже составляет 13,72 ампера.

В фазе L3 электрический ток немного ниже – 13,69 А при напряжении 227 В.

Кстати, два однополюсных выключателя на правой стороне панели сделаны для квартирной проводки – один на кухне, другой в комнатах.

Я подключил их к фазе L3, которая имеет более или менее нормальное напряжение. Но если подключить эти выключатели к первой фазе с более низким напряжением, то при повышенной нагрузке на эту фазу напряжение будет еще ниже и даже может быть меньше 180 В – и все, и холодильник не сможет сгореть (компрессор не сможет работать), и другие приборы могут выйти из строя.

Такое большое падение напряжения (около 30 В) не является необходимым для такой нагрузки, как электрический котел мощностью 9 кВт. Более того, такого падения напряжения быть не должно.

В моем случае причиной этого является плохое состояние питающей линии 0,4 кВ – заниженные сечения, старение и окисление кабеля, наличие сращиваний, где напряжение в основном “теряется”, плохое состояние нулевого и заземляющего проводника и т.д.

Почему я так думаю – да потому что на вводе в дом сделан СИП 16 кв.мм. до счетчика, а перед электрокотлом проходит сечение медного кабеля 6 кв.мм. длиной около 12 метров, при таких сечениях провода падение напряжения на них будет практически отсутствовать.

(Вот несколько интересных измерений, которые я получил))) Я буду рад услышать ваши мнения, советы, вопросы, пишите в комментариях внизу статьи.

Узнавайте первыми о новых материалах на сайте!

Просто заполните форму:

Если вы измеряете напряжение проводом, вставленным в розетку “10 ампер”, прибор выйдет из строя или перегорит предохранитель. Поэтому при проведении измерений следует соблюдать осторожность. Наиболее распространенные неисправности возникают, когда сначала измеряют сопротивление, а затем, забыв переключиться в другой режим, начинают измерять напряжение. Это приводит к перегоранию резистора внутри прибора, который отвечает за измерение сопротивления.

Напряжение импульсного тока имеет параметры амплитуды и среднего напряжения. Источником этого напряжения могут быть генераторы импульсов. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается как “V” или “В”. Для переменного напряжения символ “
символ “, для постоянного напряжения указывается символ “-“. Попеременное напряжение в бытовой цепи обозначается

В батареях и гальванических элементах при указании напряжения не используется символ “-“, только цифра, например, “1,5 В”. Гальванический элемент должен быть помечен знаком “+” рядом с положительным полюсом. В практических электрических измерениях используются кратные величины: милливольты, киловольты и т.д.

Переменное напряжение имеет полярность, которая меняется с течением времени. В бытовой цепи напряжение меняет полярность 50 раз в секунду, что означает частоту 50 герц. Напряжение постоянного тока имеет постоянную полярность. Поэтому для измерения напряжения переменного и постоянного тока используются приборы различной конструкции: вольтметры. Вольтметры могут быть цифровыми или аналоговыми (циферблатные датчики). Однако существуют универсальные приборы, которые могут измерять как постоянное, так и переменное напряжение без переключения режимов.

Для начала измерения подключите измерительный прибор параллельно к клеммам питания или нагрузки с помощью специальных щупов.

Помимо вольтметров, для измерения напряжения также используются электронные осциллографы.

Это приборы, предназначенные для измерения и контроля свойств электрических сигналов. Осциллографы работают по принципу отклонения электронного луча, который передает изображение изменяемых значений на дисплей.

Измерение напряжения сети переменного тока

По закону напряжение в бытовой сети должно составлять 220 В с допуском 10%, т.е. напряжение может колебаться в пределах 198-242 В. Если освещение в вашем доме стало более тусклым, лампы часто разбиваются или электроприборы работают нестабильно, в первую очередь необходимо измерить напряжение в сети, чтобы определить и устранить эти проблемы.

Перед проведением измерений подготовьте доступное измерительное устройство:

Проверьте целостность изоляции тестовых проводов с щупами и клеммами.
Установите переключатель на переменное напряжение, с верхним пределом 250 В или выше.
Вставьте тестовые провода в гнезда измерительного прибора, например, мультиметра. Чтобы не запутаться, лучше всего обратить внимание на маркировку гнезда на корпусе.
Включите устройство.

На мультиметре выбран предел измерения 700 В. Некоторые приборы требуют установки нескольких различных переключателей для измерения напряжения: тип тока, тип измерения и вставка наконечников проводов в определенные гнезда. Конец черного наконечника мультиметра подключается к гнезду COM (общее гнездо), красный наконечник подключается к гнезду с маркировкой “V”. Это гнездо является типичным гнездом для всех видов измерений напряжения. Гнездо с маркировкой “ma” предназначено для измерения малых токов. Розетка с маркировкой “10 A” предназначена для измерения значительного тока, который может достигать значения до 10 ампер.

Если измерить напряжение проводом, вставленным в гнездо “10 A”, устройство выйдет из строя или перегорит предохранитель. Поэтому при проведении измерений следует соблюдать осторожность. Наиболее распространенные неисправности возникают, когда вы сначала измеряете сопротивление, а затем, забыв переключиться в другой режим, начинаете измерять напряжение. Это приводит к перегоранию резистора внутри прибора, который отвечает за измерение сопротивления.

Когда прибор готов, можно приступать к выполнению измерений. Если при включении мультиметра на дисплее ничего не появляется, это означает, что срок службы батарейки внутри прибора истек и ее необходимо заменить. Наиболее распространенной батареей в мультиметрах является 9 В “Крона”. Срок его службы составляет около года, в зависимости от производителя. Если мультиметр не использовался в течение длительного времени, крона может быть повреждена. Если батарея исправна, мультиметр должен показать 1.

Провода необходимо вставить в гнездо или коснуться оголенных проводов щупом.

Значение напряжения сети немедленно появится в числовом виде на дисплее мультиметра. На стрелочном приборе стрела отклоняется на определенный угол. Стрелочный тестер имеет несколько градуированных шкал. Если внимательно посмотреть на них, все становится ясно. Каждая шкала предназначена для конкретного измерения: тока, напряжения или сопротивления.

Предел измерения на приборе установлен на 300 В, поэтому снимите показания на второй шкале, предел измерения которой равен 3, и умножьте показания прибора на 100. Шкала имеет деление 0,1 В, поэтому результат, показанный на рисунке, составляет около 235 В. Этот результат находится в пределах допустимого диапазона. Если показания счетчика постоянно колеблются во время измерения, это может свидетельствовать о плохом соединении электрических проводов, что может привести к образованию дуги и помехам в сети.

Измерение постоянного напряжения

Источниками постоянного напряжения являются батареи, низковольтные источники питания или аккумуляторы с напряжением 24 В или менее. Поэтому прикосновение к клеммам аккумулятора не опасно и не требует специальных мер предосторожности.

Чтобы оценить работу аккумулятора или другого источника, необходимо измерить напряжение на его клеммах. В случае пальчиковой батарейки полюса питания расположены на концах корпуса. Положительный полюс обозначен “+”.

Постоянный ток измеряется так же, как и переменный. Единственное различие заключается в установке устройства в нужный режим и соблюдении полярности клемм.

Напряжение батареи обычно обозначено на корпусе. Однако результат измерения еще не говорит о состоянии батареи, поскольку измеряется электродвижущая сила батареи. Срок службы устройства, в котором установлен аккумулятор, зависит от его емкости.

Для точной оценки работы батареи необходимо провести измерение напряжения при подключенной нагрузке. В качестве нагрузки для пальчиковой батарейки подходит лампочка фонарика на 1,5 В. Если при включении лампы напряжение падает незначительно, т.е. не более чем на 15%, то она пригодна для использования. Если напряжение падает намного больше, чем это значение, его можно использовать только в качестве настенных часов, которые потребляют очень мало энергии.

Недостатки: низкая точность (классы точности от 1,0 до 2,5); зависимость показаний от формы волны измеряемой величины.

8.1 Основные типы измерителей напряжения и тока

Напряжение и ток измеряются с помощью приборов прямого измерения или компараторов, которые можно разделить на три основных типа всех типов приборов для измерения напряжения и тока:

Электромеханические приборы широко использовались для измерения напряжения и тока 5…20 лет назад (а иногда и до сих пор используются). Устройства в этих системах часто являются частью других, более сложных измерительных приборов.

По физическому принципу, лежащему в основе их конструкции и дизайна, эти приборы относятся к группе аналоговых измерительных приборов, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Электромеханические приборы для непосредственного измерения измеряемой величины представляют собой класс аналоговых приборов, обладающих множеством положительных качеств: они просты в конструкции и эксплуатации, имеют высокую надежность и, при переменном токе, реагируют на среднеквадратичное значение напряжения. Это позволяет измерять наиболее информативные параметры сигнала без методических ошибок. Электромеханические измерительные приборы строятся в соответствии с обобщенной блок-схемой, показанной на рисунке 8.2.

Измерительная цепь электромеханических устройств состоит из набора сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов

Рисунок 8.2. Диаграмма электромеханического прибора

Цепи прибора преобразуют входную величину x в электрическую величину x’, на которую реагирует измерительный механизм. Он преобразует электрическую величину x’ в механическое угловое или линейное движение значение которого отображается на шкале, градуированной в единицах измерения величины N(x). Каждое значение измеряемой переменной должно иметь определенное отклонение, равное одному и только одному определенному отклонению. . В то же время параметры схемы и измерительного механизма не должны изменяться под воздействием изменения внешних условий: температуры окружающей среды, частоты электросети и других факторов.

Электромеханические устройства классифицируются по типу измерительного механизма. Наиболее распространенными системами, используемыми в практике радиоизмерений, являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, электростатическая.

-Магнитоэлектрическая измерительная система;

-электромагнитная измерительная система

-Электродинамическая измерительная система;

-Электростатическая измерительная система;

Обозначение типа измерительной системы нанесено на шкале прибора или измерительного инструмента.

Магнитоэлектрическая система. В этой системе измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, однородно благодаря особой конфигурации магнитопровода. Под влиянием текущего рамка вращается в магнитном поле, угол поворота ограничивается специальной пружиной, поэтому передаточная функция (часто называемая уравнением масштаба) является линейной:

где 0 – единичный коэффициент тока, определяемый параметрами рамки и магнитной индукции; W – единичный противодействующий момент, создаваемый специальной пружиной,

1 – рамка с измеренным током и стрелкой; 2 – сплошной сердечник;

3 – полюсные клеммы;4 – возвратная пружина

Вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы основаны на магнитоэлектрическом механизме, и их конструкция в основном определяется измерительной схемой. Магнитоэлектрические измерители имеют достаточно высокую точность, относительно низкое энергопотребление измерительной цепи и высокую чувствительность, но они работают только с постоянным током.

Для расширения пределов измерения тока амперметрами и вольтметрами используются шунты и дополнительные резисторы, которые включаются параллельно и последовательно с индикаторами в цепи этих приборов.

Основное применение портативные, лабораторные, многодиапазонные амперметры и вольтметры постоянного тока. класс точности 0,05 … 0,5, потребляемая мощность 10-5 … 10-4 W.

Гальванометры. Особую группу токоизмерительных приборов составляют очень чувствительные магнитоэлектрические устройства – индикаторы нуля, схемы сравнения или индикаторы баланса, называемые гальванометрами. Их назначение – указывать на наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны быть очень чувствительными. Гальванометры имеют произвольную шкалу и не регулируются ни в одном классе точности.

Чувствительность гальванометров выражается в мм или градусах (например, Si 109 мм/А). Такая высокая чувствительность возможна благодаря особой конструкции прибора.

Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градационные характеристики нестабильны и зависят от комбинации внешних факторов. Поэтому чувствительные гальванометры не градуируются в единицах измеряемой физической величины и им не присваиваются классы точности в момент изготовления. Метрологическими характеристиками гальванометров обычно являются чувствительность по току или напряжению и сопротивление рамки.

Современные гальванометры могут измерять токи 10 -5 … 10 -12 A и напряжением до 10 -4 В.

Электромагнитная система. Электромагнитная система основана на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Ферромагнитный сердечник будет втягиваться в катушку при любой полярности протекающего через нее тока. Это происходит потому, что ферромагнитный сердечник помещен в магнитное поле катушки, так что это поле усиливается. Поэтому устройство электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако электромагнитные устройства все же являются низкочастотными, поскольку индуктивное сопротивление катушки значительно увеличивается с ростом частоты.

Уравнение шкалы или передаточная функция электромагнитной измерительной системы выражается как

2 ,

где 2 =дт;

– индуктивность катушки

Преимуществами электромагнитной системы являются ее простота, способность выдерживать значительные перегрузки и возможность калибровки приборов, предназначенных для измерений переменного и постоянного тока. Недостатками этой системы являются высокое внутреннее энергопотребление, низкая точность, низкая чувствительность и сильное влияние магнитного поля.

На практике используются электромагнитные амперметры с диапазонами измерения от долей ампера до 200 ампер и вольтметры от долей вольта до сотен вольт. В основном используются в качестве щитовых и лабораторных переносных низкочастотных (f = 0 … 5 кГц) амперметров и вольтметров.Класс точности 0.5 … 2,5, потребляемая мощность Rx = 1 … 6 W.

Электродинамическая система – измерительный механизм состоит из двух измерительных катушек: неподвижной катушки и подвижной катушки. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют по формуле

cos ,

где Мвр – крутящий момент; I1 – ток через неподвижную катушку; I 2

ток через подвижную катушку; I2 – ток через подвижную катушку – сдвиг фаз между синусоидальными токами; М – коэффициент взаимной индуктивности катушек.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток могут быть изготовлены вольтметры, амперметры и ваттметры. Преимуществом электродинамических вольтметров и амперметров является их высокая точность при работе с переменным током. Предел основной уменьшенной погрешности может составлять 0,1…0,2 %, что является наилучшим достижимым значением для измерительных приборов переменного тока. В других отношениях электродинамические приборы похожи на электромагнитные. Электродинамические приборы используются в качестве лабораторных калибровочных приборов с низкой частотой и высоким классом точности.

Класс точности 0,1 … 0,2, потребляемая мощность Рсоб = 1 Вт, диапазон частот 0 … 5 кГц.

1 – фиксированная катушка

2 – подвижная катушка

Электростатические устройства – принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, прикрепленная к стрелке, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Движение ограничивается (как и в других электромеханических системах) пружиной. Электростатические приборы – это вольтметры, работающие по принципу механизма. Преимуществом этих устройств является широкий диапазон частот (до 30 МГц) и низкое энергопотребление измерительной системы. Приборы измеряют значение среднеквадратичного значения напряжения.

Уравнение рамки записывается в виде:

, dt, C – емкость между пластинами.

Основное применение – в высокочастотных лабораторных и высоковольтных вольтметрах. Класс точности 0,5 … 1,5, потребляемая мощность Rsob 1 мВт, диапазон частот 0 … 30 МГц

8.1 Магнитоэлектрические устройства с преобразователями

Преобразователи AC-DC

Описанные выше приборы не решают многих проблем, возникающих при измерениях переменного тока: электромагнитные и электродинамические являются низкочастотными, а электростатические имеют низкую чувствительность. Использование магнитоэлектрического механизма в сочетании с преобразователем значительно расширяет возможности измерения переменного тока. По типу преобразователя они подразделяются на выпрямительные и термоэлектрические.

Выпрямительные устройства представляют собой комбинацию измерительного механизма магнитоэлектрической системы и выпрямителя на основе полупроводниковых диодов.

Схемы подключения диодов с измерительными механизмами можно разделить на две основные группы: однополупериодные и двухполупериодные.

Наиболее распространенными являются схемы с двойным полупериодом выпрямителя.

a – трансформаторная схема; b – мостовая схема; c, d – мостовая схема с заменой двух диодов на резисторы.

Для измерения переменного тока мгновенное значение момента M(t)=Bsωi, где i – мгновенное значение тока, протекающего через измерительный механизм.

Из-за инерции подвижной части ее прогиб определяется средним значением крутящего момента MCP. Для цепи с одним полупериодом выпрямления, если ток средний крутящий момент за период

крутящий момент

где ICP – среднеквадратичное значение синусоидального тока; T – период.

Для выпрямительной цепи с двойным полупериодом крутящий момент удваивается.

Угол поворота подвижной части при однополупериодной и двухполупериодной ректификации составляет соответственно

Поскольку магнитоэлектрическая измерительная система реагирует на постоянный ток (RMS), измерительный прибор будет снимать показания пропорционально RMS значению переменного тока или напряжения. Это очень важно, поскольку приборы рассчитываются на среднеквадратичное значение синусоидального тока. Это означает, что шкала прибора показывает не то значение, на которое он реагирует (т.е. среднеквадратичное значение), а значение, умноженное на коэффициент формы синусоиды Kf= 1,11.

При измерении параметров переменного негармонического сигнала почти всегда возникает методическая ошибка. Например, при калибровке измерительного прибора по синусоидальному току точка шкалы 100 В соответствует среднему значению выпрямленного напряжения 90 В. Если мы подадим на измеритель напряжение в виде меандра с амплитудой 90 В (напомним, что такой сигнал имеет Ka = Kf = 1, то есть Um = U = Uв = 90 В), то его показания также будут около 100 В (1,11 Uв = 90 В), а абсолютная погрешность измерения напряжения составит △= 100-90=10 В.

Выпрямители используются как комбинированные измерители постоянного и переменного тока и напряжения с диапазонами измерения от 1 мА до 600 А и напряжения от 0,1 В до 600 В.

Преимуществами выпрямительных счетчиков являются их высокая обязательность, низкое самопотребление и возможность использования широкого диапазона частот. Частотный диапазон выпрямительных устройств определяется используемыми диодами. Использование кремниевых диодов позволяет, например, измерять переменные токи и напряжения на частотах 50…105 Гц. Основными источниками погрешностей приборов являются изменение параметров диода во времени, влияние температуры окружающей среды и отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, по которой откалиброван прибор. Выпрямители разработаны как многотемпературные и многоцелевые лабораторные измерительные приборы и включают в себя так называемый тестер.

Наименьшие диапазоны измерения переменных токов и напряжений – 0,25-0,3 мА и 0,25-0,3 В, низкое потребление собственной энергии, широкий диапазон частот (до 10-20 кГц).

Недостатки: низкая точность (классы точности 1,0-2,5); зависимость показаний от формы кривой измеряемой величины.

Область применения: многопредельные амперметры, фазометры выпрямителей и саморегистрирующиеся частотомеры.

Термоэлектрический, комбинация магнитоэлектрического измерительного механизма и одного или нескольких термоэлектрических преобразователей.

(a) Контактная схема термоэлектрического преобразователя

Термоэлектрическая измерительная система основана на термоэлектрическом преобразователе и магнитоэлектрическом микроамперметре. Термоэлектрический преобразователь состоит из нагревателя, через который протекает измеряемый ток, и термопары, на концах которой образуется термоэлектрический ток. Цепь термопары содержит микроамперметр, который измеряет тепловой ток. Спай термопары находится в тепловом контакте с нагревателем. Нагреватель представляет собой тонкую проволоку из металлического сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, марганец). В термопарах используются еще более тонкие провода, изготовленные из термостойких материалов.

Когда через нагреватель протекает ток, точка соединения между нагревателем и термопарой нагревается до температуры нагрева, в то время как холодный спай остается при температуре окружающей среды.

Термо-ЭДС, создаваемая термоэлектрическим преобразователем, пропорциональна количеству тепла, выделяемого измеренным током в точке спая. Количество тепла, в свою очередь, пропорционально квадрату измеряемого тока. Значение тока I0, протекающего через измерительный механизм, можно определить как I0=E/r, где E – термоэлектрическая ЭДС; R – полное сопротивление цепи постоянного тока. Поэтому показания термоэлектрического счетчика пропорциональны квадрату эффективного тока нагревателя, т.е. где k – постоянный коэффициент, который зависит от конструкции и типа термоэлектрического преобразователя и параметров измерительного механизма.

Работа прибора основана на тепловом эффекте тока, поэтому термоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем будет измерять среднеквадратичное значение переменного тока любой формы.

Термоэлектрические приборы в основном используются для измерения тока. В качестве вольтметров они практически не используются, поскольку их входное сопротивление очень низкое. Преимуществом термоэлектрических приборов является широкий диапазон частот (до 10 МГц). Недостатки: низкая чувствительность, низкий класс точности (1,5 … 4,0), высокое энергопотребление от измерительной цепи, низкая перегрузочная способность, неравномерная шкала.

Класс точности современных электростатических вольтметров достигает 0,1 и даже 0,05 (С-71), но чаще выпускаются приборы класса 1,5, 2 и 2,5. Для уменьшения влияния внешних электростатических полей используется электростатическое экранирование. Пределы измерения расширяются с помощью резисторных делителей напряжения.

Измерения тока и напряжения

Постоянный ток и напряжение можно измерить с помощью приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем, а напряжение – с помощью электростатических и электронных вольтметров. Кроме того, для более точных измерений используются компенсаторы постоянного тока.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы – это непосредственно микро- и миллиамперметры или милливольтметры, а в сочетании с шунтами и дополнительными резисторами – амперметры и вольтметры соответственно.

Для измерения и обнаружения малых токов (10 -11 – 10 -5 А) и напряжений (менее 10 -4 В) используются гальванометры – очень чувствительные измерительные механизмы, обычно магнитоэлектрической системы. В отличие от приборов, деления которых градуированы в измеряемых величинах, гальванометры имеют безымянную градуировку, значение которой указано в паспорте прибора или определено экспериментально.

Токи и напряжения постоянного тока можно измерять с помощью амперметров и вольтметров электромагнитных и электродинамических систем. Они в основном используются для измерений в цепях переменного тока.

Электростатические измерительные механизмы являются электростатическими вольтметрами, поскольку они могут измерять напряжение напрямую. Диапазон измеряемых ими напряжений варьируется от десятков вольт до сотен киловольт. Для измерения напряжений до 3 кВ используются измерительные механизмы с различными поверхностями электродов. Вольтметры выпускаются однопроводными и многопроводными, переносными (до 30 кВ) и стационарными (для измерений высоких напряжений, свыше 30 кВ).

Класс точности современных электростатических вольтметров достигает 0,1 и даже 0,05 (С-71), но наиболее часто выпускаются приборы класса 1,5, 2 и 2,5. Для уменьшения влияния внешних электростатических полей используется электростатическое экранирование. Пределы измерения расширяются с помощью резисторных делителей напряжения.

Основными преимуществами электростатических вольтметров являются: очень низкое энергопотребление (высокое входное сопротивление, 10 10 Ом), возможность измерения постоянного и переменного напряжения, возможность прямого измерения больших напряжений. Недостатками являются низкая чувствительность и неравномерность масштаба.

Напряжение постоянного тока от долей вольта до нескольких киловольт можно измерить с помощью электронных вольтметров, которые содержат измерительный механизм и ламповый или транзисторный усилитель постоянного тока. Существует несколько разновидностей электронного вольтметра постоянного тока, но все они характеризуются конструктивной схемой, показанной на рисунке 6.1 Рисунок 6.1.

Входное устройство (делитель напряжения), на которое подается напряжение U_X Это позволяет изменять пределы измерения и обеспечивает высокий входной импеданс устройства.

Измерительный механизм обычно представляет собой магнитоэлектрический микроамперметр с диапазоном измерения 50 500 мкА.

Усилители постоянного тока предназначены для увеличения чувствительности прибора путем повышения мощности измеряемого сигнала до уровня, обеспечивающего необходимый размах стрелки измерительного механизма. Усилители имеют высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Это гарантирует, что входное сопротивление вольтметра (10-20 мегаом) будет согласовано с низким внутренним сопротивлением микроамперметра. Наиболее распространенной формой усилителя является мостовая схема с обратной связью.

Электронные вольтметры со стрелочными показаниями характеризуются следующими особенностями: высокое входное сопротивление и, следовательно, низкое потребление энергии от объекта измерения; высокая чувствительность при большом диапазоне измерений; устойчивость к перегрузкам; относительно низкая скорость измерения (из-за инерционности магнитоэлектрического измерительного механизма); необходимость питания (от сети или батарей); высокая погрешность (основная погрешность снижается на 2 – 3 %).

В настоящее время, конечно, более распространены цифровые вольтметры – приборы с цифровым отсчетом и аналого-цифровым преобразователем, в которых напряжение (или другие физические величины; частота, фазовый сдвиг и т.д.) автоматически преобразуется в цифровой код. Такие приборы имеют ряд преимуществ перед индикаторными приборами: имеют широкий диапазон измеряемых напряжений (от 1 мВ до 1000 В), быстродействие, позволяют проводить измерения с малыми погрешностями (0,01 – 0,005), так как принцип действия большинства приборов основан на методе сравнения, а цифровое считывание исключает погрешность считывания. Цифровые вольтметры также позволяют вводить данные измерений непосредственно в счетные машины, что обеспечивает более быструю дальнейшую обработку полученных данных.

Недостатками являются сложность, низкая надежность и высокая стоимость.

Существуют различные принципы построения цифровых вольтметров постоянного тока:

В зависимости от типа компонентов, используемых в схемах, они делятся на:
- электромеханический;
- электронный;
- соединенные.
- пространственное кодирование;
- косвенное преобразование (в интервал времени, частоту, фазу и т.д.);
- сбалансированное опорное напряжение (наиболее точное).
Обобщенная принципиальная схема электронного цифрового вольтметра показана на рис. 6.2 рис. 6.2.

Входное устройство представляет собой высокоомный (около 10 мегаом) или катодный (эмиттерный) усилитель с калиброванным делителем.

Устройство сравнения (нулевое тело) используется для сравнения измеренного и опорного напряжений.

Устройства управления состоят из генератора импульсов, который задает циклы измерений и управляет работой логических схем.

Преобразователь напряжения в код генерирует опорное напряжение U_OBP который подается на эталонное устройство.

Электронный ключ – это устройство, которое включает или переключает выходное напряжение под воздействием одного или нескольких входных напряжений, называемых управляющими напряжениями.

Электронные счетчики считают измеренное напряжение в виде цифрового кода (обычно двоичного).

Мультиметр действует как несколько приборов

Меры предосторожности

При любом контакте с электричеством важно соблюдать меры предосторожности:
- Не измеряйте напряжение в поврежденной розетке и не используйте поврежденное оборудование, особенно при наличии проблем с изоляцией;
- Не прикасайтесь к металлическим частям зонда голыми руками – надевайте только резиновые перчатки;
Важно соблюдать правила безопасности во время работы
- При установке вероятного значения установите более высокое значение, например, 300 В вместо 200 В. Если значение выше установленного, устройство просто сгорит;
- Металлические детали не должны соприкасаться друг с другом во время измерения, иначе произойдет короткое замыкание;
- При работе с напряжением выше 60 В рекомендуется не держать щуп в разных руках. В противном случае при ударе ток потечет по “линии смерти” – рука – сердце – рука;
- Перед началом работы проверьте само устройство: целостность корпуса, затяжку винтов и надежность подключения кабелей;
- Очень важно соблюдать меры предосторожности и предварительно ознакомиться с инструкцией по эксплуатации мультиметра.
Вы заинтересованы в работе с клещевым измерителем

Для измерения постоянного напряжения вам может понадобиться выполнить ряд различных задач. Для этого используется специальное оборудование – вольтметр и тестер, для более простых процессов измерения, или универсальный мультиметр. Важно быть осторожным и, если есть сомнения, обратиться за советом к специалисту.

Читайте далее: