8 СРЕДСТВА И ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

8 СРЕДСТВА И ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН

К числу важнейших величин относятся измерения напряжения и силы тока (в литературе и на практике принято гово­рить об измерении тока, но в  принципе измеряют силу тока).Специфика измерений этих величин связана с формой измеряемых сигналов,особенно это характерно для   радиотехнических цепей. Несмотря на ограниченное применение таких характеристик сигналов, как напряжение и сила тока, вольтметры и амперметры являются достаточно востребованными типами приборов.

  Общие сведения по измерениям напряжения и силы тока.

Измерения напряжения и силы тока в электрических цепях относятся к  наиболее распространенным видам измерений. При этом преобладающее значение имеет  измерение напряжения, так как чаще всего этой величиной  принято характеризовать режимы работы paзличных цепей и устройств. К тому же параллельный метод подключения вольтметра к участку цепи, как правило, не приводит к нарушению электрических процес­сов в ней, поскольку входное сопротивление прибора  выбирается достаточно большим. При измерениях же тока приходится размыкать исследуемую цепь и в ее разрыв последовательно включать амперметр, внутреннее сопротивле­ние которого отлично от нуля. Однако в ряде случаев необходимы как пря­мые ,так и косвенные измерения силы тока, поэтому вопросы измерения напряжения  и тока рассматриваются совместно.

 

Задача измерения постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значения и полярности. Целью измерения переменных напря­жения и силы тока является определение какою-либо их параметра.Так как напряжение и сила тока связаны, согласно закону Ома, линейной зависимостью, чаще проводят измерение напряжения и по его значению ана­литически вычисляют силу тока.

Из курса физики известно, что напряжение между точками А и В есть ска­лярная величина, определяемая выражением в

                        В  →  →

            U АВ = ∫ Е d l                                                                 (8.1)        

                        А        

         →                                                                                                                →                   

где Е — напряженность электрического поля; l — расстояние между точками.

      Современные методы и средства измерений позволяют измерять напря­жения в диапазоне 10 -10… 106 В и силу тока в диапазоне 10 -18… 105 А. Вместе с тем данные измерения должны осуществляться в очень широкой полосе частот — от постоянного тока до сверхвысоких частот. Такие крайние зна­чения величин требуют уникальных методов измерения.

Измерение параметров переменного напряжения — сложная метрологи­ческая задача, связанная с обеспечением требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого сигнала. Переменное напряжение (пере­менный ток) промышленной частоты имеет синусоидальную форму

          U (τ)  = Umsin(ωτ + φ),                         (8.2)

 

и его мгновенное значение U (τ)   характеризуется несколькими основными па­раметрами: амплитудой Um, круговой частотой ωτ  и начальной фазой φ .

Уровень переменного напряжения может быть определен по амплитудному,  среднему квадратическому (часто в технической литературе употреб­ляется термины «среднеквадратическое», «действующее» и «эффективное», которые соответствующим ГОСТом относятся к нерегламентируемым), сред­нему (постоянной составляющей) или средневыпрямленному значениям.

Мгновенные значения напряжения U (τ)   наблюдают на экране осциллогра­фа или другого индикаторного устройства и определяют в каждый момент времени (рис. 8.1).

Амплитуда (высота, устаревшее — пиковое значение) Um — наибольшее мгновенное значение напряжения за время наблюдения или за период.

Измеряемые напряжения могут иметь различный вид по форме им­пульсов, гармонических или негармонических колебаний — суммы синусоиды с постоянной составляющей и т.д. (рис. 8.1, а, б, в). При разнополярных несиммет­ричных кривых формы напряжения различают два амплитудных значения (рис.8.1г): положительное U+m и отрицательное U-m.

Среднее квадратическое значение напряжения определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напряжения за время измерения (или за период):

 

               1           T

              U =   √                    ∫   U2 (τ) d τ                            (8.3)

               T          0

 

 

Если периодический сигнал несинусоидален , то квадрат среднего квадра-тического значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и средних квадратических значений гармоник:

 

              U2 = U20 + U21 + U2 2 + …                  (8.4)

 

Среднее значение (постоянная составляющая )напряжения равно среднему арифметическому всех мгновенных значений за период:

 

 

                                      в)                                                          г)

Рис. 8.1. Иллюстрации к понятию амплитуда напряжения:

а – импульсы положительной полярности; б— синусоидальное напряжение;

в – сумма синусоиды и постоянной составляющей; г — несинусоидальное колебание

                             1      T

                               UСР =               ∫   U (τ) d τ                  (8.5)

                                                 T     0

          

Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее арифметиче­ское абсолютных мгновенных значений за период:

                           1      T

                               UСР.В =            ∫   U (τ) d τ             (8.6)    

                                                 T     0

                                                                             

Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямленное значе­ния равны. В случае разнополярных напряжений эти два значения могут су­щественно отличаться друг от друга. Так, для гармонического напряжения UСР = 0, UСР.В = 0,637 Um.

Наиболее часто измеряют среднее квадратическое значение напряжения, так как этот параметр связан с мощностью, нагревом, потерями. Однако проще измерить амплитудное или средневыпрямленное значение и произве­сти пересчет с применением коэффициентов амплитуды Ka и формы Kф. В частности, для синусоидальной (гармонической) формы переменного напряжения: Ka = 1,41; Kф = 1,11.Значения этих коэффициентов для наиболее употребляемых в радиотех­нических цепях и средствах измерения видов сигналов и соотношения между ними даны в табл. 8.1, где все величины напряжений обозначены буквой U.