Измерение тока и напряжения в цепях постоянного тока

Определение значений напряжений осуществляют, как пра­вило, прямыми измерениями; токов - кроме прямых измерений, широко используют косвенные измерения, при которых измеряет­ся падение напряжения U на резисторе с известным сопротивле­нием R, включенном в цепь измеряемого тока I _X ( рисунок 8.3).

Рисунок 8.3. Схема измерения напряжения

Значение тока находят по закону Ома: I ₂ =U _ab /R ₂. В этом случае погрешность результата измерения Δ I _Xопределяется погрешностью измерения напряжения Δ U и погрешностью Δ R, обусловленной отличием номинального значения сопротивления R от истинного значения сопротивления R ₂. Погрешность Δ I _Xможет быть найдена по пра­вилам обработки результатов наблюдения при косвенных измере­ниях.

Измерения токов и напряжений всегда сопровождаются по­грешностью, обусловленной сопротивлением используемого сред­ства измерений. Включение в исследуемую цепь средства измере­ний искажает режим этой цепи. Так, например, включение ампер­метра для измерения тока, имеющего сопротивление R_A, в цепь, изображенную на рисунке 8.1, приведет к тому, что вместо тока I _Х = U/R, который протекал в этой цепи до включения амперметра, после включения амперметра пойдет ток I _Х = U/ (R+ R_A). Погрешность измерения тока тем больше, чем больше сопротивление амперметра.

Анало­гичная погрешность возникает при измерении напряжений. На­пример, в цепи, представленной на рисунке 8.2, при включении вольтметра, имеющего сопротивление R _V, для измерения напря­жения между точками а и b режим цепи тоже нарушается, так как вместо напряжения U_ab=U · R₂/(R₁ +R₂),которое было в схе­ме до включения вольтметра, после его включения напряжение определится по формуле:

U_ab=I_X · (R ₁+ R ₂ · R _V/ R+R _V).

Погрешность измерения напряжения тем больше, чем меньше сопро­тивление вольтметра.

Косвенным показателем сопротивления средств измерений является мощность, потребляемая средством из цепи, в которой производится измерение. При протекании тока I через амперметр с сопротивлением R _A мощность, потребляемая амперметром, P _А = I · R _A.

Мощность, потребляемая вольтметром при измерении напряжения, определяется выражением P _V = U / R _V. Следова­тельно, погрешность от искажения режима цепи при измерении токов и напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потреб­ляемая средством измерений из цепи, где производится измере­ние. Из средств измерений, используемых для измерений токов и напряжений, наименьшим потреблением мощности из цепи измерений обладают компенсаторы (потенциометры), электрон­ные и цифровые приборы. Среди электромеханических приборов наименьшую мощность потребляют магнитоэлектрические и электростатические приборы. Весьма малая мощность, потреб­ляемая из цепи измерений компенсаторами, позволяет измерять ими не только напряжения, но и ЭДС.

Диапазон измеряемых токов и напряжений весьма широк. Например, при биологических исследованиях, космических исследованиях, измерениях в вакууме необходимо измерять по­стоянные токи, составляющие доли фемтоампер (10^-15 А), а в мощных энергетических установках, на предприятиях цвет­ной металлургии, химической промышленности - токи, достига­ющие сотен килоампер. Для измерений токов и напряжений в таком широком диапазоне значений выпускаются различные средства измерений, обеспечива­ющие возможность измерений в определенных поддиапазонах. Средства измерений токов и напряжений делают, как правило, многопредельными.

Для расширения пределов измерений тока применяют шунты и измерительные трансформаторы постоянно­го тока - в цепях постоянного тока и измерительные трансфор­маторы переменного тока - в цепях переменного тока. Для рас­ширения пределов измерений напряжения используют делители напряжения, добавочные резисторы и измерительные трансфор­маторы напряжения.

Весь диапазон измеряемых токов и напряжений можно услов­но разбить на три поддиапазона: малых, средних и больших значений. Наиболее обеспеченным средствами измерений явля­ется поддиапазон средних значений (ориентировочно: для то­ков - от единиц миллиампер до десятков ампер; для напряже­ний - от единиц милливольт до сотен вольт). Именно для этого поддиапазона созданы средства измерений с наименьшей по­грешностью измерения токов и напряжений. Это не случайно, так как при измерении малых и больших токов и напряжений возни­кают дополнительные трудности.

При измерении малых токов и напряжений эти трудности обусловлены термо-ЭДС в измерительной цепи, резистивными, и емкостными связями измерительной цепи с посторонними ис­точниками напряжения, влиянием внешнего магнитного поля, шумами элементов измерительной цепи и другими причинами. Внешнее переменное магнитное поле тоже может внести су­щественные искажения за счет ЭДС, наводимых в проводах и других элементах цепи, соединяющей источник малой измеря­емой величины со средством измерений. Полностью устранить влияние отмеченных факторов не уда­ется. Поэтому измерения малых токов и напряжений осуществля­ются с большей погрешностью.

Измерения больших токов и напряжений имеют свои осо­бенности и трудности. Например, при измерении больших посто­янных токов с использованием шунтов на шунтах рассеивается большая мощность, приводящая к значительному нагреву шун­тов и появлению дополнительных погрешностей. Для уменьшения рассеиваемой мощности и устранения перегрева необходимо уве­личивать габариты шунтов или применять специальные дополнительные меры по искусственному охлаждению. В результате шун­ты получаются громоздкими и дорогими. При измерении больших токов очень важно следить за качеством контактных соединений, по которым протекает ток. Плохое качество контактного соедине­ния может не только исказить режим цепи и, следовательно, результат измерения, но и привести к обгоранию контакта за счет большой мощности, рассеиваемой на контактном сопротивлении. При измерении больших токов могут возникнуть дополнительные погрешности от влияния на средства измерений сильного магнит­ного поля, создаваемого вокруг шин протекающим током.

При измерении больших напряжений возрастают требования к качеству изоляционных материалов, применяемых в средствах измерений, как для уменьшения погрешностей, возникающих от токов утечки через изоляцию, так и для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Например, если для расширения пределов измерений используется делитель напряжения, то с уве­личением измеряемого напряжения сопротивление делителя нуж­но увеличивать. При измерении больших напряжений сопротивление делителя может оказаться сравнимым с сопротив­лением изоляции, что приведет к погрешности деления напряже­ния и, следовательно, к погрешности измерений. Отсюда следует, что при измерении больших токов и напряже­ний, кроме обычных погрешностей, возникают погрешности, обус­ловленные спецификой этих измерений.