Приборы для измерения напряжения и тока

Приборы для измерения напряжения и тока можно классифицировать по различным признакам:

• — по типу отсчетного устройства (аналоговые и цифровые);
• — по методу измерения (непосредственной оценки (прямого действия) и сравнения с мерой);
• — по значению измеряемого напряжения (пиковых значений, средневыпрямленных значений, среднеквадратических значений);
• — по виду входа (с открытым или закрытым).

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество электромеханических и электронных приборов для измерения напряжений и токов. Рассмотрим принципы их построения.

Электромеханические вольтметры и амперметры

Электромеханические вольтметры и амперметры относятся к аналоговым приборам прямого действия, в которых электрическая измеряемая величина непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства.

В простейшем случае электромеханические вольтметры и амперметры представляют собой измерительный механизм с отсчетным устройством (см. гл. 1), снабженный входными зажимами для подключения к объекту измерения.

Обобщенную структурную схему электромеханического вольтметра (амперметра) можно представить в виде последовательно соединенных входной измерительной цепи и измерительного механизма с отсчетным устройством. Заметим, что сочетание измерительного механизма и отсчетного устройства принято называть измерителем.

Входная измерительная цепь (входное устройство) содержит, как правило, один или несколько измерительных преобразователей, с помощью которых измеряемая величина Xпреобразуется в величину Y, удобную для воздействия на измерительный механизм.

Наиболее часто в электромеханических приборах используют масштабные и нормирующие измерительные преобразователи, а также преобразователи значений величин (см. гл. 1).

Для измерения напряжений и токов могут применяться практически большинство известных типов измерительных механизмов (ИМ).

Для измерения постоянных напряжений в широком диапазоне значений (от долей милливольт до сотен вольт) используют электромеханические вольтметры с магнитоэлектрическим измерительным механизмом (МЭИМ). Эти приборы имеют сравнительно высокий класс точности (до 0,05), однако их входное сопротивление не превышает десятков тысяч ом, что может приводить к значительным систематическим погрешностям. Систематические погрешности вольтметров с МЭИМ имеют также и температурный характер вследствие зависимости сопротивления рамки прибора от температуры окружающей среды.

Реже для измерения постоянных напряжений используют электромеханические вольтметры с электростатическим ИМ (ЭСИМ), электромагнитным ИМ (ЭМИМ) и электродинамическим ИМ (ЭДИМ).

Вольтметры с ЭСИМ обычно используют для измерения больших напряжений (киловольтметры), а вольтметры с ЭДИМ применяют в качестве образцовых приборов при проверке измерительных приборов более низкого класса точности.

Для измерения постоянных токов в широком диапазоне значений (10^_7…50 А) наиболее широко, также как при измерении постоянных напряжений, используют электромеханические приборы (амперметры) с МЭИМ. Для этих приборов также характерна температурная систематическая погрешность (особенно при использовании шунтов), так как в этом случае из-за различных значений температурных коэффициентов материала рамки и шунта происходит перераспределение протекающих через них токов. Для измерения постоянных токов используют также амперметры с ЭМИМ и ЭДИМ.

Измерение переменных напряжений проводят вольтметрами с ЭМИМ, ЭДИМ, ФДИМ, ЭСИМ, термоэлектрическими приборами, а также выпрямительными вольтметрами, т. е. вольтметрами, имеющими измерительный механизм магнитоэлектрической системы и выпрямитель (преобразователь), включенный на входе ИМ.

Переменные токи измеряют термоэлектрическими и выпрямительными амперметрами, а также амперметрами, имеющими электромагнитные и электродинамические ИМ. Малые переменные токи измеряют обычно выпрямительными амперметрами. Наиболее широкий диапазон измеряемых переменных токов обеспечивают выпрямительные амперметры, они чаще используются для измерения малых токов. Наиболее широкий частотный диапазон измеряемых токов обеспечивают амперметры термоэлектрической системы.

У большинства электромеханических приборов входное сопротивление невелико (килоомы), поэтому они пригодны для измерения напряжения только в низкоомных цепях. В цепях с высокоомными нагрузками (мегаомы) эти приборы (за исключением электростатических) использовать нельзя, так как при их включении шунтируется нагрузка и тем самым изменяется электрический режим цепи. Кроме того, типовыми недостатками для аналоговых электромеханических приборов являются малый диапазон частот, в котором они дают достоверные показания, большие входные емкости и индуктивности, зависимость входного сопротивления от частоты.

На практике широкое распространение получили универсальные электромеханические приборы для измерения постоянных и переменных напряжений и токов, а также сопротивлений постоянному току — авометры (мультиметры). Они представляют собой сочетание добавочных резисторов или шунтов, преобразователей значений измеряемых переменных токов и напряжений (полупроводниковых выпрямителей) и ИМ магнитоэлектрической системы с отсчетным устройством.

Вариант схемы авометра при измерении напряжения постоянного тока показан на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Упрощенная схема авометра в режиме измерения постоянного напряжения.

Переключателем осуществляется изменение диапазона измерений, однако входное сопротивление вольтметра, отсчитанное в [Ом/В], при изменении диапазона обычно остается постоянным за счет подбора резисторов.

Например, если Л, = 15 МОм, Я₂ = 4 МОм, /?, = 800 кОм, /?₄= 150кОм, Л₅ = 48 кОм, а диапазоны соответственно 1000,250,50, 10, 2,5 В, то при сопротивлении обмотки прибора 2 кОм входное сопротивление прибора в любом положении переключателя диапазонов будет равно 20 кОм/В.