Измерение электрических величии
Измерение токов и напряжений.
Измерение постоянных токов и напряжений.
Измерение малых токов и напряжений до 1 мА и до 1 мВ. Могут быть использованы методы прямого и косвенного измерения. Прямое измерение тока заключается в применении чувствительных магнитоэлектрических приборов, в том числе зеркальных гальванометров. Чувствительность микроамперметров составляет 10-6 А, а гальванометров до 10-11 А.
Если необходимо измерить еще более слабые токи, то используют косвенные методы - по заряду, накопленному конденсатором или по падению напряжения на высокоомном резисторе. В качестве приборов используют баллистический гальванометр (чувствительность 10-12 А) или электрометр (чувствительность 10 -17 А). В последнем случае через проводник проходит всего 62 электрона в секунду.
Электрометрами называют приборы высокой чувствительности с очень большим входным сопротивлением (1010 - 1015 Ом). Они представляют собой разновидность электростатического измерительного механизма. На рис. 10.1.1 показана схема квадратного электрометра, содержащего 4 неподвижных электрода в виде квадрантов и одного подвижного электрода, подвешенного на растяжке, на которой закреплено отражающее зеркало оптического указателя. Квадранты попарно запитаны от двух источников напряжения U, равных по величине, но противоположных по полярности. Измеряемое напряжение Ux подается на подвижный электрод относительно общей точки. Отклонение подвижной части зависит от произведения напряжений UUx ; несмотря на малость Uх за счет большого значения U можно достичь заметного отклонения:
DC
α ═ ─── ─── UUx
W dα
Электрометры обладают очень высокой чувствительностью (до 104 мм/В).
При измерении малых токов по падению напряжения на известном высокоомном сопротивлении ro включают электрометр по схеме рис.10.1.2. а). Здесь U0=IxR0 – измеряемое напряжение. Ключ необходим для снятия
заряда с электродов конденсатора электрометра перед началом измерения. Возможности такого способа измерения ограничиваются тепловыми шумами в резисторе R0 , вызывающими нестабильность нуля.
При измерении малых токов по заряду, накопленному известным конденсатором Со , электрометр включают по схеме рис. 10.1.2.б). После размыкания ключа конденсатор С0 заряжается. За время t, отсчитываемое по секундомеру, конденсатор получит заряд Q=Ixt. Напряжение на кон-
денсаторе
Q Ixt
U0 ═ ───── ═ ──────
C0 +Cэ C0 +Cэ
Если С0 > Сэ , то Ix ≈ U0C0/t .
Более точный, но менее чувствительный способ измерения малых
токов заключается в измерении падения напряжения на образцовом резисторе при помощи потенциометра (компенсатора) постоянного тока. При этом можно обеспечить точность 0,5 % при токах не менее 108 А. Примерно такой же чувствительностью и точностью обладают некоторые цифровые амперметры (пикоамперметры), принцип действия которых сводится к измерению падения напряжения на образцовом резисторе цифровым милливольтметром.
Для измерения малых напряжений используются магнитоэлектрические гальванометры, компенсаторы постоянного тока, цифровые микровольтметры и стрелочные милливольтметры (самостоятельно или в сочетании с электронным усилителем).
Стрелочные магнитоэлектрические милливольтметры могут измерять напряжения начиная с 10-4 В при классе точности 0,2-0,5.
Чувствительность гальванометров гораздо выше - до 10-7 – 10-8 В при таком же классе точности.
Потенциометры (компенсаторы) превосходят гальванометры по точности и входному сопротивлению, но уступают по чувствительности: 10-5 - 10-6 В. Примерно такие же возможности цифровых милливольтметров: 10-5 В, 0,5%.
Для измерения очень слабых напряжений, порядка 10-7 В, используют также серийные нановольтметры на базе фотогальванометрического усилителя. Электронные микровольтметры имеют хуже чувствительность, но значительно большее входное сопротивление.
Измерение средних значений постоянных токов и напряжений 10 мA - 100 А, 1 мВ - 600 В наиболее часто встречается в метрологической практике. Используются прямые и косвенные методы измерения токов, и только прямые методы измерения напряжений. В указанном диапазоне работают электромеханические стрелочные приборы различных систем, а также многие электронные и цифровые приборы.
Магнитоэлектрические приборы могут измерять непосредственно токи от 1 мкA – до 6 к А, а напряжения от 1 мВ до 1,5 кВ. Обычный класс точности 0,1 – 0,2. Обладают малым потреблением мощности.
Электродинамические приборы измеряют токи от 10 мА до 100 А и напряжение от 100 мВ до 600 В. По точности эквивалентны магнитоэлек-
трическим приборам, но потребляют гораздо большую мощность и имеют
неравномерную шкалу.
Электромагнитные приборы могут измерять токи от 10 мА до 200А и напряжения от 1 В до 75 В. Классы точности 0,2 - 0,5. Главное их преимущество - нткая стоимость.
Электростатические вольтметры работают в диапазоне от 10 В до сотен кВ с классами точности 0,5 - 1,5. Эти приборы очень сложны, дорогие и выпускаются в малом количестве. Используются в тех случаях, когда недопустимо потребление энергии от измеряемой цепи.
Электронные приборы имеют широкий диапазон измерении, но невысокую точность: классы 0,5 - 1,0 для лучших образцов.
Наиболее точное измерение можно осуществить с помощью потенциометров (компенсаторов) постоянного тока (класс точности 0,001-0,002) и цифровых вольтметров и амперметров (класс точности 0,005-0,02).
Измерение больших постоянных токов и напряжений - килоамперы и киловольты.
Магнитоэлектрические амперметры используются с шунтами, которые выпускаются на токи до 10 кА. При больших токах используют несколько параллельно соединенных однотипных шунтов. В том случае, когда хотят гальванически отделить прибор от силовой цепи, применяют измерительные трансформаторы постоянного тока.
Можно разработать специальные нестандартные приборы для косвенного измерения больших токов по создаваемому ими магнитному полю.
Магнитоэлектрические вольтметры с добавочными сопротивлениями используются для измерения напряжений до 6 кВ. При больших напряжениях необходимо использовать трансформаторы постоянного напряжения или вольтметры электростатической системы, работающие в диапазоне до 300 кВ.