Измерение постоянного тока
Лекция 2
Тема – Измерение постоянного тока
Многопредельные амперметры.
При проведении отладочных работ сложной аппаратуры часто возникает потребность измерять силу тока в нескольких диапазонах значений, не перекрываемых шкалой одного прибора. Использование нескольких измерительных приборов, в этом случае неудобно. Это неудобство устраняется при использовании многопредельных амперметров.
Многопредельный амперметр получается из однопредельного, путем введения дополнительных элементов, позволяющих изменять постоянную прибора -с, или ответвляющих часть тока в дополнительный элемент. Элемент, по которому пропускается часть тока, называется шунтом. Схема подключения шунтирующих элементов показана на Рис. 1.
Рис.1. Схема подключения шунта к амперметру.
(Rпр – активное сопротивление измерительной катушки амперметра, Rш – сопротивление шунтирующего элемента, А – идеализированный амперметр).
Измеряемый ток – IX, согласно с законом Кирхгофа, разветвляется на два тока: -IПР – ток прибора, и, IШ – ток шунта. Распределение токов по ветвям новой цепи диктуется выбором значений омических сопротивлений включенных в каждую из них.
Рекомендуемые материалы
Допустим, что нам необходимо измерить ток IX в 10 раз, превышающий предельное значение тока, указанное на шкале амперметра IX =10IПР. Для этого необходимо выбрать сопротивление шунта таким, чтобы удовлетворить решению уравнения 10IПР = IПР + IШ, отсюда
-9-
IШ =9 IПР. Падения напряжения на приборе и шунте равны друг другу, поэтому можно записать 
; 
. Сопротивление прибора - RПР –известно, Можно определить сопротивление шунта RШ. 
. Видим, что для расширения шкалы прибора в 10 раз, необходимо зашунтировать прибор сопротивлением в 9 раз меньшим, чем собственное сопротивление амперметра.
Включение дополнительных элементов в измерительную цепь вносит дополнительную погрешность в результаты измерений. Оценим эту погрешность. Погрешности, амперметра и шунта аддитивно суммируются, следовательно 
, отсюда, для получения многопредельного амперметра высокого класса точности шунтирующий резистор должен быть выполнен с малой погрешностью. При серийном производстве многопредельных амперметров необходимо выбирать резисторы не только с малым отклонением номинального значения, но и с малым разбросом значений сопротивления в партии резисторов.
Особое внимание необходимо обращать, при включении амперметров в электрическую цепь, на качественное выполнение соединений прибора с элементами электрической цепи. Высокое сопротивление в местах соединений является дополнительным нагрузочным элементом, включенным последовательно с сопротивлением нагрузки источника питания цепи. Причинами высоких переходных сопротивлений могут являться : - загрязнения контактных площадок, окисные пленки, недопустимые контактные пары, малое усилие сжатия контактных элементов.
Тема: - Измерение переменного тока.
Амперметр магнитоэлектрической системы
Рассмотренный нами амперметр постоянного тока не годится для измерения переменного тока, так как сила Лоренца, действующая на проводник с переменным током, изменяет свое направление вместе с изменением направления тока.
Для построения амперметра переменного тока используется принцип взаимодействия магнитного поля, наведенного током, протекающим по измерительной катушке, с магнитным полем, наведенным в магнитомягком материале. Схематическое устройство такого амперметра показано на Рис.2.
Рис.2. Устройство амперметра электромагнитной системы.
(W – измерительная катушка амперметра, 1 – магнитомягкий сердечник, 2 – стрелка амперметра, 3 – шкала прибора, 4 – ось вращения стрелки). Не показаны на рисунке пружина, создающая противодействующий момент и устройство гашения колебаний – демпфер.
-10-
При включении измерительной катушки в цепь переменного тока в ней создается переменное магнитное поле. Магнитное поле намагничивает сердечник из магнитомягкого материала, сердечник притягивается к катушке (втягивается в нее). Повороту стрелки противодействует связанная со стрелкой пружина. Так как под влиянием силы притяжения магнитомягкого сердечника изменяется только угловое положение стрелки прибора, то вращающий момент, создаваемый электрическим током можно определить через электромагнитную энергию системы с индуктивным элементом WЭ.
(1)
Вращающий момент М связан с энергией индуктивной системы выражением - 
(2)
Подставляем выражение (1) в уравнение (2), получим 
При измерении переменного тока электрический вращающий момент пульсирует по величине, но не изменяет знака.
Для вращающего момента пружины можно записать 
. Поворот стрелки завершится, когда МЭ будет равен моменту создаваемому пружиной МЭ=МП , отсюда получаем зависимость угла поворота стрелки 
от силы тока.
Полученная зависимость угла поворота от силы тока близка к квадратичной, что нежелательно. Подбором параметра
добиваются почти линейной шкалы прибора, для токов превышающих ~20% максимального значения шкалы амперметра. Амперметры электромагнитной системы наиболее часто используются в стационарных условиях, там, где необходимо постоянно контролировать силу тока в цепи, они могут измерять как переменный, так и постоянный ток. Изменение пределов с помощью шунтов не допускается, это приводит к сильному снижению класса точности амперметров. Расширение возможно с использованием трансформаторов тока.
Амперметры переменного тока с преобразованием в постоянный
Для выполнения измерений в процессе отладки аппаратуры удобно совмещать в одном приборе амперметры постоянного и переменного тока. В основе такого амперметра лежит амперметр магнитоэлектрической системы с преобразованием переменного тока в постоянный. Преобразование выполняется выпрямителем переменного тока на базе полупроводниковых диодов. Схема амперметра переменного тока с однополупериодным выпрямителем приведена на Рис.3.
-11-
Рис.3. Схема электрическая принципиальная амперметра переменного тока с однополупериодным выпрямителем (R1 – токоограничивающее сопротивление, R2 – сопротивление ограничивающее обратный ток диода Д2, Д1,Д2 – выпрямительные диоды, А – идеализированный амперметр)
При включении амперметра в электрическую цепь, на зажимы А ,Б подается переменное напряжение. Ток Iпр по цепи (Д1, А) – протекает только в том полупериоде переменного напряжения, когда потенциал зажима А выше потенциала зажима Б, в этом случае диод Д1 включен в проводящем направлении. При смене полярности на зажимах А и Б, диод Д1 запирается (не пропускает электрический ток), диод Д2 отпирается, то есть пропускает электрический ток – Iобр. Отношение этих токов называется коэффициентом выпрямления k.
Сопротивления Rпр и Rобр – сопротивление диода в прямом и обратном включении приложенного напряжения.
Полупроводниковый диод является нелинейным элементом, это означает, что зависимость тока через диод не подчиняется закону Ома. Вольт – амперная характеристика диода I = f(U) приведена на Рис. 4.
-12-
 |
Рис.4. Вольт – амперная характеристика диода
В области прямого включения диода потенциал анода выше потенциала катоде (показано на рисунке в правой полуплоскости). Сопротивление диода уменьшается с ростом приложенного напряжения, и, когда оно достигает значения равного UОТП , сопротивление диода падает. При напряжениях выше напряжения отпирания UОТП , характеристика диода приближается к линейной. В этом случае можно записать 
для напряжений U>> UОТП .
В области обратного включения диода (левая полуплоскость) потенциал анода ниже потенциала катода. Сопротивление диода велико, и, обратный ток подчиняется закону Ома, при обратных токах значительно превышающих тепловой ток диода. 
- при I >> IТЕПЛ.
В амперметрах переменного тока с однополупериодным выпрямителем через амперметр протекает пульсирующий ток. Вращающий момент создаваемый рамкой при протекании пульсирующего тока можно записать
,
где: - B-индукция магнитного поля в зазоре, -W – число витков измерительной катушки,- S – площадь рамки, - i – текущее значение тока. Для синусоидального тока текущее значение выражается формулой:
i= ImSin
t.
Угол поворота рамки - пропорционален вращающему моменту (без учета момента, развиваемого пружиной). Среднее значение угла поворота рамки можно вычислить подставив в формулу вращающего момента среднее значение тока. 
После вычисления интеграла получаем
-13-
При использовании двухполупериодного выпрямителя в конструкции амперметра постоянного тока средний вращающий момент удваивается.
Схема амперметра переменного тока с двухполупериолным выпрямителем показана на Рис.5.
 |
Рис.5. Включение амперметра постоянного тока в схему выпрямительного моста для измерения переменного тока.
Приведенные выше формулы позволяют оценить среднее значение тока, для практических целей нужно знать действующее значение, действующее значение связано со средним коэффициентом формы измеряемой величины. Так как Kf =
,то, подставив это выражение в формулу для угла поворота рамки, получим
.
Видим, что шкала прибора градуируется только для токов одной формы, для измерения силы тока другой формы необходимо брать прибор с другой шкалой.
В лекции рассмотрены вопросы:
- расширение пределов измерения амперметра постоянного тока, и превращение его в многопредельный амперметр,
- устройство и принцип действия амперметра магнитоэлектрической системы,
- оценка чувствительности амперметра,
- схемы амперметров переменного тока с преобразованием рода тока,
- влияние формы электрического сигнала на результат измерений.
Основная литература
1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы электрических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008. Электронная версия.
Лекция "Общественность в сфере public relations" также может быть Вам полезна.
2. Гусев В.Г. Гусев Ю.Н. Электроника и микропроцессорная техника. М. ВШ.2005.
3. Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. Учебник для студентов вузов./ М.: Высш. шк., 2002.
4. Лившиц Н.С., Телешевский Б.Е. Радиотехнические измерения. М., Высш. Шк., 1992.
5. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов./ Под ред. Е.М.Душина. Л.: Энергоатомиздат, 1987.
6. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб.пособие для вузов. / Под ред. Н.Н.Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990.
-14-
