Измерение тока и напряжения
Контрольная работа
Измерение тока и напряжения
Содержание
1 Измеряемые параметры напряжений
2 Классификация вольтметров
3 Электромеханические приборы
4 Магнитоэлектрические приборы с преобразователями
5 Аналоговые электронные вольтметры
6 Цифровые электронные вольтметры
Литература
1 Измеряемые параметры напряжений
В телекоммуникационных системах преобладающим является измерение напряжения. Поэтому будем рассматривать вопросы измерения напряжения, по значениям которого при необходимости вычисляется сила тока.
При измерении постоянного напряжения оценивается величина и полярность. Измерение параметров напряжения переменного тока является сложной метрологической задачей, связанной с обеспечением требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого напряжения.
Для характеристики переменного напряжения используют следующие параметры:
- среднее значение (постоянная составляющая) U0
(1)
где Su(t) - площадь, занимаемая кривой напряжения;
- средневыпрямленное значение Uсв
(2)
- среднеквадратическое (действующее, эффективное) значение
(3)
Для несинусоидального напряжения, разложенного в ряд Фурье, т.е.
(4)
среднеквадратическое значение напряжения получается равным
(5)
Максимальное (амплитудное, пиковое) значение Um — наибольшее мгновенное значение напряжения на интервале наблюдения, на периоде для периодических сигналов.
В соответствии с ГОСТ 16465-70 термины "амплитудное", "пиковое", "действующее" и "эффективное" значения сигнала являются не рекомендуемыми к употреблению.
Перечисленные параметры связаны между собой посредством следующих коэффициентов:
Формы Кф = Uск / Uсв (6)
Амплитуды Ка = Um / Uск (7)
Усреднения Ку = Кф Кф = Um / Uсв (8)
2. Классификация вольтметров
В зависимости от применяемого метода измерения напряжения вольтметры подразделяют на приборы непосредственной оценки и приборы, работающие на методе сравнения с мерой.
В зависимости от структурной схемы вольтметры разделяются на:
1 - электромеханические;
2 - электронные аналоговые;
3 - электронные цифровые.
В зависимости от рабочего диапазона частот вольтметры делят на:
1 - низкочастотные;
2 - высокочастотные;
3 - сверхвысокочастотные;
4 - широкополосные.
В зависимости от вида измеряемого напряжения вольтметры обозначают:
1 - В2 – постоянного тока;
2 - В3 – переменного тока;
3 - В4 – импульсные;
4 - В5 - фазочувствительные;
5 - В6 - селективные;
6 - В7 - универсальные.
В зависимости от характера измеряемого значения переменного напряжения вольтметры подразделяют на:
1 - амплитудные (пиковые);
2 - среднеквадратического (действующего) значения;
3 - средневыпрямленного значения.
3 Электромеханические приборы
Электромеханические приборы относятся к классу приборов непосредственной оценки и состоят из двух частей: измерительного преобразователя и измерительного механизма. В измерительном преобразователе измеряемая величина преобразуется в электрическую, удобную для измерения измерительным механизмом. Измерительный механизм электромеханического прибора работает на принципе преобразования энергии электромагнитного поля измеряемой величины в механическую энергию, т.е. в перемещение стрелки в приборе. Измерительные механизмы различаются способом преобразования электромагнитной энергии в механическую. Наибольшее распространение в телекоммуникационных системах нашли следующие системы измерительных механизмов:
1. магнитоэлектрические, основанные на взаимодействии поля постоянного магнита и одного или нескольких контуров с электрическим током;
2. электромагнитные, основанные на взаимодействии поля соленоида с сердечником из магнитомягкого материала;
3. электродинамические, основанные на взаимодействии подвижных и неподвижных контуров с токами;
4. электростатические, основанные на взаимодействии электрически заряженных тел.
Каждый измерительный механизм электромеханического прибора состоит из подвижной и неподвижной частей, на которые действуют механические силы, пропорциональные значению измеряемой электрической величины. Они создают вращающий момент относительно оси подвижной части, под влиянием которого она совершает угловое перемещение. Для отсчета измеряемой величины необходимо, чтобы каждому значению измеряемой величины и, значит, действующему моменту соответствовало определенное отклонение подвижной части. Для этого в измерительном механизме создается противодействующий момент, направленный навстречу действующему и возвращающий подвижную систему в равновесие. На основании анализа процессов, протекающих в измерительном механизме, получают соотношения для установившегося режима работы электромеханического прибора в виде уравнения шкалы.
Под действием измеряемого сигнала стрелка измерительного прибора отклоняется, прибор откликается, обеспечивая Uотк. Величина Uотк определяется значением измеряемого сигнала Uвх и свойствами измерительного механизма А. Напряжение, в котором прибор отградуирован (Uград), связано с напряжением отклика с помощью коэффициента градуировки
(9)
Uград
Uотк= f ( Uвх, А)
Рисунок 1.
Рассмотрим кратко основные свойства простейших электромеханических приборов.
1) Приборы магнитоэлектрической системы конструктивно представляют собой постоянный магнит и контур с током, выполненный в виде катушки. Они откликаются на постоянную слагаемую сигнала и градуируются также в этих значениях, т.е. коэффициент градуировки с=1 .
Достоинства: 1- высокая чувствительность, 2- хорошая защищенность от внешних магнитных полей, 3- малое собственное потребление энергии, 4- приборы могут быть выполнены высокого класса точности.
Недостатки:1- прибор измеряет только постоянную составляющую сигнала, 2- прибор боится перегрузок.
Область применения микро- и миллиамперметры в цепях постоянного тока, а с преобразованиями и в цепях переменного тока.
2) Приборы электромагнитной системы. Основаны на взаимодействии поля неподвижной катушки с полем сердечника из магнитного металла, они откликаются и градуируются в среднеквадратических значениях измеряемого тока или напряжения, т.е. коэффициент градуировки с= 1.
Достоинства: 1- простота конструкции, 2- не боится перегрузок.
Недостатки: 1- невысокая точность, 2- подвержен действию внешних полей.
Для защиты от внешних электромагнитных влияний используют экранирование и астазирование, сущность которого заключается в использовании двух катушек, включаемых так, чтобы собственные магнитные потоки Ф1 и Ф2 были направлены в противоположные стороны. В этом случае появление внешнего магнитного потока не приведет к изменению среднего значения собственного магнитного потока.
Рисунок 2.
3) Приборы электродинамической системы основаны на взаимодействии магнитных полей системы подвижных и неподвижных контуров с токами в виде катушек, они откликаются и градуируются в среднеквадратических значениях измеряемого тока или напряжения, т.е. коэффициент градуировки с= 1.
Достоинства: 1- прибор автоматически измеряет среднюю мощность сигнала, 2- прибор может быть выполнен высокого класса точности.
Недостатки: 1- низкая чувствительность, 2-большие габариты, 3-слабая защищенность от внешних магнитных полей, 4- низкий диапазон рабочих частот.
Ферродинамические приборы отличаются тем, что неподвижная катушка имеет магнитный сердечник, позволяющий улучшить чувствительность, уменьшить габариты, но точность измерений уменьшается.
4) Электростатические приборы основаны на взаимодействии электрически заряженных проводников. Они откликаются и градуируются в среднеквадратических значениях напряжения, т.е. коэффициент градуировки с= 1.
Достоинства: 1- при измерении постоянных напряжений прибор является практически идеальным вольтметром, 2- может измерять непосредственно большие значения напряжений, 3- при измерении переменных напряжений частотный диапазон рабочих частот лежит в пределах 10-20 МГц, при этом входное сопротивление носит емкостной характер.
Недостатки:1- низкая чувствительность, 2- прибор измеряет только напряжение.
Все рассмотренные электромеханические приборы градуируются при подаче на них синусоидального сигнала и имеют коэффициент градуировки, равный 1, что приводит к независимости показаний указанных приборов от формы измеряемого напряжения.
4. Магнитоэлектрические приборы с преобразователями