Схема измерения напряжения: Измерение напряжения: 3 используемых прибора, примеры

Содержание

Измерение напряжения: 3 используемых прибора, примеры

Тусклый свет от приборов освещения или отказ стиральной машины выполнять свои функциональные обязанности свидетельствует о возможном падении питающего напряжения ниже нормы. В таких случаях необходимо произвести измерение напряжения, что позволит определить его соответствие заданному номиналу электрической сети.

Такая же процедура производится при ремонте электронных приборов, где измеряется падение напряжения на радиодеталях и отдельных участках цепи. Данная процедура выполняется довольно легко, но без понимания физики процесса и особенностей проведения замеров, человек рискует не только повредить дорогостоящее оборудование, но и получить электротравму, поэтому далее мы рассмотрим основные принципы измерения.

Используемые приборы

В каждом доме прибор учета электроэнергии находится в состоянии постоянного измерения переменного напряжения, но крайне редко эти данные где-либо отображаются. Некоторые из них подключаются напрямую, другие через измерительные трансформаторы. 

В практических целях для измерения уровня напряжения могут применяться:

  • Вольтметры;
  • Мультиметры
  • Осциллографы.

Вольтметр представляют собой устройство для проверки разности потенциалов. На практике могут встречаться как цифровые, так и аналоговые вольтметры, на которых измеряемое напряжение отображается на дисплее или посредством отклонения стрелки на циферблате соответственно.

Важными параметрами при выборе как электронного, так и стрелочного вольтметра являются единицы измерений (мВ, В, кВ), рабочий диапазон и класс точности. Однако сфера их применения ограничена и применяется, чаще всего, для лабораторных исследований, поскольку в бытовых и производственных нуждах содержать один прибор для измерения одной электрической величины нецелесообразно.

Мультиметр или цифровой тестер является более универсальным прибором, который может работать с несколькими  параметрами: электрическим током, сопротивлением, частотой, температурой, напряжением и т.д. Для измерения напряжения мультиметр переключается в режим вольтметра, щупы подключаются к соответствующим разъемам. Конструктивно встречаются и цифровые и аналоговые модели, в некоторых из них можно переключать диапазон измерений, выбирать род тока, в других мультиметрах все эти величины могут подбираться автоматически.

Осциллограф

– это довольно сложный прибор для измерения разности потенциалов, так как в нем на цифровом или аналоговом дисплее выводится кривая измеряемой величины. При  этом можно растянуть или сократить диапазон частот, чтобы рассмотреть форму импульсных напряжений, длительность импульсов, нарастание и провалы в кривой функции. Поэтому осциллограф для измерения напряжения применяется в электрических цепях и приборах высокой точности, при изготовлении и проверке радиодеталей и т.д. Мало кто держит дома осциллограф из-за высокой стоимости и сложности выполнения операций.

Измерение напряжения в сети

Чтобы правильно выполнить измерение напряжения необходимо четко представлять принцип и объект исследования. Поэтому следует отметить, что напряжение представляет собой такую электрическую величину, которая показывает разность заряда между двумя электрическими точками. К примеру, если в одной точке заряд составит +35 В, а в другой +310 В, то разница между этими точками составит 310 – 35 = 275 В, это и будет напряжение. Соответственно измерение напряжения может производиться только относительно чего-то, поэтому используются сразу две точки.

Рис. 1. Схема измерения напряжения

Если говорить о падении напряжения на каком-либо объекте или участке цепи, то измерение напряжения проводиться относительно концов прибора или цепи, точек подключения и т.д. При этом важно учитывать, что цифровой вольтметр или мультиметр в режиме измерения считается бесконечным сопротивлением или разрывом в цепи.

Падение напряжения возможно только при условии протекания тока, поэтому подключение вольтметров последовательно с измеряемым объектом недопустимо, так как через него перестанет протекать ток. Аналоговый или электронный вольтметр должен подключаться только параллельно по отношению к измеряемому сигналу.

С практической точки зрения следует заметить, что аналоговые модели измерительных приборов имеют входное сопротивление равное 10 – 20 кОм, а современные мультиметры могут похвастаться 1МОм. Так как через сопротивление на входе в измерительное устройство может протекать ток утечки, этот делитель напряжения будет обуславливать снижение точности измерений. Поэтому чем ближе сопротивление на входе к бесконечности, тем более точный прибор вы используете.

Важно отметить, что замеры производятся под напряжением, из-за чего присутствует угроза поражения электротоком. Поэтому важно соблюдать элементарные меры предосторожности. Далее рассмотрим порядок выполнения измерения для постоянного и переменного напряжения.

Постоянного тока

Рис. 2. Измерение напряжения постоянного тока

Для цепи постоянного тока расмотрим порядок измерения напряжения при помощи цифрового мультиметра. Для этого:

  1. Переведите переключатель мультиметра в положение для постоянного напряжения. На панели обозначается латинской буквой V со значком « = », знаками «+ и – », также может обозначаться аббревиатурой DC.
  2. Выберете нужный предел измерения, который будет максимально приближен к предполагаемому номиналу, но выше измеряемого.
  3. Установите щупы в соответствующие разъемы – черный к выводу COM, красный к выводу V.
  4. Приложите щупы мультиметра  сразу к двум точкам – красный к плюсу, черный к минусу. Если вы заранее не знаете положение потенциалов, и показание прибора имеет отрицательное значение, нужно просто поменять полярность подключения.

На дисплее вы увидите показания вольтметра, если значение слишком малое, переключите ручку на меньший предел измерений. Прикладывая щупы, создавайте хорошее усилие, чтобы избежать большого переходного сопротивления, иначе они внесут ощутимую погрешность измерений.

Переменного тока

Рис. 3. Измерение переменного напряжения

В цепи переменного тока бытовой цепи важно учитывать ее опасность из-за номинала в 220/380 В. Поэтому при невозможности подключения мультиметра непосредственно в процессе эксплуатации, его присоединение должно выполняться при отключенном напряжении при помощи «крокодилов».

В остальном процесс измерения идентичен:

  1. Переключите ручку мультиметра в положение для измерения переменного напряжения. На панели оно обозначается как  V со значком «~» или аббревиатурой AC.
  2. Установите ручкой деление на нужный предел по принципу ближайшего большего потенциала относительно измеряемого номинала. 
  3. Выполните подключение щупов к соответствующим выводам: черный к выводу COM, красный к выводу V.
  4. Подключите измерительный прибор к нужному устройству, заметьте, что полярность щупов здесь значения не имеет.

На дисплее у вас отобразится действующее значение разности потенциалов, именно оно и является основным для всех расчетов. Но, помимо этого существует и амплитудное значение, которое больше действующего на √2 раз или 1,41 раза.

Реальные примеры измерения напряжения

Наиболее простым примером измерения напряжения в бытовых условиях является пальчиковая батарейка. В ней вам необходимо приложить черный щуп к выводу «– », а красный к выводу « + », позицию переключателя установить на 2 В постоянного напряжения.

Рис. 4. Пример измерения напряжения на батарейке

Если показания для батарейки 1,5 В будут в пределах от 1,6 до 1,2 В, то такой источник питания считается пригодным для всего оборудования, в случае снижения значений до 1 – 0,7 В, от батарейки будут запускаться импульсные устройства, к примеру, часы. Если вольтметр покажет 0,6 В и менее, разряд достиг критического значения.

При измерении разности потенциалов в бытовой сети, вам следует коснуться щупами контактов розетки. Так как изолированная часть щупа имеет ограничительное кольцо, за которым расположен длинный стержень, вы можете безопасно проникнуть в розетку, не рискуя прикоснуться к токоведущим элементам. Допустимыми считаются отклонения от номинала на 10%, то есть от 198 до 142 В.

Также можно замерить разность потенциалов на выходе автомобильного аккумулятора или на другом элементе цепи электрической проводки. Для этого черный щуп мультиметра устанавливается на «– » клемму аккумулятора, а красный на « + » клемму.

Если аккумулятор заряжен, то показания вольтметра должны находиться в пределах от 12 до 14 В, но встречаются модели и с большим разбросом. Такое измерение позволяет диагностировать различные причины неполадок.

Видео по теме

Измерение напряжения. Виды и принцип измерений. Особенности

Измерение напряжения на практике приходится выполнять довольно часто. Напряжение измеряют в радиотехнических, электротехнических устройствах и цепях и т.д. Вид переменного тока может быть импульсным или синусоидальным. Источниками напряжения являются химические элементы или генераторы тока.

Измерение напряжения

Напряжение импульсного тока имеет параметры амплитудного и среднего напряжения. Источниками такого напряжения могут быть импульсные генераторы. Напряжение измеряется в вольтах, имеет обозначение «В» или «V». Если напряжение переменное, то впереди ставится символ «

~», для постоянного напряжения указывается символ «-». Переменное напряжение в домашней бытовой сети маркируют ~220 В.

На аккумуляторах и гальванических элементах при указании напряжения знак «-» не используют, а ставят только цифры, например, «1,5 В». На корпусе гальванического элемента обязательно присутствует обозначение «+» возле положительного полюса. В практических электротехнических измерениях применяются кратные единицы: милливольты, киловольты и т.д.

Переменное напряжение имеет полярность, которая изменяется с течением времени. В бытовой сети напряжение изменяет полярность 50 раз за секунду, что означает частоту 50 герц. Постоянное напряжение имеет неизменную полярность. Поэтому для замеров напряжений переменного и постоянного тока применяют измерительные приборы, имеющие отличие в устройстве – вольтметры. Они могут быть цифровыми или аналоговыми (стрелочные). Однако существуют универсальные приборы, которые способны измерить постоянное и переменное напряжение, не переключая режимы.

Для начала измерений измерительный прибор соединяют параллельно с выводами источника питания или нагрузки специальными щупами.

Кроме вольтметров для измерения напряжения используют электронные осциллографы.

Это приборы, предназначенные для измерения и контроля характеристик электрических сигналов. Осциллографы работают на принципе отклонения электронного луча, который выдает изображение значений переменных величин на дисплее.

Измерение напряжения в сети переменного тока

Согласно нормативным документам величина напряжения в бытовой сети должна быть равной 220 вольт с точностью отклонений 10%, то есть напряжение может меняться в интервале 198-242 вольта. Если в вашем доме освещение стало более тусклым, лампы стали часто выходить из строя, либо бытовые устройства стали работать нестабильно, то для выяснения и устранения этих проблем для начала необходимо измерение напряжения в сети.

Перед измерением следует подготовить имеющийся измерительный прибор к работе:
  • Проверить целостность изоляции контрольных проводов со щупами и наконечниками.
  • Установить переключатель на переменное напряжение, с верхним пределом 250 вольт или выше.
  • Вставить наконечники контрольных проводов в гнезда измерительного прибора, например, мультиметра. Чтобы не ошибиться, лучше смотреть на обозначения гнезд на корпусе.
  • Включить прибор.

На мультиметре выбрана граница измерений 700 вольт. Некоторые приборы требуют для измерения напряжения устанавливать в нужное положение несколько разных переключателей: вид тока, вид измерений, а также вставить наконечники проводов в определенные гнезда. Конец черного наконечника в мультиметре воткнут в гнездо СОМ (общее гнездо), красный наконечник вставлен в гнездо с обозначением «V». Это гнездо является общим для измерения любого вида напряжения. Гнездо с маркировкой «ma» применяется для замеров небольших токов. Гнездо с обозначением «10 А» служит для измерения значительной величины тока, который может достичь 10 ампер.

Если измерять напряжение со вставленным проводом в гнездо «10 А», то прибор выйдет из строя, или сгорит предохранитель. Поэтому при выполнении измерительных работ следует быть внимательным. Наиболее часто ошибки возникают в случаях, когда сначала измеряли сопротивление, а затем, забыв переключить на другой режим, начинают измерение напряжения. При этом внутри прибора сгорает резистор, отвечающий за измерение сопротивления.

После подготовки прибора, можно начинать измерения. Если при включении мультиметра на индикаторе ничего не появляется, это означает, что элемент питания, расположенный внутри прибора, отслужил свой срок и требует замены. Чаще всего в мультиметрах стоит «Крона», выдающая напряжение 9 вольт. Срок ее службы составляет около года, в зависимости от производителя. Если мультиметром долго не пользовались, то крона все равно может быть неисправной. Если батарейка исправна, то мультиметр должен показать единицу.

Щупы проводов необходимо вставить в розетку или прикоснуться ими к оголенным проводам.

На дисплее мультиметра сразу появится величина напряжения сети в цифровом виде. На стрелочном приборе стрелка отклонится на некоторый угол. Стрелочный тестер имеет несколько градуированных шкал. Если их внимательно рассмотреть, то все становится понятным. Каждая шкала предназначена для определенных измерений: тока, напряжения или сопротивления.

Граница измерений на приборе была выставлена на 300 вольт, поэтому нужно отсчитывать по второй шкале, имеющий предел 3, при этом показания прибора необходимо умножить на 100. Шкала имеет цену деления, равной 0,1 вольта, поэтому получаем результат, изображенный на рисунке, около 235 вольт. Этот результат находится в допустимых пределах. Если при измерении показания прибора постоянно меняются, возможно, плохой контакт в соединениях электрической проводки, что может привести к искрению и неисправностям в сети.

Измерение постоянного напряжения

Источниками постоянного напряжения являются аккумуляторы, низковольтные блоки питания или батарейки, напряжение которых не более 24 вольт. Поэтому прикосновение к полюсам батарейки не опасно, и нет необходимости в специальных мерах безопасности.

Для оценки работоспособности батарейки или другого источника, необходимо измерение напряжения на его полюсах. У пальчиковых батареек полюсы питания расположены на торцах корпуса. Положительный полюс маркируется «+».

Постоянный ток измеряется аналогичным образом, как и переменный. Отличие заключается только в настройке прибора на соответствующий режим и соблюдении полярности выводов.

Напряжение батарейки обычно обозначено на корпусе. Но результат измерения еще не говорит об исправности батарейки, так как при этом измеряется электродвижущая сила батарейки. Продолжительность эксплуатации прибора, в котором будет установлен элемент питания, зависит от его емкости.

Для точной оценки работоспособности батарейки, необходимо проводить измерение напряжения при подключенной нагрузке. Для пальчиковой батарейки в качестве нагрузки подойдет обычная лампочка для фонарика на 1,5 вольта. Если напряжение при включенной лампочке снижается незначительно, то есть, не более, чем на 15%, следовательно, батарейка пригодна для работы. Если напряжение падает значительно сильнее, то такая батарейка может еще послужить только в настенных часах, которые расходуют очень мало энергии.

Похожие темы:

Измерение напряжения, тока, споротивления, емкости, индуктивности, мощности в электрических цепях

Методика измерений в электрических цепях


Измерение постоянного и переменного напряжения

Измерение как постоянного, так и переменного напряжения может производиться непосредственно вольтметрами, рассчитанными для работы соответствующего типа напряжения. В тех случаях, когда необходимо измерить напряжение больше того, на которое рассчитан вольтметр, необходимо последовательно с ним включить добавочный резистор. Тогда часть измеряемого напряжения будет падать на добавочный резистор, а часть — на прибор. Подбирая величину сопротивления добавочного резистора, можно в широких пределах расширять возможности измерения больших напряжений. Известно сопротивление вольтметра R

пp и выбран коэффициент расширения пределов расширения:

n = Ux/Uпp

где Ux — максимальное напряжение на входе схемы, подлежащее измерению; Uпp — максимальные пределы измерения непосредственно вольтметром.

Величина сопротивления добавочного резистора может быть найдена по следующей формуле:

Rдоб = Rпр(n-1)

Обычно для удобства производства отсчетов коэффициент п выбирают кратным 2, 5 или 10.

Для измерения высоких значений переменных напряжений могут быть использованы так называемые измерительные трансформаторы напряжения.

Они представляют собой понижающие трансформаторы, т. е. такие, у которых число витков вторичной обмотки W2, к которой подключается вольтметр, меньше числа витков W1 первичной обмотки. Коэффициент расширения пределов измерения n = W1/W2. Схемы подключения вольтметров для измерения напряжения приведены на рис. 1.



Рис. 1. Схемы измерения напряжения


Измерение электродвижущей силы (ЭДС)

Измерение Е имеет свои особенности. При подключении вольтметра к источнику ЭДС для ее измерения через него всегда будет проходить ток, а так как любой источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением Rвн, то напряжение на таком источнике и вольтметр будет измерять величину меньшую, чем ЭДС Е.

U = E – IRвн

Если нет требований к высокой точности измерения ЭДС, то для уменьшения тока можно воспользоваться вольтметром с большим внутренним сопротивлением, например электронным. В этом случае можно считать, что измеренное напряжение U ~ Е. Более точные методы измерения ЭДС связаны с использованием компенсационных схем (рис. 2).



Рис. 2. Схемы измерения ЭДС

В них напряжение, измеряемое вольтметром PV, снимаемое с переменного резистора R, сравнивается с напряжением на источнике ЭДС.

Изменяя напряжение на выходе переменного резистора (потенциометра), можно добиться такого условия, когда измерительный прибор Р покажет отсутствие тока через источник ЭДС. В этом случае показания вольтметра будут точно соответствовать величине ЭДС источника, т. е. U = Е .


Измерение тока

Можно производить измерение тока непосредственно амперметром, включенным в разрыв измеряемой цепи (рис. 3, а).



Рис. 3. Схемы измерения силы тока

При необходимости расширить пределы измерения амперметра необходимо параллельно амперметру включить резистор (рис. 3, б), который чаще всего называют шунтом. Тогда через амперметр будет проходить только часть тока, а остальная — через шунт. Так как сопротивление амперметров обычно небольшое, то для существенного расширения пределов измерения сопротивление шунта должно быть очень небольшим. Существуют формулы для расчета сопротивления шунта, но обычно на практике приходится вручную подгонять его сопротивление, контролируя ток эталонным амперметром.

Для измерения больших переменных токов часто используют измерительные трансформаторы токов (рис. 3, в). У них первичная обмотка, включаемая в разрыв измеряемой цепи, имеет число витков W1 меньшее, чем число витков W2 вторичной обмотки, т. е. трансформатор является повышающим по напряжению, но по току он понижающий. Амперметр подключается к выходу вторичной обмотки трансформатора тока. Часто лабораторные трансформаторы тока вообще не имеют изготовленной заранее первичной обмотки, а в их корпусе имеется широкое сквозное отверстие, через которое сам экспериментатор наматывает необходимое число витков (рис. 3, г). Зная число витков вторичной обмотки (оно обычно указано на корпусе трансформатора тока), можно выбрать коэффициент трансформации n = W1/W2 и определить измеряемый ток Iх по показаниям амперметра Iпр по следующей формуле:

Iх = Iпр/n

Совершенно по-иному производят измерение токов в электронных схемах, которые обычно спаяны, изготовлены на печатных платах; произвести какой-либо разрыв в них практически невозможно. Для измерения токов в этих случаях используют вольтметры (обычно электронные с большим внутренним сопротивлением для устранения влияния прибора на работу электронной схемы), подключая их к резисторам схемы, величины которых либо известны, либо могут быть предварительно измерены. Воспользовавшись законом Ома, можно определить силу тока:

I = U/R


Измерение сопротивлений

Часто при работе с электрическими установками или при наладке электронных схем необходимо производить измерение различных сопротивлений. Простейший способ измерения сопротивлений заключается в использовании двух измерительных приборов: амперметра и вольтметра. С их помощью измеряют напряжение и ток в сопротивлении R, подключенном к источнику питания, и по закону Ома находят величину искомого сопротивления:

R = U/I

Однако этот способ измерения сопротивлений не позволяет получить результаты измерения с высокой точностью, так как на результаты измерения оказывают влияние собственные внутренние сопротивления амперметра и вольтметра. Так, на изображенной на рис. 4, а схеме амперметр измеряет не только ток, проходящий через сопротивление, но и ток, проходящий через вольтметр, чем вносится методическая погрешность измерений.



Рис. 4. Схема для измерения сопротивлений методом амперметра и вольтметра (а) и схема омметра (б)

 

Этим способом производят измерение обычно в тех случаях, когда нет специальных приборов — омметров. Одна из возможных схем омметра (рис. 4, б) — последовательная. Она состоит из автономного источника питания Е, переменного резистора R и миллиамперметра магнитоэлектрического типа РА. В качестве источника питания обычно используют сухие элементы или батареи напряжением 1,4…4,5 В. Если к выводам прибора подключить сопротивление Rx, величину которого необходимо определить, то по цепи пойдет ток, величина которого будет зависеть от величины сопротивления. Так как миллиамперметр измеряет этот ток, то его шкала может быть непосредственно отградуирована в омах. Шкала у такого омметра обратная, т. е. нуль находится в правой части шкалы, так как при сопротивлении на входе, равном нулю (режим короткого замыкания), через амперметр будет протекать максимальный ток. Если внешняя цепь разорвана, что соответствует бесконечно большому сопротивлению на входе, то стрелка миллиамперметра будет находиться в самой левой части шкалы, где стоит знак х . Шкала такого омметра резко нелинейная, что в какой-то мере затрудняет считывание результатов. Переменный резистор омметра служит для установки прибора на нуль перед началом работы с ним. Для этого замыкают выводы омметра накоротко и, вращая ручку переменного резистора, добиваются нулевых показаний прибора. Так как ЭДС элемента питания с течением времени за счет разряда уменьшается, такую установку нуля необходимо периодически контролировать. С помощью подобных омметров можно измерять сопротивления от нескольких омов до сотен килоомов.



Рис. 5. Схемы мегометра (а) и электрического моста (б)

Измерение больших сопротивлений до 100 МОм обычно производят с помощью мегометров (рис. 5, а). В своем классическом виде он представляет собой комбинацию автономного источника питания и измерительного прибора — логометра. Логометр — разновидность магнитоэлектрического прибора, у которого вместо одной рамки имеются две, соединенные жестко между собой под некоторым утлом. Так же, как и в обычном магнитоэлектрическом приборе, с ними связана стрелка прибора и находятся они в магнитном поле постоянного магнита. При пропускании тока через обмотки рамок они создают вращающие моменты противоположных знаков, в результате чего положение стрелки будет зависеть от отношения токов в рамках. В цепь одной из рамок включен резистор R, а в цепь другой — сопротивление Rx, величина которого должна быть определена. Применение логометра объясняется тем, что его показания определяются только отношением токов в рамках и не зависят от изменения питающего напряжения Uпит. В качестве источника напряжения для мегометра используют либо индуктор, приводимый во вращение рукой оператора, либо аккумуляторную батарею с электронным преобразователем напряжения. Такая система питания определяется тем, что для работы прибора требуются большие напряжения — порядка 500 В, так как при меньших напряжениях токи в обмотках прибора были бы слишком малыми для его нормальной работы. Использование автономного источника питания диктуется тем, что мегометром часто измеряют сопротивление изоляции кабелей; при этом, естественно, напряжение в них бывает отключенным. Кроме того, с его помощью часто проводят измерения вне помещений, где нет электрической сети.

Измерение малых сопротивлений (меньше 1 Ом), а также измерения других сопротивлений в широком диапазоне значений с высокой точностью могут проводиться с помощью электрических мостов.

Электрический мост (рис. 5, б) представляет собой четыре сопротивления (одно из них — Rx подлежит измерению), включенные по кольцевой схеме. Каждое из сопротивлений образует плечо моста. В одну диагональ моста подают постоянное напряжение питания Uпит , а к другой подключают измерительный прибор — гальванометр Р. Он представляет собой высокочувствительный магнитоэлектрический прибор с нулем посередине шкалы. Его назначение — фиксировать момент, когда ток будет отсутствовать. Приборы подобного типа часто называются нуль-индикаторами. Одно или два сопротивления в плечах моста делаются переменными, и именно ими добиваются нулевых показаний прибора. Мост при этом считается сбалансированным. Как показывает теория электрических мостов, условие баланса достигается при равенстве произведения сопротивлений противоположных плеч, т. е. при условии R1Rx = R2R3. Следовательно, после балансировки моста можно, зная величины всех сопротивлений, определить значение неизвестного сопротивления



где N = R2/R1 — множитель.

Точность измерения с помощью мостов постоянного тока может быть очень велика. Результирующие значения сопротивлений могут иметь более пяти значащих цифр. В то же время мост не позволяет оперативно производить измерения, так как процесс балансировки требует определенного времени и навыка оператора.


Измерение емкостей

Определение емкости конденсатора или других устройств емкостного характера также может осуществляться различными способами. Простейший из них — метод амперметра-вольтметра (рис. 6, а).



Рис. 6. Схемы измерения емкости

Он во многом аналогичен такому же методу измерения сопротивлений, с той только разницей, что схема питается переменным синусоидальным напряжением от генератора низкой или высокой частоты (или от сети). Емкостное сопротивление конденсатора определяется по следующей формуле:



где f — частота переменного напряжения.

Емкостное сопротивление находится по закону Ома по показаниям приборов



Измерение малых по величине емкостей удобнее производить методом резонанса (рис. 6, б). Измеряемый конденсатор Сх подключается к известной индуктивности L, образуя колебательный контур. На контур подается синусоидальное напряжение от генератора. С помощью электронного вольтметра измеряют напряжение на контуре. При резонансе оно достигает максимума.

Известно, что резонансная частота контура может быть выражена следующей формулой:



Следовательно, при известной величине индуктивности в контуре и определенной по максимальным показаниям вольтметра частоте резонанса можно найти искомое значение емкости Сх.

Измерение больших емкостей (например, электролитических конденсаторов) проще всего производить путем разряда конденсатора на известное сопротивление R. Известно, что за время, равное постоянной времени цепи разряда конденсатора, его напряжение уменьшается в е раз, где е = 2,71… — основание натурального логарифма. Постоянная времени цепи разряда конденсатора на резистор определяется соотношением



Схема измерения емкости этим методом (рис. 6, в) состоит из источника постоянного напряжения питания, известного по величине сопротивления резистора R, электронного вольтметра PV, переключателя S и клемм для подключения конденсатора. С помощью переключателя S конденсатор Сх заряжается до напряжения источника питания, а после переключения конденсатора на разряд с помощью секундомера измеряют время t, по истечении которого конденсатор разрядится до напряжения Uпит/е. Емкость конденсатора определяется по формуле



Емкости конденсаторов можно измерять также с помощью мостов переменного тока.


Измерение индуктивностей

Измерение индуктивностей несколько сложнее. Это связано с тем, что любая катушка (обмотка трансформатора и т. п.) имеет кроме индуктивности еще и резистивное сопротивление. Поэтому во многих случаях измеряют предварительно полное сопротивление катушки индуктивности:



Оно может быть определено методом амперметра и вольтметра путем измерения напряжения и тока измерительными приборами схемы на переменном напряжении (рис. 7, a) z = U/I. При подаче на схему постоянного напряжения (рис. 7, б), как уже рассматривалось выше, можно определить резистивное сопротивление катушки R.



Рис. 7. Схемы измерения индуктивностей

Тогда



В свою очередь, индуктивное сопротивление



При известном значении частоты / напряжения питания легко найти величину искомого значения индуктивности



При малых значениях индуктивности (например, контурных катушек радиоэлектронных устройств) можно воспользоваться резонансной схемой, аналогичной схеме определения емкости резонансным методом.

Для измерения индуктивности можно использовать также мосты переменного тока, специальные измерительные приборы — ку- метры, позволяющие определять не только величину индуктивности, но и такую характеристику, как добротность катушки, характеризующие качество работы катушки в электронных схемах.


Измерение мощности

В электрических цепях измерение мощности удобнее рассматривать отдельно для цепей постоянного и переменного тока.

На постоянном токе основные формулы для определения мощности следующие:



В соответствии с приведенными формулами мощность в каком-то сопротивлении нагрузки R можно измерить тремя способами: с помощью вольтметра и амперметра (рис. 8, а), только вольтметром (рис. 8, б) и только амперметром (рис. 8, в). Во всех случаях после снятия показаний с приборов необходимо провести математические расчеты для определения собственно мощности.



Рис. 8. Схемы измерения мощности в цепях постоянного тока

Этого можно избежать, если для измерения мощности воспользоваться специальным прибором ваттметром (рис. 8, г). Как правило, выпускаемые промышленностью ваттметры изготавливаются на базе ферродинамического прибора (см. рис. 2.105). У ваттметров имеются две обмотки и соответственно четыре вывода. Одна из обмоток является токовой, через нее проходит ток к нагрузке, расходуемая мощность в которой подлежит измерению, а вторая — обмоткой напряжения. Она подключается непосредственно к источнику питания.

Измерение мощности на переменном токе имеет свои особенности. Во-первых, здесь существуют три различные мощности:

полная мощность, В * А,

S= UI,

активная мощность, Вт,

Р = UIcosφ;

реактивная мощность, вар,

Q = UIsinφ.

В этих формулах (φ — угол сдвига по фазе между током и напряжением.

Чаще всего интересуются полной и активной мощностями. Знание полной мощности необходимо для расчета токов в нагрузке, выбора сечения проводов и предохранителей. Активная мощность важна потому, что именно она характеризует ту мощность, которая в нагрузке преобразуется в теплоту, свет, звук и т.д.

Измерение полной мощности обычно производят, измеряя напряжение и ток вольтметром и амперметром и перемножая полученные значения. Активную мощность чаще всего измеряют с помощью ферродинамических ваттметров, которые кроме напряжения и тока учитывают и так называемый коэффициент мощности cosφ.

При подключении обмоток ваттметра к нагрузке, так же как и при постоянном напряжении, ваттметр непосредственно произведет измерение активной мощности.

На переменном токе достаточно часто приходится решать задачу измерения активной мощности в трехфазных цепях. Трехфазные цепи могут быть двух типов: трехпроводные и четырехпроводные. В трехпроводных цепях к нагрузке подходят три провода, обозначаемые буквами А, В, С. Для измерения активной мощности в такой цепи при любом варианте подключения элементов нагрузки к проводам достаточно подключить только два ваттметра так, как это показано на рис. 9.



Рис. 9. Схемы измерения мощности на переменном токе: а — трехпроводная система; б — четырехпроводная система

При этом необходимо соблюсти определенные правила подключения ваттметров. Выводы обмоток ваттметра, обозначенные на его корпусе звездочками, должны быть обращены в сторону источника энергии. Поэтому эти выводы получили название генераторные (подключаются к проводам, идущим от генератора). Суммарная активная мощность такой трехфазной системы находится как алгебраическая сумма показаний двух ваттметров. При этом возможен вариант, когда показания одного из ваттметров могут быть отрицательными, т. е. его стрелка уйдет влево. Для снятия показаний с такого ваттметра необходимо поменять местами провода, подходящие к любой из обмоток, прочесть результат измерения, но в формулу подставить с отрицательным знаком.

Измерение активной мощности в четырехпроводных цепях требует использования трех ваттметров. Один из выводов каждого ваттметра здесь подключается к четвертому проводу, обычно называемому нулевым. Показания всех ваттметров могут быть только положительными, и суммарная активная мощность, потребляемая трехфазной цепью, будет равна сумме мощностей, измеряемых каждым из ваттметров:

Ре = Р1 + Р2 + Р3.

Один из наиболее простых методов измерения количества электричества — метод измерения с помощью так называемого баллистического гальванометра. Он представляет собой прибор магнитоэлектрической системы (см. рис. 2.103) с умышленно утяжеленной подвижной частью (с большим моментом инерции). Если на вход такого баллистического гальванометра подать кратковременный импульс напряжения, то подвижная часть прибора, получив как бы импульсный вращающий момент, начнет движение, причем уже после окончания входного импульса это движение еще будет продолжаться и стрелка прибора, двигаясь по инерции, отклонится до какого-то значения шкалы, а затем возвратится в исходное нулевое положение. В качестве отсчета на таком приборе необходимо отметить то максимальное отклонение стрелки αmах от нулевого значения, которое наблюдалось во время ее движения по «баллистической траектории». Теория такого баллистического гальванометра показывает, что этот отсчет по максимальному отклонению стрелки оказывается пропорциональным количеству электричества, прошедшего через рамку такого прибора, т. е.

αmах = Q/С6,

где Сб—баллистическая постоянная, зависящая от конструктивных особенностей гальванометра.

Измерение количества электричества Q на обкладках предварительно заряженного конденсатора можно осуществить, разрядив его через баллистический гальванометр, и по максимальному отклонению его стрелки найти искомое значение количества электричества:

Q = С6αmах

При разработке новых сплавов, предназначенных для использования в электротехнических цепях, возникает необходимость в определении их удельного сопротивления. Под удельным сопротивлением понимают сопротивление проводника сечением 1 мм2

и длиной 1м. Соответственно такое удельное сопротивление р измеряется в единицах Ом — (мм2/м). Для его измерения выбирают отрезок проводника, желательно небольшого сечения, и измеряют его сопротивление любым из рассмотренных выше методов. После этого расчетным путем приводят величину этого сопротивления к сечению 1 мм2 и длине 1 м, что не представляет каких- либо трудностей, и получают значение удельного сопротивления. Для получения большей точности измерения желательно длину проводника брать по возможности большей.

Для многих изоляционных материалов представляет определенную ценность определение их диэлектрической проницаемости ε. Одним из простейших способов ее измерения является способ косвенного измерения с последующим расчетом величины диэлектрической проницаемости. Известно, что емкость простейшего конденсатора, состоящего из двух одинаковых пластин площадью S, расположенных на расстоянии δ друг от друга, с диэлектриком, заполняющим все пространство между пластинами, определяется по формуле



где ε — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами.

Рис. 10. Схема для измерения диэлектрической постоянной изоляционных материалов

Измерение диэлектрической проницаемости материала производят с помощью конденсатора (рис. 10), между пластинами которого помещают испытуемый материал, а также измерения емкости такого элементарного конденсатора любым из описанных выше методов. Численную величину диэлектрической проницаемости определяют по формуле



Развитие радиоэлектроники и установок для высокочастотного воздействия на материалы машиностроения привело к тому, что практически все пространство заполнено электромагнитными волнами.

В мире работают миллионы передающих радиостанций, многие из которых излучают значительные мощности (например, радиолокационные станции дальнего обнаружения, вещательные радиостанции и т. п.). Для оценки электромагнитных волн часто возникает необходимость определения их уровня. Обычно об уровне электромагнитных волн судят по напряженности электрического поля, величина которого аналитически может быть пересчитана в мощность электромагнитного поля. Напряженность электрического поля наиболее часто измеряют с помощью рамочной антенны (рис. 11), которая представляет собой плоскую катушку, намотанную на каркас Е из какого- либо диэлектрика. (На рис. 11 для простоты изображен только один виток.)



Рис. 11. Измерение напряженности электрического поля

Диаграмма направленности такой антенны показывает, что максимум принимаемого излучения идет со стороны, лежащей в плоскости витков катушки. Это позволяет не только производить измерение напряженности электрического поля, но и определять направление на источник высокочастотных излучений по максимальной величине напряжения на выходе рамки при ее поворотах относительно вертикальной оси. Напряженность электрического поля определяется по величине напряжения на выходе рамки по следующей формуле, В/м:



где U — напряжение на выходе рамки, В; f — частота принимаемого сигнала, Гц; n — число витков в рамке; S— площадь рамки, м2.

Обычно на геометрические размеры рамки в зависимости от частоты сигнала напряженность поля которого определяется, накладываются определенные ограничения. В частности, на частотах более 30 МГц более точные результаты получаются, если вместо рамочной антенны использовать полуволновый диполь, представляющий собой проводник длиной в половину длины волны, разрезанный посередине. Напряжение с диполя снимается с центральной разрезанной части. Значение напряженности электрического поля можно определить по следующей формуле:



где f— частота, Гц; U— напряжение на выходе диполя, В.

Диполь, так же как и рамка, позволяет определять направление, с которого приходит сигнал, так как обладает определенной направленностью, что видно из диаграммы направленности. Максимум принимаемых сигналов определяется перпендикуляром к плоскости диполя. Именно так ориентированы телевизионные антенны по отношению к телевизионной вышке.

Напряжение на выходе рамки или диполя можно измерять с помощью электронного вольтметра непосредственно при сильных сигналах или применяя электронные усилители. В этом случае, используя селективные свойства усилителей, можно определить уровень напряженности электрического поля определенной частоты. Нужно учесть, что уровень сигнала на выходе рамки и частично диполя складывается из большого числа электромагнитных полей, существующих в пространстве в районе расположения приемного устройства от различных источников (передатчиков).

При необходимости определить частоту высокочастотного сигнала можно, если он сильный, используя непосредственное включение электронного частотомера на выход рамки или диполя. При слабых сигналах и использовании усилителей можно по их частотной настройке определять частоты сигналов, наведенные в рамке или диполе, т. е. так, как обычно по шкале радиоприемника можно определить длину волны или частоту принимаемой станции.

Схема измерения напряжения в цепи постоянного тока



Измерение тока, напряжения и мощности

Измерение тока. Для измерения тока используются амперметры. Амперметр включается в цепь таким образом, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, т.е. последовательно. Поэтому его сопротивление должно быть малым по сравнению с сопротивлением цепи.

Для измерения постоянного тока используются приборы магнитоэлектрической системы, реже приборы электромагнитной системы. Для измерения переменного тока частотой 50 Гц в основном применяют приборы электромагнитной системы. Сопротивление этих приборов лежит в пределах от долей ома до нескольких ом.

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях постоянного тока используют шунты. Их сопротивления подсчитывают по формуле:

где Iан — номинальное значение тока амперметра; Rа — внутреннее сопротивление амперметра; Iш — ток, проходящий через шунт.

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

Измерение напряжения. Для измерения напряжения используют вольтметры.

Вольтметры включаются параллельно участку электрической цепи, на котором измеряют напряжение. Вольтметр должен иметь большое сопротивление по сравнению с сопротивлением соответствующего участка цепи. В цепях постоянного тока используют вольтметры магнитоэлектрической системы, но обычно с добавочным сопротивлением.

Для расширения пределов измерений вольтметров в цепях постоянного тока до 4500 В служат добавочные резисторы (сопротивления). Их сопротивление определяют по формуле:

где Uн — номинальное напряжение прибора; Umax — максимальное измеряемое напряжение; RV — сопротивление вольтметра.

В цепях переменного тока используют вольтметры электромагнитной и электродинамической системы.

Измерение мощности. Мощность в электрической цепи синусоидального тока определяется по формуле:

P=U I · cos(Ð ),

где U и I — действующие значения напряжения и тока; j =Ð — угол разности начальных напряжения и тока (угол сдвига фаз).

Для измерения мощности в электрических цепях необходимо измерить напряжение, ток и угол сдвига фазы. Для этого используется прибор — ваттметр с двумя катушками. Это приборы электродинамической и ферродинамической измерительных систем. Катушка напряжения включается параллельно участку цепи, подобно вольтметру, ее зажимы на лицевой стороне ваттметра обозначены буквой U. Токовая катушка включается в цепь последовательно, подобно амперметру, ее зажимы обозначены буквой I (рисунок 1.4.).

Рисунок 1.4 — Схема включения ваттметра

На ваттметре начало токовой катушки и катушки напряжения отмечены звездочками, это генераторные зажимы. При измерении активной мощности эти зажимы включаются со стороны источника энергии. Такие же особенности имеет и так же включается в сеть фазометр — прибор, предназначенный для измерения угла сдвига фаз j. Он позволяет непосредственно определить по шкале угол j и cos j.

Цена деления многопредельного ваттметра определяется по формуле:

где Uп, Iп— предельные значения напряжения и тока, указанные на соответствующих зажимах прибора; n — число делений шкалы.

Активная мощность, измеряемая ваттметром,

где Wизм — число делений шкалы, указываемое стрелкой прибора.

Таким же образом определяется цена деления амперметра и вольтметра, если шкала прибора не проградуирована в единицах измерения.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Как измерить постоянный ток и напряжение

Измерение постоянного тока и напряжения чаще всего производится щитовыми приборами магнитоэлектрической, а при измерении высоких напряжений — электростатической и ионной систем. Иногда применяют приборы электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем, они значительно уступают приборам магнитоэлектрической системы в отношении точности, чувствительности, потребляемой мощности, имеют неравномерную шкалу, чувствительны к воздействию внешних магнитных полей. Для проведения точных измерений все большее применение находят цифровые вольтметры, амперметры и комбинированные приборы, обладающие большим быстродействием и малой погрешностью измерения (0,01-0,1 %).

Простейшим способом измерения постоянного тока и напряжения является непосредственное включение приборов в цепь, возможное при выполнении условий:

1) максимальный предел измерения амперметра (вольтметра) не меньше максимального тока (напряжения) в цепи;

2) номинальное напряжение амперметра не менее номинального напряжения сети;

3) сопротивление амперметра Rа намного меньше, а сопротивление вольтметра намного больше сопротивления измеряемой цепи Rн, значительное сопротивление амперметра снижает ток в цепи при его включении на величину

4) соблюдение полярности включения приборов.

Для расширения пределов измерения приборов используют преобразователи в виде измерительных шунтов, добавочных сопротивлений, делителей напряжения, измерительных трансформаторов и измерительных усилителей. Шунт представляет собой сопротивление, включаемое параллельно измеритель-ному прибору в цепь измеряемого тока.

Шунты на токи до 50-100 А обычно устанавливают внутри прибора. Для больших токов применяют наружные шунты, имеющие токовые зажимы для включения в цепь измеряемого тока и потенциальные зажимы для подключения измерительного прибора. С целью унификации измерительных приборов шунты изготовляют по ГОСТ 8042-78 Класс точности шунтов 0,05-0,5.

Подключив к шунту милливольтметр с пределом измерения, соответствующим номинальному падению напряжения на шунте, получим соответствие полной шкалы прибора номинальному току шунта. Измеренный ток

где Iн, Uн — номинальные ток шунта и падение напряжения на шунте; U -показание милливольтметра.

Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с измерительным прибором включают добавочное сопротивление Rд.

где Р = Rд /Rв+1 — коэффициент расширения предела измерения прибора; Uв — показание вольтметра;

Rв — входное сопротивление вольтметра.

Добавочные сопротивления могут быть как внутренние (помещенные в корпус прибора), так и наружные для измерения напряжений свыше 500 В.

Номинальные токи добавочных сопротивлений стандартизированы ГОСТ 8623-78 при номинальном падении напряжения на них. Основная погрешность добавочных сопротивлений ± (0,1-0,5)%. Для расширения пределов измерения приборов с высоким входным сопротивлением используют делители напряжения с фиксированным коэффициентом деления, обычно кратным 10. В установках высокого напряжения электропередач постоянного тока и в сильноточных цепях могут быть использованы кроме указанных преобразователей измерительные трансформаторы постоянного тока.

Источник

§101. Измерение тока и напряжения

Измерение тока.

Для измерения тока в цепи амперметр 2 (рис. 332, а) или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником 3 электрической энергии.

Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, амперметры выполняют с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения.

Амперметр можно включать в цепь только последовательно с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Рис. 332. Схемы для измерения тока (а, б) и напряжения (в, г)

Для расширения пределов измерения амперметров, предназначенных для работы в цепях постоянного тока, их включают в цепь параллельно шунту 4 (рис. 332,б). При этом через прибор проходит только часть IА измеряемого тока I, обратно пропорциональная его сопротивлению RА. Большая часть Iш этого тока проходит через шунт.

Прибор измеряет падение напряжения на шунте, зависящее от проходящего через шунт тока, т. е. используется в качестве милливольтметра. Шкала прибора градуируется в амперах. Зная сопротивления прибора RA и шунта Rш можно по току IА, фиксируемому прибором, определить измеряемый ток:

где n = I/IА = (RA + Rш)/Rш — коэффициент шунтирования. Его обычно выбирают равным или кратным 10. Сопротивление шунта, необходимое для измерения тока I, в n раз большего, чем ток прибора IА,

Конструктивно шунты либо монтируют в корпус прибора (шунты на токи до 50 А), либо устанавливают вне его и соединяют с прибором проводами.

Если прибор предназначен для постоянной работы с шунтом, то шкала его градуируется сразу в значениях измеряемого тока с учетом коэффициента шунтирования и никаких расчетов для определения тока выполнять не требуется. В случае применения наружных (отдельных от приборов) шунтов на них указывают номинальный ток, на который они рассчитаны, и номинальное напряжение на зажимах (калиброванные шунты).

Согласно стандартам это напряжение может быть равно 45, 75, 100 и 150 мВ. Шунты подбирают к приборам так, чтобы при номинальном напряжении на зажимах шунта стрелка прибора отклонялась на всю шкалу.

Следовательно, номинальные напряжения прибора и шунта должны быть одинаковыми. Имеются также индивидуальные шунты, предназначенные для работы с определенным прибором. Шунты делят на пять классов точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Обозначение класса соответствует допустимой погрешности в процентах.

Для того чтобы повышение температуры шунта при прохождении по нему тока не оказывало влияния на показания прибора, шунты изготовляют из материалов с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом (константан, манганин, никелин и пр.).

Для уменьшения влияния температуры на показания амперметра последовательно с катушкой прибора в некоторых случаях включают добавочный резистор из констан-тана или другого подобного материала.

Измерение напряжения.

Для измерения напряжения U, действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр 2 (рис. 332, в) присоединяют к этим точкам, т. е. параллельно источнику 1 электрической энергии или приемнику 3.

Для того чтобы включение вольтметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, вольтметры выполняют с большим сопротивлением. Поэтому практически можно пренебрегать проходящим по вольтметру током.

Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с обмоткой прибора включают добавочный резистор 4 (Rд) (рис. 332,г). При этом на прибор приходится лишь часть Uv измеряемого напряжения U, пропорциональная сопротивлению прибора Rv.

Зная сопротивление добавочного резистора и вольтметра, можно по значению напряжения Uv, фиксируемого вольтметром, определить напряжение, действующее в цепи:

U = (Rv+Rд)/Rv * Uv = nUv (107)

Величина n = U/Uv=(Rv+Rд)/Rv показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U больше напряжения Uv, приходящегося на прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметром при применении добавочного резистора.

Сопротивление добавочного резистора, необходимое для измерения напряжения U, в п раз большего напряжения прибора Uv, определяется по формуле Rд=(n— 1) Rv.

Добавочный резистор может встраиваться в прибор и одновременно использоваться для уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора. Для этой цели резистор выполняется из материала, имеющего малый температурный коэффициент, и его сопротивление значительно превышает сопротивление катушки, вследствие чего общее сопротивление прибора становится почти независимым от изменения температуры.

По точности добавочные резисторы подразделяются на те же классы точности, что и шунты.

Делители напряжения.

Для расширения пределов измерения вольтметров применяют также делители напряжения. Они позволяют уменьшить подлежащее измерению напряжение до значения, соответствующего номинальному напряжению данного вольтметра (предельного напряжения на его шкале).

Отношение входного напряжения делителя U1 к выходному U2 (рис. 333, а) называется коэффициентом деления. При холостом ходе U1/U2 = (R1+R2)/R2 = 1 + R1/R2. В делителях напряжения это отношение может быть выбрано равным 10, 100, 500 и т. д. в зависимости от того, к каким

Рис. 333. Схемы включения делителей напряжения

выводам делителя подключен вольтметр (рис. 333,б).

Делитель напряжения вносит малую погрешность в измерения только в том случае, если сопротивление вольтметра Rv достаточно велико (ток, проходящий через делитель, мал), а сопротивление источника, к которому подключен делитель, мало.

Измерительные трансформаторы.

Для включения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока служат измерительные трансформаторы, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала при выполнении электрических измерений в цепях высокого напряжения.

Включение электроизмерительных приборов в эти цепи без таких трансформаторов запрещается правилами техники безопасности. Кроме того, измерительные трансформаторы расширяют пределы измерения приборов, т. е. позволяют измерять большие токи и напряжения с помощью несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и напряжений.

Измерительные трансформаторы подразделяют на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Трансформатор напряжения 1 (рис. 334, а) служит для подключения вольтметров и других приборов, которые должны реагировать на напряжение.

Его выполняют, как обычный двухобмоточный понижающий трансформатор: первичную обмотку подключают к двум точкам, между которыми требуется измерить напряжение, а вторичную — к вольтметру 2.

На схемах измерительный трансформатор напряжения изображают как обычный трансформатор (на рис. 334, а показано в круге).

Рис. 334. Включение электроизмерительных приборов посредством измерительных трансформаторов напряжения (а) и тока (б)

Так как сопротивление обмотки вольтметра, подключаемого к трансформатору напряжения, велико, трансформатор практически работает в режиме холостого хода, и можно с достаточной степенью точности считать, что напряжения U1 и U2 на первичной и вторичной обмотках будут прямо пропорциональны числу витков N1 и N2 обеих обмоток трансформатора, т. е.

Таким образом, подобрав соответствующее число витков N1 и N2 обмоток трансформатора, можно измерять высокие напряжения, подавая на электроизмерительный прибор небольшие напряжения.

Напряжение U1 может быть определено умножением измеренного вторичного напряжения U2 на коэффициент трансформации трансформатора n.

Вольтметры, предназначенные для постоянной работы с трансформаторами напряжения, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого напряжения могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током в случае повреждения изоляции трансформатора один выэод его вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора должны быть заземлены.

Трансформатор тока 3 (рис. 334,б) служит для подключения амперметров и других приборов, которые должны реагировать на протекающий по цепи переменный ток.

Его выполняют в виде обычного двухобмоточного повышающего трансформатора; первичную обмотку включают последовательно в цепь измеряемого тока, к вторичной обмотке подключают амперметр 4.

Схемное обозначение измерительных трансформаторов тока показано на рис. 334, б в круге.

Так как сопротивление обмотки амперметра, подключаемого к трансформатору тока, обычно мало, трансформатор практически работает в режиме короткого замыкания, и с достаточной степенью точности можно считать, что токи I1 и I2, проходящие по его обмоткам, будут обратно пропорциональны числу витков N1 и N2 этих обмоток, т.е.

Следовательно, подобрав соответствующим образом число витков N1 и N2 обмоток трансформатора, можно измерять большие токи I1, пропуская через электроизмерительный прибор малые токи I2. Ток I1 может быть при этом определен умножением измеренного вторичного тока I2 на величину n.

Амперметры, предназначенные для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого тока I1 могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током в случае повреждения изоляции трансформатора один из зажимов вторичной обмотки и кожух трансформатора заземляют.

На э. п. с. применяют так называемые проходные трансформаторы тока (рис. 335). В таком трансформаторе магнитопровод 3 и вторичная обмотка 2 смонтированы на проходном изоляторе 4, служащем для ввода высокого напряжения в кузов, а роль первичной обмотки трансформатора выполняет медный стержень 1, проходящий внутри изолятора.

Рис. 335. Проходной измерительный трансформатор тока

Условия работы трансформаторов тока отличаются от обычных. Например, размыкание вторичной обмотки трансформатора тока при включенной первичной обмотке недопустимо, так как это вызовет значительное увеличение магнитного потока и, как следствие, температуры сердечника и обмотки трансформатора, т. е. выход его из строя.

Кроме того, в разомкнутой вторичной обмотке трансформатора может индуцироваться большая э. д. с, опасная для персонала, производящего измерения.

При включении приборов посредством измерительных трансформаторов возникают погрешности двух видов: погрешность в коэффициенте трансформации и угловая погрешность (при изменениях напряжения или тока отношенияU1/U2 и I1/I2 несколько изменяются и угол сдвига фаз между первичным и вторичным напряжениями и токами отклоняется от 180°).

Эти погрешности возрастают при нагрузке трансформатора свыше номинальной. Угловая погрешность оказывает влияние на результаты измерений приборами, показания которых зависят от угла сдвига фаз между напряжением и током (например, ваттметров, счетчиков электрической энергии и пр.).

В зависимости от допускаемых погрешностей измерительные трансформаторы подразделяют по классам точности. Класс точности (0,2; 0,5; 1 и т. д.) соответствует наибольшей допускаемой погрешности в коэффициенте трансформации в процентах от его номинального значения.

Источник

Измерение тока и напряжения

· Измерение тока

Для измерениятока используетсяамперметр, включаемый в цепь последовательно с электроприемником (см. рис. 2.7.). Показания амперметра позволяют судить с определенной погрешностью (см. разд. 2.5) о токе IН, протекающем через данный электроприемник – нагрузку RН.

Рис. 2.7. Схема включения амперметра для измерения тока

При измерении переменного синусоидального тока приборы электромагнитной, электродинамической, выпрямительной и тепловой систем будут давать отклонения, пропорционально действующему значению тока и в этих значениях, как правило, градуируют шкалы этих приборов.

При измерении несинусоидального переменного тока появляется дополнительная погрешность, вызванная влиянием высших гармоник в кривой тока на вращающий момент подвижной части и отклонение стрелки и, следовательно, на показания прибора.

Сопротивление измерительной катушки амперметра очень малои его последовательное включение с нагрузкой практически не вызывает увеличение сопротивления цепи и потери мощности. Так, внутреннее сопротивление амперметров колеблется от RА=0,2 Ом (электромагнитные и электродинамические системы амперметров) до RА= 0,01 Ом (магнитоэлектрические приборы ).

Ошибочное включение амперметра не последовательно, а параллельно электроприемнику (нагрузке) приводит к его подключению на сравнительно высокое напряжение и практически к короткому замыканию цепи. В этом случае, протекающий через амперметр ток IКЗ станет намного больше номинального тока IН (IКЗ/IН = 10 ¸ 1000), и будет ограничен только малым собственным сопротивлением катушки прибора. Большой ток вызовет чрезмерно большое тепловыделение в проводе катушки (Р =(IКЗ) 2 RА), быстрый перегрев катушки и перегорание ее проводников, после чего амперметр выходит из строя.

Поэтому необходимо тщательно проверять правильность включения амперметра в измеряемой схеме до того, как к ней подано напряжение!

· Расширение пределов измерения амперметра

Для расширения пределов измерения амперметров применяют шунты и измерительные трансформаторы тока.

Шунт представляет собой активное сопротивление (резистор) RШ сравнительно малой величины, включаемое параллельно к зажимам амперметра (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема включения амперметра с шунтом для измерения больших токов

В том случае, когда сопротивление шунта RШ меньше сопротивления измерительной катушки амперметра RA, сравнительно большая часть измеряемого тока IН проходит через шунт, а в амперметр ответвляется только его небольшая часть IA, определяемая соотношением сопротивлений амперметра RA и шунта RШ:

Шкала амперметра с шунтом градуируется на полный ток IН, протекающий через нагрузку.

Таким образом, использование в амперметрах шунтов позволяет измерять большие постоянные или синусоидальные токи приборами, измерительные катушки которых рассчитаны на малые токи.

Трансформатор тока используется для расширения пределов измерения в цепях переменного тока и включается по схеме, представленной на рис. 2.9. Первичная обмотка W1 трансформатора тока зажимами Л1 и Л2 включается в линию переменного тока последовательно с электроприемником (нагрузкой RH). Ко вторичной обмотке трансформатора тока через зажимы И1 и И2 подключается амперметр и, в случае необходимости, катушки других измерительных приборов (ваттметра, счетчика электроэнергии и др.), которые соединяются между собой последовательно.

Рис. 2.9. Схема включения трансформатора тока в измерительную цепь

Трансформатор тока работает в условиях, близких к условиям короткого замыкания. Поэтому можно считать что:

то есть, первичный ток I1 определяется умножением вторичного тока I2, измеряемого амперметром, на постоянный коэффициент трансформации КI, который больше единицы, поскольку у трансформатора тока W2 > W1.

Номинальный ток вторичной обмотки у трансформаторов тока принимается равным 5А, независимо от коэффициента трансформации.

Шкала амперметра, использующего трансформатор тока, градуируется на первичный ток. На ней указывается с каким трансформатором тока должен быть включен амперметр (например, 100/5 А, 200/5 А и т.д.). Вторичная цепь трансформатора тока должна быть всегда замкнута. В целях электробезопасности один зажим вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора заземляются.

Помимо расширения пределов измерения, трансформаторы тока электрически отделяют цепи низкого напряжения измерительных приборов от главных цепей, которые могут находиться под высоким напряжением.

· Измерение напряжения

Для измерения напряженияиспользуются вольтметры. Зажимы этих приборов включаются параллельно нагрузке, как показано на рисунке ниже.

Рис. 2.10. Схема включения вольтметра для измерения напряжения

Чтобы включение вольтметра не приводило к заметному изменению токов в цепи и режима работы нагрузки, его собственное сопротивление RBдолжно быть намного больше сопротивления нагрузки RH. Оно колеблется от 3–5 кОм (электромагнитные и электродинамические приборы) до 6–10 кОм (магнитоэлектрические приборы) и свыше 10 кОм (электронные приборы).

При таком включении вольтметра отклонение его стрелки будет пропорционально напряжению на том участке цепи, к которому он подключен.

Вольтметры переменного тока указывают действующее значение измеряемого напряжения.

При ошибочном включении вольтметра, то есть последовательно с электроприемником, напряжение которого должно быть измерено, прибор не будет поврежден, так как через него будет протекать ничтожно малый ток из-за очень большого внутреннего сопротивления вольтметра. В то же время, показания вольтметра при таком включении будут неверны, так как напряжение на нагрузке значительно уменьшится (в сотни и тысячи раз), а вольтметр будет показывать напряжение, близкое к напряжению источника питания.

· Расширение пределов измерения вольтметра

Для расширения пределов измерения вольтметра используют добавочное активное сопротивление RД, включаемое последовательно с измерительной катушкой вольтметра.

Рис. 2.11. Схема включения вольтметра с добавочным сопротивлением
для расширения пределов измерения напряжения

Величина добавочного сопротивления RД рассчитывается, исходя из требуемой кратности расширения предела измерения nu

где UН – измеряемое напряжение на нагрузке, UB – напряжение на вольтметре,
RB – активное сопротивление измерительной катушки вольтметра.

С помощью разных добавочных сопротивлений можно получить многопредельный вольтметр с разной ценой деления шкалы.

В цепях переменного тока напряжением свыше 1000 Вдля расширения пределов измерения высокого напряжения используютизмерительные трансформаторы напряжения, включаемые по схеме, представленной на рисунке ниже

Рис. 2.12. Схема включения трансформатора напряжения с вольтметром
в измерительную цепь

Первичная обмотка трансформатора напряжения (зажимы «А» и «Х»), которая является обмоткой высшего напряжения с большим числом витков W1, подключается к измеряемому высокому напряжению U1, а вторичная обмотка W2, являясь обмоткой низкого напряжения (зажимы «а» и «х») замыкается на вольтметр и цепи напряжения других приборов: ваттметра, счетчика электроэнергии, частотомера и др. Все эти приборы присоединяются к обмотке трансформатора низшего напряжения параллельно.

Трансформатор напряжения работает в условиях, близких к режиму холостого хода. Поэтому можно считать, что

, (2.14)

то есть первичное высокое напряжение U1 может быть определено умножением вторичного напряжения U2 на постоянный коэффициент трансформации
KU = W1/W2 больше единицы, поскольку в трансформаторе напряжения W1 >W2.

Вторичное номинальное напряжение у трансформатора напряжения принимается равным U2 = 100 В, независимо от коэффициента трансформации.

Шкала вольтметра градуируется на первичное напряжение. На ней указывается, с каким трансформатором напряжения должен включаться вольтметр (например, 6000/100 В, 10000/100 В и т.д.). Обмотки трансформатора напряжения защищены плавкими предохранителями F1 и F2 (см. рис. 2.12).

Помимо расширения пределов измерения приборов переменного тока, трансформаторы напряжения отделяют цепи низкого напряжения измерительных приборов от главных цепей высокого напряжения.

В целях электробезопасности один зажим вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора напряжения заземляются, как показано на рисунке

Дата добавления: 2016-04-11 ; просмотров: 10913 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Схема измерения напряжения

У меня есть материал, и я хочу измерить напряжение и ток через него с течением времени. К сожалению, у меня есть только автоматический вольтметр, и сопротивление материала меняется со временем. Поскольку я не могу измерить ток и я не знаю сопротивления, я создал схему, чтобы измерить это. Смотрите изображение ниже.

R1 — материал с переменным сопротивлением (не учитывая 2 кОм). Я выбираю известный резистор (R2) и измеряю напряжение через него. Я также знаю приложенное напряжение. Таким образом, я могу определить R1, а также ток через цепь.

Ток I = V2 / R2

Напряжение V1 = Vtot — V2

Сопротивление R1 = (Vtot / V2 — 1) * R2 или R1 = V1 / I

Мой вопрос: это будет работать? Я сделал математику, и я должен был, однако, сделать несколько тестов, и это не работает, как ожидалось. Должно ли значение R2 быть близко к R1? Повлияет ли вольтметр на путь тока и создаст ли параллельную цепь? Мне нужно знать то, что мог бы знать тот, кто имеет некоторый опыт работы со схемами.

[! [

смоделировать эту схему — схема, созданная с использованием CircuitLab

] 1 ] 1

Bradman175

Я вижу, что вы сделали с использованием R2 в качестве шунтирующего резистора. Причина, по которой он не работает, заключается в вашей математике или ваших значениях резисторов. Я не знаком с математикой наряду с использованием шунтов с таким высоким сопротивлением, но лучше всего поддерживать R2 как можно более низким сопротивлением, как 0,1 Ом (да, так мало) или меньше. Если ваши показания мультиметра не доходят до таких малых значений, то, возможно, вам удастся избежать 10 Ом. Тогда вы можете сделать математику, которую вы предложили оттуда. В основном ваша концепция верна.

Также ваш вольтметр будет очень слабо влиять на цепь в виде параллельного дополнительного резистора, но он настолько мал, что это не должно иметь значения. (Он имеет сопротивление около 10 Мегаом в целом). Если ваш материал имеет сопротивление вокруг этого региона, то это, вероятно, повлияет на показания.

Измерение напряжения, силы тока и сопротивления » Паятель.Ру


При ремонте или налаживании электронной техники невозможно обойтись без измерений силы тока, напряжения, сопротивления, а так же других электрических величин, от которых зависит работа схемы или прибора.
Наиболее часто приходится измерять постоянные и переменные напряжения и токи, сопротивления. Сейчас самый популярный прибор, — цифровой мультиметр (типа М-838 или аналогичный).


Недорогой прибор, обычно китайского производства, позволяющий измерять постоянное и переменное напряжение, постоянный ток, сопротивление, а так же проверять диоды и маломощные транзисторы. У некоторых моделей есть «прозвонка» (пищит, когда щупы замкнуты), а более дорогие могут, кроме всего прочего, измерять емкости конденсаторов, частоту электрических колебаний и быть источником импульсов (генератором), частотой около 1 кГц.

Мало владеть прибором, необходимо еще и уметь им пользоваться, да так, чтобы не повредить прибор или объект измерения.

Точность измерения.

Измерить электрическую величину, и вообще любую величину, с абсолютной точностью невозможно. Всегда существует погрешность, зависящая как от самого измерительного прибора, так и от человека, проводящего измерение. Например, точность измерения сильно зависит от правильности выбора предела измерения Допустим, в какой-то цепи есть напряжение 2,9875V. Если вы пользуетесь мультиметром (цифровым прибором), чтобы получить наиболее точный результат измерения, нужно, в данном случае, выбрать предел 20V. Из этом пределе мультиметр покажет 2.98V.

Если же вы выберете предел «200V», прибор покажет «2,9V». В стрелочных приборах предел измерения необходимо выбирать так. чтобы предполагаемое значение было где-то в 30-градус-ном секторе в центре шкалы. Именно здесь точность индикации наибольшая. А самая худшая, — в начале или в конце шкалы.

Но это ещё не все «прелести» стрелочных приборов, — считывание показаний зависит от угла зрения, под которым человек смотрит на шкалу прибора. Стрелка находится на некотором расстоянии над шкалой, и смещение угла зрения относительно перпендикуляра к плоскости шкалы приводит к кажущемуся смещению стрелки относительно шкалы.

Выше сказанное относится к точности считывания показаний прибора. Но на сколько показания соответствуют действительности? На этот вопрос может ответить класс точности прибора.

Измерительные приборы делятся на семь классов точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (кроме особых случаев, когда требуются сверхточные измерения). Эти числа показывают какую погрешность допускает прибор, в процентах от выбранного предела измерения. Недорогие приборы, типа мультиметра М-838, обычно, не дают погрешность меньше класса 1,0. А погрешность китайских стрелочных мультитестеров вообще вне всяких классов (реально более 10-15%). Таким образом, если ваш мультиметр соответствует классу точности 1,0, то на пределе «20V» он может ошибаться не более чем на 0,2V (20/100*1,0=0,2).

Кроме класса точности прибора и правильности выбора предела измерения, на результат измерения оказывает влияние и такой показатель, как внутреннее (или входное) сопротивление. Но об этом позже.

Измерение постоянного напряжения. При измерении напряжения; вольтметр или мультиметр; предварительно переключенный на измерение постоянного напряжения (DCV), подключают параллельно источнику напряжения, которое нужно измерить.

Предположим, нужно измерить напряжение на резисторе R2 (рис. 1). Для этого мультиметр М мы подключаем параллельно резистору R2.

Полярность измеряемого постоянного напряжения мультиметр показывает относительно своего гнезда «СОМ». То есть, в схеме на рис. 1, щуп, идущий от гнезда СОМ подсоединен к минусу измеряемого напряжения, а второй щуп (V) — к плюсу. Таким образом, напряжение на щупе V относительно щупа СОМ будет положительным. Если щупы поменять местами или перевернуть «батарейку» G1, напряжение на щупе V относительно щупа СОМ будет отрицательным, и на табло мультиметра перед числом-результатом измерения появится значок «-».

Как видите, чтобы измерить напряжение нужно знать две точки, между которыми есть искомое напряжение. Когда говорят, что нужно измерить напряжение на резисторе, конденсаторе или каком-то другом объекте, имеющим два выгода, все понятно, — один щуп подключаем к одному выводу, а второй -к другому.

Но как быть, если требуется измерить напряжение в точке «А», или на коллекторе VT1 (рис. 2)?

Здесь следует знать, что если нигде не говорится относительно чего нужно измерять напряжение в данной точке, его всегда измеряют относительно общего провода. Таким образом, щуп «СОМ» мультиметра подключаем к общему проводу схемы, а второй щуп — к точке, в которой требуется измерить напряжение, в данном случае к коллектору VT1 (рис. 2).

Если же сказано, что напряжение на коллекторе VT1 нужно измерить относительно его эмиттера, то прибор нужно подключать, соответственно, между эмиттером и коллектором транзистора (рис. 3).

Поэтому, прежде чем начинать измерять напряжения в схеме, нужно разобраться относительно чего это делать. И подключить «СОМ» мультиметра к тому самому месту, относительно которого нужно измерить напряжение.

Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением, которое в определенных случаях может оказывать очень существенное влияние на результат измерения. Может быть даже так, что при подключении вольтметра с недостаточно большим внутренним (входным) сопротивлением схема вообще перестанет работать или её характеристики сильно изменятся.

Чтобы понять, почему входное сопротивление вольтметра должно быть как можно больше, обратимся к рисунку 4. Предположим, есть делитель напряжения на двух одинаковых резисторах по 100 кОм каждый. Значит, напряжение на резисторе R2 (U2), согласно формуле U1/U2=(R1+R2)/R2, будет равно половине напряжения источника питания G1 (U1), то есть 4,5V.

Для контроля и измерения напряжения электрической цепи используются датчики постоянного, переменного и импульсного тока. Датчики тока могут иметь разный принцип работы, у них есть свои преимущества и недостатки, поэтому рекомендуется подбирать такой датчик, учитывая область его применения.

7.3 Методы измерения напряжения и тока

Для измерения напряжения и тока используют метод непосредственной оценки, при котором числовое значение изме­ряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуиро­ванному в единицах этой величины, и метод сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воз­действия измеряемой величины на какую-либо систему, с воздействием на эту же систему образцовой меры.

4.3.1 Метод непосредственной оценки

Этот метод реализуется с помощью прямопоказывающих приборов. Вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение.

Измерение напряжений всегда сопровождается погрешностью, ве­личина которой зависит от внутреннего сопротивления вольтметра Rv. Включение вольтметра в исследуемую цепь искажает режим работы этой цепи.

Например, напряжение на резисторе R2 до включения вольтме­тра (рис. 4.3)

(4.14)

Рисунок 4.3 – Схема измерения напряжения методом

непосредственной оценки

Напряжение на этом же резисторе после включения вольтметра будет равно

(4.15)

Погрешность измерения в данном случае тем больше, чем меньше сопротивление вольтметра:

(4.16)

Относительную погрешность измерения напряжения можно выра­зить также через мощность Рv, потребляемую вольтметром, и мощ­ность цепи Р:

(4.17)

Следовательно, погрешность от искажения режима работы цепи при измерении напряжений тем меньше, чем меньше мощность, потребля­емая из цепи, и сопротивление R1.

При непосредственной оценке тока результат измерения (как и при измерении напряжения) сопровождается погрешностью, величина кото­рой зависит от внутреннего сопротивления амперметра RA.

Например, включение амперметра в цепь (рис.4.4) приведет к тому, что вместо тока I = U/R, который протекал в цепи до включения амперметра, будет протекать ток I’ = U/(R+ RA).

Рисунок 4.4 – Схема измерения тока методом непосредственной оценки

Погрешность ∆ = I’ — I тем больше, чем больше сопротивление амперметра. Относительная погрешность измерения тока в этом случае

(4.18)

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощности РA, потребляемой амперметром, к мощности в самой цепи Р:

Таким образом, погрешность измерения тем меньше, чем меньше RA, т.е. чем меньше мощность, потребляемая амперметром РA, по срав­нению с мощностью потребления цепи, в которой осуществляется из­мерение.

4.3.2 Метод сравнения с мерой

Метод сравнения основан на сравнении измеряемого напряжения с известным напряжением, установленным с высокой точностью. Из об­щеизвестных методов сравнения наибольшее применение при измерении напряжения получил компенсационный метод.

Суть компенсационного метода измерения постоянного напряжения состоит в уравновешивании неизвестного напряжения на образцо­вом сопротивлении R. Момент компенсации определяется по нулевому показанию гальванометра. Принцип действия компенсатора поясняется схемой, приведенной на (рис.4.5), где используется нормальный элемент Ен, вспомогательный источник напряжения Евсп, потенциометр R, пе­реключатель П и гальванометр Г.

Рисунок 4.5 – Схема компенсатора постоянного тока

Измерение напряжения происходит в два этапа.

Переключатель устанавливают в 1-е (верхнее) положение, с помо­щью потенциометра R достигается нулевое показание гальванометра. В этом случае падение напряжения за счет тока I от Евсп на участке аb (Rab) резистора R компенсируется источником Ен:

(4.19)

Переключатель устанавливают во 2-е (нижнее) положение, и с по­мощью потенциометра R вновь уравновешивается схема. При этом дви­жок потенциометра займет новое положение, сопротивление участка аb будет равно R’ab, и будет справедливо равенство

(4.20)

Из равенства токов (4.19) и (4.20) следует, что

(4.21)

Условие равновесия (4.21) показывает, что точность измерения в данном методе зависит от точности, с которой известны ЭДС нормаль­ного элемента Ен и отношение установившихся значений сопротивлений потенциометра, а также чувствительности гальванометра.

Нормальный элемент Ен в рассматриваемой схеме — это электро­химическое устройство, воспроизводящее единицу измерения напряже­ния. Наибольшее распространение получили нормальные элементы с насыщенным электролитом (Ен = 1,01865 В при температуре 20 °С, внутреннее сопротивление 1кОм, ток 1 мкА).

Точность отсчета с потенциометра достигается обычно за счет ис­пользования специальных схем многоразрядных дискретных делителей напряжения.

К достоинствам метода можно отнести:

— в момент компенсации ток от измеряемого источника напряжения в цепи компенсации отсутствует, т.е. практически измеряется значение ЭДС на зажимах источника напряжения;

— отсутствие тока в цепи гальванометра позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерения;

— при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется (тока нет).

Метод сравнения применяется также для измерения переменных на­пряжений. Принцип действия схем сравнения на переменном токе также состоит в урав­новешивании измеряемого напряжения известным напряжением, созда­ваемым переменным (обычно синусоидальным) током на активных со­противлениях вспомогательной цепи. Для уравновешивания схемы здесь необходимо добиться равенства модулей измеряемого и сравниваемого напряжений, их частот, а также противоположность фаз. Полного урав­новешивания в таких схемах добиться сложно, поэтому компенсаторы переменного тока имеют меньшую точность измерения по сравнению с компенсаторами постоянного тока.

В зависимости от способа уравновешивания по величине и фазе из­меряемого известного напряжения различают полярно-координатные и прямоугольно-координатные схемы.

Измерения напряжения

: практическое руководство — NI

Несмотря на то, что многие датчики выдают постоянное напряжение, которое можно измерить с помощью мультиметра или устройства сбора данных, основной задачей этого технического документа является изучение общих измерений постоянного тока, не требующих установки промежуточного датчика.

Основы измерения напряжения

Чтобы понять, как измерять напряжение, важно понимать основы того, как вы проводите измерения. По сути, напряжение – это разность электрических потенциалов между двумя точками интереса в электрической цепи.Однако часто возникает путаница в том, как определяется опорная точка измерения. Контрольная точка измерения – это уровень напряжения, к которому относится измерение.

Методы контрольных точек

По сути, существует два метода измерения напряжения: относительно земли и дифференциальный.

Измерение напряжения относительно земли

Один из методов заключается в измерении напряжения относительно общей или «земляной» точки. Часто эти «земли» стабильны и неизменны и чаще всего имеют напряжение около 0 В.Исторически термин «земля» возник из-за обычного применения обеспечения потенциала напряжения на уровне 0 В путем подключения сигнала непосредственно к земле. Входные соединения с заземлением особенно хороши для канала, который соответствует следующим условиям:

  • Входной сигнал высокого уровня (более 1 В)
  • Провода, соединяющие сигнал с устройством, имеют длину менее 10 футов (3 м)
  • Входной сигнал может иметь общую опорную точку с другими сигналами
     

Заземление обеспечивается либо устройством, выполняющим измерение, либо измеряемым внешним сигналом.Когда земля обеспечивается устройством, эта установка называется несимметричным режимом с опорной землей (RSE), а когда земля обеспечивается сигналом, настройка называется несимметричным режимом без опорной связи (NRSE).

Большинство приборов имеют аналогичную конфигурацию контактов для измерения аналогового входа. В следующем примере демонстрируется этот тип измерения с использованием шасси CompactDAQ и модуля аналогового ввода NI 9205 (см. рис. 1).


Рис. 1.Шасси CompactDAQ с модулем аналогового ввода NI 9205

На рис. 2 показана схема подключения для измерения напряжения RSE с использованием шасси NI cDAQ-9178 с NI 9205, а также выводы модуля. На рисунке 2 контакт 1 соответствует каналу «Аналоговый вход 0», а контакт 17 соответствует общему заземлению.

Рис. 2. Односторонний режим с привязкой к земле

На рис. 3 показана схема подключения для измерения напряжения NRSE с использованием cDAQ-9178 и NI 9205.На рисунке контакт 1 соответствует каналу «Аналоговый вход 0», а контакт 35 соответствует каналу «Датчик аналогового входа». Этот канал, специально предназначенный для измерений NRSE, может обнаруживать напряжение земли, обеспечиваемое сигналом.



Рис. 3. Односторонний режим без ссылки

Измерение дифференциального напряжения

Другой способ измерения напряжения заключается в определении «дифференциального» напряжения между двумя отдельными точками электрической цепи.Например, чтобы измерить напряжение на одном резисторе, вы измеряете напряжение на обоих концах резистора. Разница между напряжениями – это напряжение на резисторе. Обычно измерения дифференциального напряжения полезны для определения напряжения, существующего на отдельных элементах цепи, или если источники сигнала зашумлены.

Дифференциальные входные соединения особенно хорошо подходят для канала, который соответствует любому из следующих условий:

  • Низкий уровень входного сигнала (менее 1 В)
  • Провода, соединяющие сигнал с устройством, длиннее 3 м (10 футов)
  • Для входного сигнала требуется отдельная опорная точка заземления или обратный сигнал
  • Сигнальные провода проходят через шумную среду
     

На рис. 4 показана схема подключения для измерения дифференциального напряжения с использованием cDAQ-9178 и NI 9205.На рисунке контакт 1 соответствует каналу «Аналоговый вход 0», а контакт 19 соответствует каналу «Аналоговый вход 8».

В дифференциальном режиме отрицательный сигнал подключается к аналоговому контакту, непосредственно обращенному к аналоговому каналу, подключенному к положительному сигналу. Например, «Аналоговый вход 0» будет подключен к положительному, а «Аналоговый вход 8» будет подключен к отрицательному сигналу, «Аналоговый вход 1» — к положительному, «Аналоговый вход 9» — к отрицательному и так далее. Недостаток дифференциального режима заключается в том, что он фактически вдвое уменьшает количество аналоговых входных измерительных каналов.

.

Рис. 4. Дифференциальный режим

Типы источников сигнала

Перед настройкой входных каналов и подключением сигналов необходимо определить, являются ли источники сигнала плавающими или заземленными.

Плавающие источники сигнала

Плавающий источник сигнала не подключен к системе заземления здания, но имеет изолированную опорную точку заземления. Некоторыми примерами плавающих источников сигнала являются выходы трансформаторов, термопар, устройств с батарейным питанием, оптических изоляторов и изолирующих усилителей.Прибор или устройство с изолированным выходом является плавающим источником сигнала. Заземление плавающего сигнала должно быть подключено к земле устройства, чтобы установить местное или бортовое задание для сигнала. В противном случае измеренный входной сигнал изменяется, поскольку источник выходит за пределы входного диапазона синфазного сигнала.

Источники сигналов, привязанные к земле

Источник сигнала с привязкой к земле подключен к системе заземления здания, поэтому он уже подключен к общей точке заземления по отношению к устройству, при условии, что измерительное устройство подключено к той же системе питания, что и источник.В эту категорию попадают неизолированные выходы приборов и устройств, подключаемых к системе электропитания здания. Разница в потенциале земли между двумя приборами, подключенными к одной и той же системе электропитания здания, обычно составляет от 1 до 100 мВ, но эта разница может быть намного выше, если цепи распределения питания подключены неправильно. Если заземленный источник сигнала измеряется неправильно, эта разница может появиться как ошибка измерения. Следование инструкциям по подключению заземленных источников сигнала может исключить разность потенциалов земли из измеряемого сигнала.

На рис. 5 показаны различные типы источников сигнала, а также оптимальные схемы подключения, основанные на индивидуальном методе измерения. Обратите внимание, что в зависимости от типа сигнала конкретный метод измерения напряжения может давать лучшие результаты, чем другие.

Рис. 5. Распространенные типы источников сигналов в сравнении с рекомендуемыми конфигурациями входов

Узнайте больше о полевой проводке и факторах шума для аналоговых сигналов.

Высоковольтные измерения и изоляция

При измерении более высоких напряжений необходимо учитывать множество факторов.При определении системы сбора данных первый вопрос, который вы должны задать, — будет ли система безопасной. Выполнение высоковольтных измерений может быть опасным для вашего оборудования, тестируемого устройства и даже для вас и ваших коллег. Чтобы обеспечить безопасность вашей системы, вы должны обеспечить изолирующий барьер между пользователем и опасным напряжением с помощью изолированных измерительных устройств.

Изоляция, средство физического и электрического разделения двух частей измерительного устройства, может быть подразделена на электрическую и защитную изоляцию.Электрическая изоляция относится к устранению путей заземления между двумя электрическими системами. Обеспечивая гальваническую развязку, вы можете разорвать контуры заземления, увеличить диапазон синфазных сигналов системы сбора данных и сместить опорный уровень сигнала на землю одной системы. Безопасная изоляция ссылается на стандарты, в которых есть особые требования к изоляции людей от контакта с опасным напряжением. Он также характеризует способность электрической системы предотвращать передачу высокого напряжения и переходных напряжений через ее границу на другие электрические системы, с которыми может контактировать пользователь.

Включение изоляции в систему сбора данных имеет три основные функции: предотвращение контуров заземления, подавление синфазного напряжения и обеспечение безопасности.

Узнайте больше об измерениях высокого напряжения и изоляции.

Контуры заземления

Контуры заземления являются наиболее распространенным источником шума в приложениях сбора данных. Они возникают, когда две соединенные клеммы в цепи имеют разные потенциалы земли, что приводит к протеканию тока между двумя точками.Местное заземление вашей системы может быть на несколько вольт выше или ниже земли ближайшего здания, а удары молнии поблизости могут привести к увеличению разницы до нескольких сотен или тысяч вольт. Это дополнительное напряжение само по себе может вызвать значительную ошибку в измерении, но вызывающий его ток может также связывать напряжения в близлежащих проводах. Эти ошибки могут проявляться в виде переходных процессов или периодических сигналов. Например, если контур заземления образован линиями электропередач переменного тока с частотой 60 Гц, нежелательный сигнал переменного тока появляется при измерении в виде периодической ошибки напряжения.


При наличии контура заземления измеренное напряжение Vm представляет собой сумму напряжения сигнала Vs и разности потенциалов Vg между землей источника сигнала и землей измерительной системы (см. рис. 6). Этот потенциал обычно не является уровнем постоянного тока; таким образом, результатом является зашумленная измерительная система, часто показывающая в показаниях компоненты частоты сети питания (60 Гц).

Рис. 6. Заземленный источник сигнала, измеренный с помощью системы заземления
, включает контуры заземления

Во избежание контуров заземления убедитесь, что в измерительной системе имеется только один эталон заземления, или используйте изолированное измерительное оборудование.Использование изолированного оборудования устраняет путь между землей источника сигнала и измерительным устройством, тем самым предотвращая протекание тока между несколькими точками заземления.

В ранее упомянутой настройке CompactDAQ модуль аналогового ввода NI 9229 обеспечивает межканальную изоляцию 250 В.

Рис. 7. Модуль аналогового ввода с межканальной развязкой NI 9229

Синфазное напряжение

Идеальная дифференциальная измерительная система реагирует только на разность потенциалов между двумя ее клеммами, входами (+) и (-).Дифференциальное напряжение на паре цепей является полезным сигналом, однако может существовать нежелательный сигнал, общий для обеих сторон пары дифференциальных цепей. Это напряжение известно как синфазное напряжение. Идеальная дифференциальная измерительная система полностью отбрасывает синфазное напряжение, а не измеряет его. Однако практические устройства имеют несколько ограничений, описываемых такими параметрами, как диапазон синфазного напряжения и коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), которые ограничивают возможность подавления синфазного напряжения.

Диапазон синфазного напряжения определяется как максимально допустимый размах напряжения на каждом входе относительно земли измерительной системы. Нарушение этого ограничения приводит не только к ошибке измерения, но и к возможному повреждению компонентов на плате.

Коэффициент подавления синфазных сигналов описывает способность измерительной системы подавлять синфазные напряжения. Усилители с более высокими коэффициентами подавления синфазных сигналов более эффективны при подавлении синфазных напряжений.

В неизолированной дифференциальной измерительной системе в цепи между входом и выходом все еще существует электрическая цепь.Поэтому электрические характеристики усилителя ограничивают уровень синфазного сигнала, который можно подать на вход. При использовании изолирующих усилителей устраняется проводящий электрический путь, а коэффициент подавления синфазных сигналов резко увеличивается.

Топологии изоляции

При настройке измерительной системы важно понимать топологию изоляции устройства. Различные топологии имеют несколько связанных с ними соображений стоимости и скорости.


Между каналами


Наиболее надежной топологией изоляции является изоляция каналов. В этой топологии каждый канал индивидуально изолирован друг от друга и от других неизолированных компонентов системы. Кроме того, каждый канал имеет свой изолированный источник питания.

С точки зрения скорости существует несколько архитектур на выбор. Использование разделительного усилителя с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) на канал обычно быстрее, поскольку вы можете получить доступ ко всем каналам параллельно.Модули аналогового ввода NI 9229 и NI 9239 обеспечивают межканальную изоляцию для обеспечения высочайшей точности измерений.

Более экономичная, но более медленная архитектура включает мультиплексирование каждого изолированного входного канала в один АЦП.

Другой метод обеспечения межканальной изоляции заключается в использовании общего изолированного источника питания для всех каналов. В этом случае синфазный диапазон усилителей ограничен шинами питания этого источника питания, если только вы не используете входные аттенюаторы.

 

Банк


Другая топология изоляции включает объединение или группировку нескольких каналов вместе для совместного использования одного изолирующего усилителя. В этой топологии разность синфазных напряжений между каналами ограничена, но синфазное напряжение между банком каналов и неизолированной частью измерительной системы может быть большим. Отдельные каналы не изолированы, но банки каналов изолированы от других берегов и от земли. Эта топология является более дешевым решением по изоляции, поскольку в этой конструкции используется один изолирующий усилитель и источник питания.

Большинство модулей аналогового ввода NI серии C, такие как NI 9201 и NI 9221, имеют гальваническую развязку и могут обеспечивать точные аналоговые измерения напряжения при меньших затратах.

 

Просмотр ваших измерений: NI LabVIEW


После подключения датчика к измерительному прибору вы можете использовать программное обеспечение для графического программирования LabVIEW для визуализации и анализа данных по мере необходимости. См. рисунок 8, взятый из поставляемого примера LabVIEW: Voltage — Finite Input.vi  и найдено здесь:

\National Instruments\< LabVIEW Version >\examples\DAQmx\Analog Input\Voltage — Finite Input.vi

Рис. 8. Измерение напряжения LabVIEW

Как измерить напряжение | Хиоки

Как измеряется напряжение? Напряжение легко измерить с помощью тестера.

  • («Тестер» и «мультиметр» часто используются взаимозаменяемо)

Обзор

Поскольку напряжение невозможно увидеть, невозможно проверить, сколько напряжения протекает в цепи, просто взглянув на нее.Однако каждая цепь в электронном устройстве имеет заранее определенное напряжение, необходимое для ее работы, и более высокие напряжения могут привести к повреждению оборудования или телесным повреждениям.
В то же время схемы не будут работать при слишком низком напряжении, поэтому необходимо выяснить, является ли напряжение правильным при неисправности электронного устройства. Эта страница предлагает подробное введение в использование тестеров, которые используются при измерении напряжения, а также некоторые меры предосторожности, касающиеся их использования.

Нужны тестеры для измерения напряжения.

Вам понадобится измерительный инструмент, если вы хотите что-то измерить. Инструменты используются для точного измерения вещей; например, вам понадобится линейка или измерительная лента, если вы хотите измерить длину, весы или весы, если вы хотите измерить вес, и часы, если вы хотите измерить время. Таким образом, используемый инструмент зависит от того, что измеряется.
То же самое относится и к измерению напряжения. Это особенно верно, поскольку вы не можете увидеть или потрогать напряжение.В отличие от физических свойств, вы не можете сделать приблизительную оценку, просто взглянув на него. Следовательно, вам понадобится тестер для измерения напряжения. Некоторые из целей, для которых используются эти инструменты, включают:

  • Проверка безопасности
  • Проверка качества
  • Прогнозирование на основе измеренных значений
  • Решение проблем
  • Проверка пригодности

3

2 электрических устройств путем измерения напряжения.

Типы тестеров

Тестер выпускается в различных вариантах. В этом разделе представлено подробное введение в основные типы доступных тестеров.

Аналоговые тестеры

Аналоговые тестеры позволяют делать интуитивные суждения на основе отклонения стрелки на градуированной шкале. Они измеряют простой набор параметров, и их преимущество заключается в простоте использования. С другой стороны, у них есть недостаток, заключающийся в больших потерях инструмента.

Цифровые мультиметры (DMM)

Цифровые мультиметры отображают результаты измерений в числовом виде, что позволяет пользователю получать точные показания. Многие цифровые модели имеют расширенные функции, которые трудно реализовать с помощью аналогового тестера, например расширенные возможности измерения, проверки непрерывности и проверки диодов. Некоторые модели могут даже отправлять данные измерений на компьютер. Кроме того, цифровые модели отличаются низкими инструментальными потерями.Цифровые мультиметры можно классифицировать на основе используемого метода выпрямления.
При выпрямлении среднего значения входной сигнал обрабатывается как синусоида и преобразуется для отображения результатов измерения. Необходима осторожность, так как этот подход подвержен увеличению ошибки измерения, если форма сигнала искажена. Напротив, метод истинного среднеквадратичного значения преобразует и отображает форму волны, включая ее гармонические составляющие, что позволяет прибору отображать значения, характеризующиеся меньшей погрешностью измерения.

Метод истинного среднеквадратичного значения преобразует форму волны, включая ее гармонические составляющие, для отображения с использованием формулы среднеквадратичного значения.
Приборы также можно классифицировать на основе предоставляемых ими функциональных возможностей, например, имеют ли они терминал для измерения тока. Модели высокого класса предлагают большой выбор параметров измерения, в то время как простые модели предоставляют меньше. Высококачественные модели способны выполнять высокоточные измерения в различных областях применения.Однако они и дороже; рекомендуется приобретать инструмент, соответствующий цели, для которой вы планируете его использовать.

Как измерить напряжение с помощью тестера

В этом разделе предлагается простая процедура измерения напряжения с помощью цифрового мультиметра.

1. Выберите параметр измерения

Цифровые мультиметры имеют несколько параметров измерения, таких как напряжение, сопротивление, ток и т. д. Сначала установите поворотный переключатель на напряжение. В случае напряжения постоянного тока единица измерения напряжения «В» и метка, обозначающая постоянный ток, отображаются, как показано на рисунке.Для напряжения переменного тока установите параметр, который показывает единицу измерения «В» и отметку, обозначающую переменный ток.

2. Вставьте щупы

Вставьте черный щуп в разъем COM цифрового мультиметра. Также вставьте красный измерительный щуп в клеммы с маркировкой «V» и «mV». Для обеспечения точности измерений перед измерением рекомендуется выполнить регулировку нуля.

Если вы измеряете напряжение постоянного тока, красный щуп — положительный, а черный — отрицательный.Если вы измеряете напряжение переменного тока, отведения не имеют положительной или отрицательной связи. Если вы измеряете напряжение, поместите выводы в контакте с обоими концами измеряемой цепи. Таким образом, вы можете измерить значение напряжения. Если вы используете аналоговый прибор, прочтите положение стрелки на градуированной шкале; если вы используете цифровой инструмент, считайте числовое значение с дисплея.
Вы можете выбрать диапазон измерения для измерения напряжения. Если вы не уверены, насколько велико измеряемое напряжение, начните с самого высокого диапазона и постепенно переключайтесь на более низкие диапазоны по мере необходимости.Если вы используете цифровой тестер, многие модели могут автоматически выбирать диапазон за вас.

Выберите диапазон

Меры предосторожности при измерении напряжения

Существуют некоторые меры предосторожности, которые следует соблюдать при измерении напряжения тестером.

Отодвиньте выводы от тестируемой цепи при изменении диапазона.

Если вам нужно изменить диапазон, сначала отодвиньте измерительные провода от измеряемой цепи. Изменение диапазона, когда выводы находятся в контакте с цепью, может привести к повреждению прибора.

Соблюдайте осторожность при размещении выводов в контакте с тестируемой цепью.

Соблюдайте осторожность, чтобы провода соприкасались только с предполагаемой областью. Неосторожное касание выводов с другими частями цепи может повредить не только прибор, но и электронное устройство, которое вы пытаетесь измерить.

Выберите лучший тестер для вашего приложения

Вам может понадобиться измерить напряжение, чтобы проверить безопасность или качество электронного устройства.Тестеры (мультиметры) необходимы для того, чтобы измерять напряжение. Эти инструменты доступны в аналоговом и цифровом вариантах, и многие из них предлагают ряд удобных функций. Используйте то, что вы узнали здесь, чтобы выбрать тестер, который соответствует вашим потребностям, а затем используйте его для измерения напряжения.

Как использовать

Сопутствующие товары

Узнать больше

Измерение напряжения — инновации в области возобновляемых источников энергии

Ряд наших проектов требует точного контроля напряжения.Здесь мы объясним многочисленные методы измерения напряжения, как постоянного, так и переменного тока, выделим некоторые из множества доступных интегральных схем и перечислим плюсы и минусы различных методов.

Для измерения мощности (и, следовательно, измерения энергии) в электрических системах нам необходимо знать напряжение и силу тока. Мощность равна напряжению, умноженному на ток (P=V x I). Мы написали информацию об измерении постоянного тока, в этом посте мы будем писать об измерении напряжения, как постоянного, так и переменного тока.

Фон

Точное измерение, безусловно, выгодно, но более высокая точность связана с более высокими затратами, а также существуют некоторые фундаментальные и аппаратные ограничения точности измерений.

На этой странице я надеюсь описать основные требования к достаточно точному измерению напряжения, а также ряд методов для этого, а также ряд компонентов и интегральных схем, которые используются для выполнения этой функции. Я предполагаю, что эти данные будут считываться микроконтроллером (цифровым устройством).

Методы измерения напряжения

Напряжение иногда называют «разницей потенциалов» и соответствует «потенциалу» или способности электронов течь по цепи. Таким образом, измерение напряжения всегда требует прямого подключения к двум клеммам, которые мы пытаемся измерить.

Часто (особенно в системах с высоким напряжением — выше 55 В постоянного тока может привести к опасному поражению электрическим током) требуется ИЗОЛЯЦИЯ , поэтому я разделю эти методы на неизолированные и изолированные .

Неизолированное измерение напряжения

Неизолированный означает, что входное и выходное напряжения каким-то образом связаны друг с другом. Как правило, они имеют одно и то же заземление. Несмотря на простоту реализации, существуют проблемы с перенапряжением и безопасностью для более высоких напряжений.

Прямое подключение

Мы могли бы измерить напряжение, напрямую подключив его к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), например, в микроконтроллерах.Они имеют максимальный вход 5 В или 3,3 В, поэтому мы не можем напрямую подключить сигнал 20 В, иначе мы перегрузим и повредим измерительный АЦП.

Этот метод полезен только для низких напряжений и не является предметом этой статьи.

Разделитель потенциалов

Делитель напряжения — это простой способ измерения напряжения. Входное напряжение измеряется между землей и верхней точкой двух последовательно соединенных резисторов. Выходное напряжение измеряется на нижнем резисторе.Это уменьшает выходное напряжение на коэффициент, который относится к R1 и R2, верхнему и нижнему резисторам.

Например:

Допустим, входное напряжение составляет 20 В. Выходное напряжение будет:

Vвых = Vin (R2/(R1+R2)

Таким образом, в этом примере выходное напряжение будет:

Vвых = 20 В x (100 кОм/(680 кОм + 100 кОм) = 2,564 В

  • Простой
  • Недорогой
  • Возможно опасное перенапряжение
  • Возможно повреждение измерительного устройства
  • Проблемы с изменением резистора в зависимости от температуры

На схеме выше мы видим два дополнительных элемента.Это С1 и D1.

C1 — конденсатор фильтра. Это удалит высокочастотный «шум» в сигнале. Это может не потребоваться.

D1 — стабилитрон. Стабилитрон закоротит, когда подается напряжение, превышающее его номинальное значение. Это защита от любых проблем с перенапряжением. Это делается для защиты любого оборудования после стабилитрона, например, микроконтроллера. Резисторы в делителе потенциала означают, что даже при коротком замыкании будет протекать только очень низкий ток, следовательно, это ограничит напряжение.(Это сделано не для того, чтобы остановить любые опасные высокие напряжения для безопасности людей, так как эти напряжения все еще могут появиться, если, скажем, R1 не замкнет накоротко). В этом случае стабилитрон 5,1 В используется для защиты входа 5 В микроконтроллера.

Измерение изолированного напряжения

Если мы измеряем относительно высокие напряжения, гораздо лучше иметь полностью изолированный сигнал. Это устраняет любые проблемы с перенапряжением, подаваемым на наше измерительное устройство.

Кроме того, 55 В известно как напряжение, выше которого через кожу может протекать опасный ток.Следовательно, все, что выше 55 В, потенциально опасно. Как PV (фотогальванические) напряжения выше 55 В, так и напряжения переменного тока от стандартных розеток переменного тока могут быть опасными.

Существует несколько способов измерения изолированного напряжения:

Трансформатор Трансформаторы

состоят из двух электрически изолированных катушек. Любой магнитный поток связан через ферритовый сердечник. Они обеспечивают электрическую изоляцию, но только для сигналов переменного тока. Это была моя первая идея, когда мне нужно было проверить напряжение сети переменного тока.Я решил проверить с помощью небольшого трансформатора для измерения сетевого напряжения переменного тока.

Я использовал эти трансформаторы 240В вход 6В выход. Я подал на входы сеть переменного тока 240 В, которая была измерена с помощью высоковольтного зонда. Я также измерил выходную мощность трансформатора. Это было не совсем то, на что я надеялся.

Используемый трансформатор указан выше. Это блок с номиналом 1,5 ВА. Я ожидал выходной сигнал 6 В переменного тока. 6 В — это среднеквадратичное значение выходного напряжения, поэтому я ожидал пик 6 x √2 = 8.485В.

Я измерил форму волны входного переменного напряжения, показанную синим цветом. Без нагрузки выходное напряжение отображается желтым цветом. Это выходное напряжение составляет +/- 6 В переменного тока, но видно, что оно немного не совпадает по фазе и немного искажено по сравнению с входным.

Это скриншоты моего цифрового осциллографа. Желтая линия (выход) не является идеальной версией синей линии (вход).

Это показывает более подробную информацию о напряжении с расширенным временным рядом.Мы можем видеть изменение фазы (переход через ноль не в том же месте) и сглаженную форму выходного сигнала.

На этой кривой показан крупный план пика, чтобы показать разницу между входной (синий) и выходной (желтый) сигналами. Это показывает сглаживание формы сигнала.

Чтобы сравнить эти результаты с другими методами, я установил изолированный усилитель i (более подробная информация ниже) для измерения формы волны переменного тока. Я использовал точно такие же измерительные приборы (бюджетный цифровой прицел RIGOL).Результаты можно увидеть на следующих графиках – входной сигнал переменного тока снова синий, а выходной сигнал желтый.

Входной (синий) и выходной (желтый) сигналы точно совпадают по фазе. Это не сглаживание формы волны. Форма выходного сигнала является идентичной версией входного сигнала, за исключением амплитуды.

Это показывает, что входной и выходной сигналы идентичны.

В завершение этих тестов, когда я впервые задумался о том, чтобы обеспечить изолированное выходное напряжение от сигнала сети переменного тока, моей первой мыслью было использовать трансформатор.Эти тесты показывают, что при измерении с трансформатором возникают проблемы с нелинейностью и изменением фазы. Следовательно, я не могу использовать трансформатор для точного измерения напряжения переменного тока.

Моя магнитная теория недостаточно хороша, чтобы точно объяснить, почему существуют эти различия. Это может быть связано с магнитным насыщением, паразитной емкостью и индуктивностью в катушках или проблемами с испытательным оборудованием. Я устал исключать проблемы с тестовыми измерениями путем сравнения на одном и том же тестовом оборудовании. Если у вас есть какие-либо идеи по этому поводу, пожалуйста, добавьте их в раздел комментариев.

Поэтому я искал другие методы измерения напряжения…

Измерение напряжения на эффекте Холла

Другой метод заключается в преобразовании напряжения в ток. Мы знаем, что V=IR, поэтому измерение тока через известное сопротивление даст нам напряжение. Этот ток можно измерить с помощью эффекта Холла.

Одна проблема заключается в том, что для получения приличного сигнала тока нам нужен относительно большой ток, что означает относительно большое рассеивание мощности.Это около 3 Вт, что для системы возобновляемой энергии является большой потерей энергии, если ее постоянно измерять.

Только несколько производителей и, следовательно, относительно высокая стоимость.

Одним из примеров измерения напряжения на эффекте Холла является преобразователь LV-25-P от LEM, который обеспечивает изоляцию 2500 В постоянного тока между входом и выходом.

Разделительный усилитель

Последней формой изоляции, рассматриваемой здесь, является изолирующий усилитель. Это особый тип интегральной схемы, который имеет две электрически изолированные стороны.Входное напряжение масштабируется в соответствии с развязывающим усилителем (максимум 2 В и 250 мВ в приведенных ниже случаях). Это входное напряжение передается с одной стороны разделительного усилителя на другую через оптическое соединение. Выходной оптический сигнал принимается на стороне выхода и преобразуется обратно в сигнал напряжения. Это выходное напряжение линейно пропорционально (нелинейность около 0,1%) входному напряжению, но электрически изолировано.

  • Точное и изолированное измерение напряжения
  • Очень низкая входная мощность
  • Требуется дополнительное изолированное напряжение питания (для входной стороны)
  • Относительно дорогие (некоторые очень дорогие).

Изолирующие усилители могут быть очень дорогими. Я искал разные устройства и пришел к следующему (хотя я уверен, что есть много других):

Для измерения постоянного тока я нашел устройство ACPL-C870 от Avago Technologies. Это стоит около 5,43 фунтов стерлингов + НДС с рупий. Для этого устройства требуется изолированный источник питания 5 В как для входного, так и для выходного каскадов. Вход находится в районе 0-2 В (с использованием делителя потенциала) и имеет единичное усиление, поэтому выход представляет собой изолированный выход 0-2 В.Он работает с постоянным напряжением, хотя входное напряжение не может опускаться ниже 0 В, поэтому его непросто использовать с входным напряжением переменного тока.

Для измерения переменного тока я использую AMC1200 от Texas Instruments. Его труднее найти, но он доступен в DigiKey по цене 4,84 фунта стерлингов + НДС. Его можно использовать для измерения сигналов переменного тока, поскольку входное напряжение может составлять + или – 250 мВ. Следовательно, входное переменное напряжение можно уменьшить до +/-250 мВ с помощью делителя потенциала. Внутри устройства есть усиление x8, а выходное напряжение составляет 2,55 В +/- (входной сигнал x 8).Это означает, что выходной сигнал может быть измерен с помощью АЦП постоянного тока с односторонним опорным сигналом.

Для обоих этих устройств требуется изолированный источник питания 5 В для входного каскада. Это может быть получено из тестируемой формы волны, как показано в таблицах данных, но я предпочел обеспечить и изолировать питание 5 В с помощью преобразователя DC/DC 5 В в 5 В с изоляцией> 1000 В. Теперь они относительно легко и дешево доступны. Я использовал MEE1S0505DC от Murata Technologies. Это стоит около 4 фунтов стерлингов + НДС от Farnell.Доступно множество других версий.

Осциллограммы при использовании AMC1200 можно увидеть выше в сравнении с измерением напряжения трансформатора.

Измерение формы сигнала

Как упоминалось в статье об измерении постоянного тока, есть два основных аспекта точного измерения переменного сигнала, независимо от того, что это за сигнал. Это частота дискретизации и разрешение:

Частота дискретизации

Частота дискретизации имеет большое значение, если мы хотим точно отслеживать форму сигнала.Например, если бы мы измеряли температуру только один раз в день, в 7:47, мы ничего не могли бы сказать об изменениях в течение дня. Однако если мы будем проводить измерения в один и тот же день в течение 100 лет, мы сможем что-то сказать об изменениях в течение года. Так что это зависит от того, какой тренд данных вас интересует.

Расчеты для этого были сделаны Гарри Найквистом, и, следовательно, у нас есть коэффициент Найквиста. В нем говорится, что для получения всей информации из формы сигнала мы должны производить выборку с частотой, по крайней мере, в два раза превышающей частоту сигнала.Например — мы хотим слушать музыку, которая имеет слышимые частоты до 20 кГц. Чтобы покрыть это, мы должны семплировать на частоте не менее 40 кГц. Те, кто записывал музыку на компьютер, знают, что используемая частота дискретизации обычно составляет 44 кГц. Меньше, и вы потеряете информацию.

Обычно напряжение можно измерить в любое время. Если бы мы измеряли напряжение в штепсельной розетке, мы смогли бы измерить 240 В переменного тока, но нулевой ток, если ничего не подключено. .Обычно мы наблюдаем небольшое падение напряжения (из-за падения напряжения на кабеле) при питании нагрузки.

Для некоторых основных электрических систем мы можем предположить, что напряжение постоянно, а затем просто измерить ток. Но это не дает очень хорошей точности. Напряжение будет варьироваться довольно значительно при изменении нагрузки. В типичной системе свинцово-кислотных аккумуляторов 12 В постоянного тока мы определенно увидим диапазон напряжений 11-14 В постоянного тока, возможно, больше. Следовательно, чтобы сделать точные измерения мощности, мы должны провести точные измерения напряжения.

Чтобы получить достоверную информацию о мощности, мы также должны провести измерение напряжения точно в то же время, что и измерение тока. Это особенно актуально для систем переменного тока, которые также имеют коэффициент мощности (что выходит за рамки данной статьи).

Разрешение

Это связано с тем, что мы преобразуем аналоговый сигнал в цифровой. (Иногда это называют квантованием). Цифровые сигналы могут быть включены или выключены. Аналоговые сигналы могут быть какими угодно и могут бесконечно варьироваться в пределах своего диапазона.Мы пытаемся передать эти различные аналоговые данные в наше цифровое устройство (микроконтроллер). Для этого мы используем концепцию уровней (также называемых квантами).

Допустим, у нас есть синусоидальный сигнал, меняющийся от 0 до 5 В. Допустим, у нас есть только однобитное разрешение. Цифровое представление может быть только включено или выключено. Если мы установим уровень на 2,5 В, то мы увидим, что цифровой сигнал будет 0, затем 1, затем 0, затем 1, поскольку форма сигнала будет выше и ниже 2,5 В. Вы можете видеть, что мы не получаем много деталей от сигнала.Этого может быть достаточно, чтобы делать то, что мы хотим, но обычно мы используем больше уровней. Чем больше уровней, тем выше разрешение и, следовательно, выше точность данных.

Добавление дополнительного бита к разрешению увеличивает разрешение в 2 раза. Следовательно, 1 бит = 2 уровня, 2 бита — 4 уровня, 3 бита = 8 уровней. Это быстро умножается, и при 8 битах у нас есть 256 уровней или при 10 битах у нас есть 1024 уровня. Типичный микроконтроллер (например, серия PIC 18 или микросхема Atmel в Arduino Uno) имеет 10-битную точность.Некоторые имеют 12, 14 или даже 16 бит. Если вы переходите к большему числу битов, это увеличивает нагрузку на микропроцессор, поэтому вы также можете использовать специальные аналого-цифровые микросхемы (АЦП), которые обрабатывают данные и отправляют их на микроконтроллер.

Обеспечение точности формы сигнала

При измерении тока мы обычно измеряем очень маленькие напряжения. Они могут быть искажены другими очень слабыми паразитными сигналами. Они могут быть разбиты на смещения и шум.

Хотя преобразование сигнала из аналогового в цифровой будет означать потерю информации, это также означает, что мы можем применять методы, гарантирующие, что сигнал не будет искажен шумом. Поэтому я стараюсь как можно быстрее перейти на цифру.

Шум

Шум повсюду. Это происходит из физики электрических устройств и из-за интерференции множества различных искусственных и естественных электрических и магнитных волн. Существует много информации о шуме и снижении уровня шума, хотя иногда это немного темное искусство.

Я пытаюсь свести шум к минимуму:

  • Пути прохождения сигнала должны быть как можно короче
  • Экранированный кабель или дополнительный металлический экран можно использовать вокруг частей цепи, подверженных шуму.
  • Уменьшите количество компонентов, через которые проходит сигнал, — это уменьшит вероятность возникновения помех

Это сложная область, поэтому я не буду вдаваться в подробности. Как правило, хорошая компоновка и схемотехника обеспечивают относительно низкий уровень шума.10 уровней = 1024 уровня. Каждый уровень равен 5 В/1024 = 0,00488 В или 4,88 мВ. Следовательно, любое смещение, превышающее 4,88 мВ, изменит сигнал настолько, что изменится число, считываемое микропроцессором. Основная причина, по которой это может быть проблемой, заключается в том, что сигнал проходит через операционный усилитель, а операционный усилитель имеет некоторое смещение или не может пройти весь путь до шины заземления. Вы можете проверить напряжение смещения, используя лист данных операционного усилителя. Например, напряжение смещения на стандартном операционном усилителе 741 составляет +/- 15 мВ, что может дать погрешность более 3 уровней. (Примечание: существует возможность обнуления смещения на многих операционных усилителях, но для этого требуется индивидуальная калибровка и дополнительные компоненты) . Я пытаюсь использовать единую шину питания для питания операционных усилителей со смещением менее 3 мВ.

Инструменты и основные схемы — Измерение Рика для заметок по мехатронике

Мы будем использовать закон Ома, чтобы понять некоторые очень простые резистивные цепи при проведении измерений. Нашими основными инструментами при сборке и тестировании этих схем будут мультиметр для измерения установившегося состояния и осциллограф для наблюдения за переходными процессами.Мы будем полагаться на небольшое знание переходных процессов RC-цепи и знакомство с напряжением (В), током (I), сопротивлением (R) и тем, как они связаны законом Ома:

(1)  

Чтобы скрепить наши схемы и выполнить электрические соединения, мы будем использовать макетные платы без пайки. В этом видео (5:32) от Adafruit показано, как они работают и немного о переходе на более надежные паяные схемы.

Ваш мультиметр является самым важным диагностическим инструментом, и он должен быть у каждого инженера.Дешевый, но полезный счетчик можно найти на eBay менее чем за 10 канадских долларов!

Вы увидите множество различных мультиметров с разными функциями и точностью, но все они имеют сходство. Мы сосредоточимся на трех функциях: постоянном напряжении, сопротивлении и непрерывности. Для наиболее точных результатов используйте лучший из доступных измерительных приборов и всегда используйте самую низкую шкалу, которая по-прежнему будет давать показания. (видео 4:38) 4-1/2-разрядные мультиметры с желтым или зеленым корпусом являются наиболее точными измерителями, имеющимися в лабораториях MECH 217, и могут рассматриваться как эталонные инструменты для вашей работы.


Вставьте черный вывод в общую клемму , обычно помеченную COM. Вставьте красный щуп  в терминал для типа измерения , которое вы хотите выполнить. Обычно шкалы сопротивления, напряжения и непрерывности используют одно и то же соединение. Хотя нет никакой электрической разницы между двумя проводами отведений, для этих цветов существует строгое соглашение, и вы можете запутать нас, если не будете следовать ему.

Измерение сопротивления

Для измерения сопротивления  выберите наименьший диапазон Ом, который все еще позволит вам измерить.Символ Омега обычно используется для обозначения измерения сопротивления, и на этой фотографии показан выбор диапазона 2 кОм или 2000 Ом. Мы будем использовать этот диапазон для измерения сопротивлений от 200 до 2000 Ом.

Прикоснитесь проводами к противоположным сторонам сопротивления, которое вы хотите измерить. Для измерения отдельных компонентов, таких как резисторы, их необходимо отсоединить от остальной цепи. В противном случае измеритель будет измерять суммарное сопротивление всех подключенных компонентов.

Измерение постоянного напряжения

Для измерения напряжения постоянного тока выберите наименьший диапазон напряжения постоянного тока, который все еще позволит вам измерять.V с линией и пунктирной линией обычно используется для обозначения напряжения постоянного тока (небольшая синусоида используется для переменного тока). На этой фотографии показан выбранный диапазон 20 вольт постоянного тока. Мы будем использовать этот диапазон для измерения напряжения постоянного тока от 2 до 20 вольт, включая напряжения в рабочем диапазоне цепей от 0 до 5 вольт с Arduino UNO.

Прикоснитесь к двум разным точкам цепи, чтобы измерить разницу напряжений между ними. Красный — положительный, и если вы поменяете местами отведения, вы увидите на дисплее знак «минус».Часто полезно подключить черный провод к земле (ноль вольт) и просто перемещать красный провод. Исключение составляют случаи, когда вам действительно нужна мера различий, например, на входе усилителя.

Проверка непрерывности

Для проверки непрерывности мы выбираем диапазон непрерывности, обычно отмеченный символом диода (стрелка с полосой на точке) или музыкальной нотой, чтобы указать, что он создает тон. Когда сопротивление между выводами очень мало, прибор издает звуковой сигнал и отображает на экране значение низкого сопротивления.Эта функция наиболее полезна для тестирования, когда две точки в цепи фактически соединены вместе, чтобы создать электрическое соединение. Это может помочь вам определить внутренние соединения в переключателях, таких как кнопки, и обнаружить плохие или отсутствующие соединения в ваших цепях.

Прикоснитесь к проводам к двум точкам, как при измерении сопротивления, и помните, что измеритель покажет непрерывность, если между двумя точками есть какое-либо соединение с низким сопротивлением.

Практические примеры, с которыми вы можете столкнуться

А.Мультиметр W. Sperry DM-8700, обеспечивающий эталонное качество измерения напряжения постоянного тока. Обязательно используйте наименьшую возможную шкалу, чтобы получить наилучшую точность в процентах от показаний полной шкалы. Для считывания напряжения обязательно подключите черный провод к COM, а красный провод к V, как показано ниже.

 

 

GW Instek GDM-356 Мультиметр, обеспечивающий довольно хорошую точность при постоянном напряжении и имеющий вход термопары для измерения температуры.

 

Multimeters 101 — еще одна пресс-книга eCampus Ontario Pressbook, в которой более подробно рассказывается о том, как пользоваться мультиметром.

С помощью осциллографа можно увидеть на экране временные ряды сигналов в режиме реального времени. Это действительно хорошо для наблюдения за тем, как все меняется, для диагностики проблем или для наблюдения за шумом того, что вы считали сигналом постоянного тока. (видео 7:41)

 

Мы используем осциллографы всякий раз, когда хотим увидеть изменения, которые слишком быстры, чтобы их можно было отследить на мультиметре, включая сигналы ШИМ, возникающие в результате функции AnalogWrite() Arduino, а также быстро меняющиеся электрические помехи в наших источниках питания и аналоговых датчиках. выходы.Обычно мы хотим выполнить следующие шаги:

  • Используйте меню канала, чтобы установить связь по переменному току, чтобы вы видели только изменяющуюся во времени часть сигнала.
  • Установите переключатель щупа в положение x1 на конце кабеля и настройте меню на использование щупа на x1.
  • Используйте кнопку измерения, чтобы выбрать среднее значение, среднеквадратичное значение и отображение размаха на экране.
  • Подсоедините зажим типа «крокодил» к земле, а наконечник пробника — к измеряемому сигналу.
  • Отрегулируйте напряжение по оси Y с помощью ручки вертикальной шкалы для канала и ручки положения.
  • Отрегулируйте время по оси X с помощью ручки горизонтальной шкалы.
  • При необходимости отрегулируйте триггер, чтобы изолировать интересующие функции. Убедитесь, что кнопка Run/Stop зеленого цвета.

Другие осциллографы могут иметь другие элементы управления, но все они имеют схожие функции, смоделированные по образцу интерфейса традиционных аналоговых осциллографов.

Светодиодные индикаторы

Светоизлучающие диоды (LEDS)

можно использовать последовательно с токоограничивающим резистором для обеспечения цифровой индикации напряжения.В 5-вольтовых цепях резистор номиналом 1 кОм ограничивает ток до максимального уровня менее 5 мВ, что обычно предотвращает повреждение светодиода. Выбирайте более тщательно, если вы хотите получить как можно больше света от своего светодиода, не поджаривая его. (видео 3:53)

 

Кнопки с подтягивающими или подтягивающими резисторами

Использование подтягивающего резистора гарантирует, что на контакте 7 будет 5 вольт, если только не будет нажата кнопка, притягивая напряжение к земле. Вы также можете сделать то же самое в обратном порядке, поменяв местами кнопку и резистор, чтобы подтянуть контакт 7 к земле.На некоторых микроконтроллерах вы можете использовать их внутренние подтягивающие резисторы и упростить схему. Чем выше сопротивление подтяжки, тем меньший ток будет течь, поэтому резистор 10 кОм в этом примере приведет к протеканию тока в полмиллиампера. (видео 4:58)

 

Многие датчики реагируют изменением сопротивления в ответ на изменение измеряемой величины. RTD и термисторы меняют сопротивление в зависимости от температуры, а тензодатчики изменяют сопротивление при деформации.

Делители напряжения

Два последовательно соединенных сопротивления разделить или разделить напряжение питания между собой пропорционально величине сопротивления. Закон Ома упрощает расчет промежуточного напряжения. Эти схемы позволяют измерять изменения сопротивления с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микроконтроллера, чувствительных к аналоговому напряжению. (видео 5:59)

 

Делители напряжения

позволяют получать сигнал напряжения в любом диапазоне между 0 вольт и напряжением питания, пропуская ток через резисторы последовательно.Напряжение можно разделить на 2 постоянных резистора (видео 3:41)

 

Регулируемый сигнал напряжения может быть создан с помощью потенциометра, имеющего делитель напряжения с двумя плавно регулируемыми резисторами. (видео 3:43)

 

 

 

 

 

Метод измерения высокого напряжения _ tech _ Matsusada Precision

Измерения напряжения проводятся для проверки исправности электрооборудования и проверки электрических цепей.При измерении напряжения подключите клемму вольтметра параллельно части, которую хотите измерить.

Если напряжение находится в диапазоне от 1 В до 10 В, например, «схема, используемая в школьных экспериментах» или «игрушки на батарейках», вы можете легко измерить его с помощью вольтметра или тестера. Однако, когда напряжение высокое или, наоборот, низкое, вы не можете измерить его, как обычно. В этом случае требуется специальное оборудование и методы.

При измерении высокого напряжения 1000 В и выше нельзя измерить его напрямую стандартным измерительным прибором.Высокое напряжение обладает такой большой энергией, что разрушает стандартные измерительные приборы. Существует также риск электрического разряда, и вы должны принять удар током, поэтому будьте осторожны.

Основная идея измерения высокого напряжения состоит в том, чтобы «подключить устройство с высоким значением сопротивления последовательно к внешней стороне измерительного прибора». Напряжение на ряду сопротивлений пропорционально величине каждого сопротивления в соответствии с законом Ома. Напряжение, подаваемое на вольтметр, будет распределяться, если последовательно соединить вольтметр и большой резистор.

Например, если отношение подключенного сопротивления к внутреннему сопротивлению измерительного прибора равно 9 : 1, напряжение, подаваемое на сопротивление и измерительный прибор, также будет 9 : 1. По сравнению с состоянием, когда резистор не подключен, напряжение, подаваемое на измерительный прибор, составляет 1/10. Этот метод называется разделением напряжения, и существуют следующие методы измерения высокого напряжения с использованием этого механизма.

Делитель напряжения (высоковольтный делитель)

Делитель напряжения имеет встроенную в корпус схему, входную клемму и измерительную клемму.Принципиальная схема делителя напряжения, также называемая делителем высокого напряжения, выглядит следующим образом. Он используется для измерения напряжения постоянного тока, но также возможно измерение напряжения переменного тока, если частота, поставляемая электроэнергетической компанией, составляет 50 Гц или 60 Гц.

Обратите внимание, что делитель напряжения может выделять тепло во время использования, поэтому необходимо позаботиться об изменении значения сопротивления из-за нагревания. Также при измерениях необходимо учитывать сопротивление делителя напряжения и входное сопротивление вольтметра.Поскольку он рассчитан на высокое напряжение, будьте осторожны, чтобы не протекала грязь или посторонние предметы, прилипшие к клеммам.

Схема настройки делителя напряжения

Множитель

Поскольку принцип работы умножителя такой же, как и у делителя напряжения, меры предосторожности при использовании такие же. Однако делитель напряжения может измерять переменное напряжение в некоторых диапазонах частот, а умножитель может измерять только постоянный ток.

Датчик высокого напряжения

Используйте пробник при измерении сигналов напряжения с помощью осциллографа.Существуют различные типы пробников для измерения напряжения, в том числе те, которые обеспечивают точное измерение высокочастотных сигналов, и те, которые уменьшают влияние на объект измерения. Среди них датчик, который поддерживает высокое напряжение, является датчиком высокого напряжения.

Высоковольтные датчики имеют различные измеряемые напряжения в зависимости от частоты. Поэтому обязательно проверяйте не только максимальное входное напряжение, но также частоту и напряжение, которое можно приложить.

При измерении высокого напряжения переменного тока также существует метод изменения напряжения с помощью наведенной электродвижущей силы катушки.

ТН (трансформатор напряжения)

VT (преобразователь напряжения) — это устройство, которое преобразует высокое напряжение цепи переменного тока в легко измеряемое напряжение. Раньше он назывался PT (Potential Transformer). Базовая структура ТН такая же, как и у трансформатора, как показано на рисунке ниже. Катушка на входе и катушка на выходе изменяют количество витков и наматываются на железный сердечник в форме пончика.В эту группу также входит контактный вольтметр для железных дорог. Обратите внимание, что ошибка имеет тенденцию быть большой в зависимости от комбинируемого вольтметра.

Соотношение между первичным напряжением/вторичным напряжением и количеством витков

Прибор для измерения статического электричества (электростатический полевой измеритель)

Статическое электричество является типичным примером электричества с высоким напряжением. Поскольку статическое электричество не может быть точно измерено при контакте с зондом и т. д., необходимо использовать бесконтактный измерительный прибор. Вольтметр для измерения статического электричества называется электростатическим вольтметром, и существуют такие типы, как поверхностные электрометры и измерители электростатического поля.

Это устройство, которое измеряет статическое электричество на поверхности путем перемещения указателя под действием силы, с которой два электрода притягиваются или отталкиваются от измеряемого объекта со статическим зарядом. Особенность в том, что он может быть измерен сам по себе без других измерительных приборов.

Цепи высокого напряжения могут вызвать разряд, даже если они не соприкасаются друг с другом, или привести к серьезной аварии в случае утечки тока. Меры безопасности, такие как надлежащее заземление, также необходимы при измерении высокого напряжения. Следуйте правильному использованию в соответствии со спецификациями устройства.

Вы не можете измерить даже напряжение 1 мВ или менее обычным измерительным прибором. В отличие от высокого напряжения, для измерения необходимо выполнить электрическое усиление.

Кроме того, при низких напряжениях исходное напряжение низкое, а волны небольшие, поэтому шум, который обычно не представляет проблемы, существенно повлияет на результаты измерения. Удаление шумов является важной проблемой при измерении низких напряжений.

Шум, влияющий на напряжение, включает внешний шум, такой как электромагнитные волны, генерируемые при включении и выключении окружающего электрооборудования, а также внутренний шум, генерируемый в измерительной цепи.

Способы устранения помех как при постоянном (DC), так и при переменном токе (AC) следующие.

В случае DC

В цепях, содержащих разные металлы, разные температуры в местах соединения создают электродвижущие силы. Это явление называется тепловой электродвижущей силой (ЭДС). Даже в цепях, измеряющих напряжение, в клеммах, разъемах, припое и т. д. используются различные типы металлов. Следовательно, если есть разница в температуре этих соединений, она будет генерировать термоэлектродвижущую силу.

Чтобы затруднить создание термо-ЭДС, не используйте проводники из различных материалов; если вы прикасаетесь к терминалу, подождите, пока терминал остынет, перед измерением, кондиционированием воздуха или регулировкой температуры окружающей среды.

В случае AC

При измерении переменного тока низкого напряжения следует помнить об электромагнитной индукции. В переменном токе направление тока постоянно меняется, поэтому вокруг подводящего провода возникает электромагнитная индукция. Рекомендуется уменьшить входное сопротивление измерительного прибора или использовать прибор с двумя скрученными проводами.

При измерениях низкого напряжения даже небольшие факторы, которые обычно не представляют проблемы, могут стать шумом и повлиять на измерение.Например, нельзя игнорировать влияние статического электричества. Если поблизости есть электрический заряд, например, одежда замерщика, это может вызвать шум.

Также необходимо экранировать среду измерения и подготовить среду, в которой маловероятно возникновение статического электричества. Обращайте внимание не только на измерительное оборудование и схемы, но и на окружающую среду.

Связанные технические статьи

Рекомендуемые продукты

Компания Matsusada Precision производит различное оборудование для источников питания, в том числе высоковольтные источники питания, с учетом требований безопасности.

Измерение напряжения переменного и постоянного тока

Вслед за теорией последует практический пример работы измерительных приборов Dewesoft. Напряжение сети общего пользования будет измеряться. Значение входного напряжения сети общего пользования необходимо учитывать, чтобы определить, какой тип входа усилителя необходим для измерения. Общедоступная сеть в Европе заявлена ​​со значением 230 VRMS, но для обеспечения безопасной работы измерительных приборов необходимо учитывать пиковые значения сети для входного диапазона.Пиковое значение сетки в Европе равно среднеквадратичному значению, умноженному на квадратный корень из 2, как показано в уравнении ниже.

\( 230V_{RMS}\cdot\sqrt{2}\приблизительно325V_{пиковое значение} \)

При пиковом значении 325 В мы можем напрямую использовать модуль Sirius HV-HS, который поддерживает напряжение до 1,6 кВ. Это означает, что мы можем выполнить простое измерение без каких-либо дополнительных делителей напряжения или усилителей и простого подключения, как показано ниже. Будет использоваться канал 4, в который встроен усилитель Sirius HV-HS.Остальные каналы можно оставить неактивными (неиспользуемыми в программном обеспечении), поскольку они не имеют отношения к данному измерению. Следующим шагом является настройка канала измерения в программном обеспечении, как показано ниже.

Изображение 17: Подключение однофазного напряжения к Sirius 4xHV 4xLV

 Окно настройки имеет две стороны: левая сторона — сторона усилителя, а правая сторона — сторона датчика.

Изображение 18: Экран настройки канала в Dewesoft X

На стороне усилителя мы можем переключаться между диапазонами 50 В и 1600 В.В этом примере будет использоваться диапазон 1600 В. Фильтр нижних частот также можно использовать для отсекания высоких частот, но при этом следует соблюдать осторожность. Если выбрана частота ниже половины частоты дискретизации, сигнал в диапазоне измерения будет обрезан, это может быть полезно в некоторых приложениях, но чаще всего эта конфигурация устанавливается по ошибке.

Настройка на стороне датчика заключается в выборе датчика, используемого для измерения. В этом случае напряжение измеряется напрямую без датчика, поэтому только физическая величина должна быть установлена ​​как Напряжение, а единица измерения — Вольт (В).В этой части настройки также можно установить коэффициент масштабирования, если для измерения используются датчики или делители. В этом случае оно будет иметь значение 1, так как напряжение измеряется напрямую, без масштабирования.

В этом примере настройки выполнены, чтобы можно было начать измерение. Нажав кнопку Измерить. Лучший способ наблюдать синусоидальную форму волны — с помощью осциллографа. При первом открытии прицела будет бегущая волна, которую невозможно проанализировать, это связано с тем, что ПО работает в свободном режиме, и измерение нужно как-то провести.Рекомендуется добавить триггер на триггер нормы и определить источник и уровень триггера. Для целей данного примера его можно оставить как есть, так как источником запуска является канал U1, а уровень равен 0.

Изображение 19: Экран измерения напряжения с помощью простого запуска

Режим DualCoreADC

много говорилось о правильном выборе диапазона измерения усилителя. Теперь пришло время взглянуть на впечатляющие возможности, предлагаемые двухъядерным режимом в усилителях Sirius.При использовании двухъядерного режима Sirius можно получить лучшее разрешение (меньше шума) при низких амплитудах. Это решается двумя 24-битными АЦП с разными диапазонами на каждом канале.

Первый АЦП имеет полный диапазон входного канала, а диапазон второго АЦП составляет всего 5% от полного диапазона канала. Эта технология одновременно измеряет сигнал с низким и высоким усилением, что означает, что сигнал может быть измерен с относительно высокой амплитудой, но в то же время он имеет идеальное разрешение при низких амплитудах того же сигнала.

Давайте посмотрим на разницу между двухъядерным режимом и обычным режимом при измерении низких сигналов с высоким диапазоном:

Изображение 20: Включение двухъядерного режима в Dewesoft X

два усилителя ACC будут измерены. На обоих усилителях будет выбран диапазон 10 В (что полный бред), но так проще всего увидеть разницу между включенным и выключенным двухъядерным режимом. Это можно переключить в настройках канала, где также можно установить диапазон.

На первом канале отключим режим Dual core, на втором включим режим Dual core. Это создаст изображение, как показано ниже, где можно увидеть разницу в уровнях шума. Графики, показанные ниже, настроены на такое же масштабирование.

Изображение 21: Разница в уровне шума при выключенном и включенном двухъядерном процессоре

По уровню шума нетрудно увидеть, где двухъядерный режим работает (справа), а где выключен (слева). При включенном двухъядерном режиме мы получаем такой же уровень шума в диапазоне измерения 10 В, как если бы мы использовали 0.диапазон 5 В. Это дает нам возможность лучше рассмотреть более низкие сигналы.

Что измеряют напряжения? | IOPSpark

Напряжение/разность потенциалов

Электричество и магнетизм

Что измеряют напряжения?

Учебное руководство за 11-14

Загадочное количество

Думая об обучении

Думая о напряжении либо с точки зрения величины толчка, либо с точки зрения второго фактора (а также тока), который устанавливает мощность, коммутируемую элементом в цепи (см. Рассказ о физике), вероятно, интуитивно понятны ученикам. на данном этапе обучения.Батареи большего напряжения обеспечивают больший толчок, что приводит к большему рассеиванию мощности в цепях, частью которых они являются.

Размышление об обучении

Почему важны измерения напряжения? Какую информацию они предоставляют? О чем говорят нам измерения напряжения, отличающиеся от измерений тока?

Это важные вопросы, которые необходимо решать при обучении. Короткий ответ на все из них состоит в том, что измерения напряжения дают энергетическую картину электрической цепи.В то время как измерения тока говорят нам о потоке заряда (кулон в секунду), измерения напряжения дают информацию о мощности, рассеиваемой этим зарядом (ватт на ампер) в различных частях цепи.

Мы считаем, что важно не заходить слишком далеко с детьми младшего возраста. Напряжение — сложная идея.

Мы думаем, что здесь может помочь использование веревочной петли. Это потому, что ученики могут разыгрывать то, что происходит в цепи с веревкой. Когда веревка проходит через их руки, их руки нагреваются, и это аккуратно моделирует перенос энергии в тепловой накопитель при работе с электричеством.Рассеиваемая мощность зависит от двух факторов: потока веревки (силы тока) и силы хвата (напряжения).

Чем крепче учащиеся хватаются за веревку, тем теплее становятся их руки на каждый метр веревки, проходящей через их руки. Напряжение является аналогичным сигналом, хотя и электрическим. Он действует так же, как твердость зрачковой хватки: чем больше напряжение, тем больше мощность на каждый ампер. (Точнее, сила трения, препятствующая течению веревки, является точным аналогом напряжения.)

Поскольку то, что учащиеся делают своими руками, позволяет им предсказать, куда в конце концов переместится энергия в петле веревки, мы называем это моделью обучения. Это модель, потому что она обладает предсказательной силой. Структура этой модели такая же, как и у модели электрической цепи, поэтому она является таким мощным эвристическим инструментом.

Различные трактовки истории напряжения/тока и энергии/мощности

Можно ввести понятие напряжения на разных уровнях сложности, которое можно использовать с учениками разного возраста и способностей.Вникать в идею во всех деталях, вероятно, лучше всего, думая о силе. Это подход, использованный в теме SPT: Электричество и энергия.

На феноменологическом уровне напряжение батареи задает мощность для каждого ампера. Чем больше батарея, тем ярче лампочки, потому что:

  • В каждой лампочке больше тока.
  • На каждой лампочке больше напряжения.

Накопление всей этой электрической работы заключается в том, что энергия перемещается в хранилища и из них.

Напряжение сравнивает изменение энергии в разных хранилищах, предсказывая или измеряя сравнительные количества энергии, перемещаемой разными частями цепи. Но, конечно, эти изменения со временем накапливаются — чем дольше работает цепь, тем больше изменение энергии. Мощность остается постоянной, пока схема работает.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.