20

1. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются: косвенный метод; метод непосредственной оценки и мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности. Наиболее универсальным из косвенных методов является метод амперметра-вольтметра. Метод амперметра-вольтметра. Основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений (рис. 1.9,а) и измерение малых сопротивлений (рис. 1.9,б). По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление. Для схемы рис. 1.9,а искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются

где Rx - измеряемое сопротивление; Rа - сопротивление амперметра. Для схемы рис. 1.9,6 искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются

где Rв -сопротивление вольтметра. Из определения относительных методических погрешностей следует, что измерение по схеме рис. 1.9,а обеспечивает меньшую погрешность при измерении больших сопротивлений, а измерение по схеме рис. 1.9,6 - при измерении малых сопротивлений. Погрешность измерения по данному методу рассчитывается по выражению

где г_в, г_a, - классы точности вольтметра и амперметра; U_п, I _п пределы измерения вольтметра и амперметра. Используемые при измерении приборы должны иметь класс точности не более 0,2. Вольтметр подключают непосредственно к измеряемому сопротивлению. Ток при измерении должен быть таким, чтобы показания отсчитывались по второй половине шкалы. В соответствии с этим выбирается и шунт, применяемый для возможности измерения тока прибором класса 0,2. Во избежание нагрева сопротивления и, соответственно, снижения точности измерений, ток в схеме измерения не должен превышать 20% номинального.

Рис. 1.9. Схема измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра-вольтметра.

Рекомендуется проводить 3 - 5 измерений при различных значениях тока. За результат, в данном случае, принимается среднее значение измеренных сопротивлений. При измерениях сопротивления в цепях, обладающих большой индуктивностью, вольтметр следует подключать после того как ток в цепи установится, а отключать до разрыва цепи тока. Это необходимо делать для того, чтобы исключить возможность повреждения вольтметра от ЭДС самоиндукции цепи измерения.

Метод непосредственной оценки. Предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Измерения омметром дают существенные неточности. По этой причине данный метод используют для приближенных предварительных измерений сопротивлений и для проверки цепей коммутации. На практике применяют омметры типа М57Д, М4125, Ф410 и др. Диапазон измеряемых сопротивлений данных приборов лежит в пределах от 0,1 Ом до 1000 кОм. Для измерения малых сопротивлений, например сопротивление паек якорных обмоток машин постоянного тока, применяют микроомметры типа М246. Это приборы логометрического типа с оптическим указателем, снабженные специальными самозачищающими щупами. Также для измерения малых сопротивлений, например, переходных сопротивлений контактов выключателей, нашли применение контактомеры. Контактомеры Мосэнерго имеют пределы измерения 0 - 50000 мкОм с погрешностью менее 1,5%. Контактомеры КМС-68, КМС-63 позволяют производить измерения в пределах 500-2500 мкОм с погрешностью менее 5%. Для измерения сопротивления обмоток силовых трансформаторов, генераторов с достаточно большой точностью применяют потенциометры постоянного тока типа ПП-63, КП-59. Данные приборы используют принцип компенсационного измерения, т. е. падение напряжения на измеряемом сопротивлении уравновешивается известным падением напряжения. Мостовой метод. Применяют две схемы измерения - схема одинарного моста и схема двойного моста. Соответствующие схемы измерения представлены на рис. 1.10. Для измерения сопротивлений в диапазоне от 1 Ом до 1 МОм применяют одинарные мосты постоянного тока типа ММВ, Р333, МО-62 и др. Погрешность измерений данными мостами достигает 15% (мост ММВ). В одинарных мостах результат измерения учитывает сопротивление соединительных проводов между мостом и измеряемым сопротивлением. Поэтому сопротивления меньше 1 Ом такими мостами измерить нельзя из-за существенной погрешности. Исключение составляет мост P333, с помощью которого можно производить измерение больших сопротивлений по двухзажимной схеме и малых сопротивлений (до 5 10 Ом) по четырехзажимной схеме. В последней почти исключается влияние сопротивления соединительных проводов, т. к. два из них входят в цепь гальванометра, а два других - в цепь сопротивления плеч моста, имеющих сравнительно большие сопротивления.

Рис. 1.10. Схемы измерительных мостов.

а - одинарного моста; б - двойного моста.

Плечи одинарных мостов выполняют из магазинов сопротивлений, а в ряде случаев (например, мост ММВ) плечи R2, R3 могут быть выполнены из калиброванной проволоки (реохорда), по которой перемещается движок, соединенный с гальванометром. Условие равновесия моста определяется выражением

Rх = R3*(R1/R2).

С помощью R1 устанавливают отношение R1/R2, обычно кратное 10, а с помощью R3 уравновешивают мост. В мостах с реохордом уравновешивания достигается плавным изменением отношения R3/R2 при фиксированных значениях R1. В двойных мостах сопротивления соединительных проводов при измерениях неучитываются, что представляет возможность измерять сопротивления до 10-6 Ом. На практике применяют одинарно-двойные мосты типа P329, P3009, МОД-61 и др. с диапазоном измерений от 10-8 Ом до 104 МОм с погрешностью измерения 0,01 - 2%. В этих мостах равновесие достигается изменением сопротивлений R1, R2, R3 и R4. При этом достигается равенства R1 = R3 и R2 = R4. Условие равновесия моста определяется выражением Rх= RN*(R1/R2). Здесь сопротивление RN - образцовое сопротивление, составная часть моста. К измеряемому сопротивлению Rх подсоединяют четыре провода: провод 2 - продолжение цепи питания моста, его сопротивление не отражается на точности измерений; провода 3 и 4 включены последовательно с сопротивлениями R1 и R2 величиной больше 10 Ом, так что их влияние ограничено; провод 1 является составной частью моста и его следует выбирать как можно короче и толще. При измерениях сопротивления в цепях, обладающих большой индуктивностью, во избежание ошибок и для предотвращения повреждений гальванометра необходимо производить измерения при установившемся токе, а отключение - до разрыва цепи тока. Измерение сопротивления постоянному току независимо от метода измерения производят при установившемся тепловом режиме, при котором температура окружающей среды отличается от температуры измеряемого объекта не более чем на ±3°С. Для перевода измеренного сопротивления к другой температуре (например, с целью сравнения, к 15°С) применяют формулы пересчета. На методе амперметра-вольтметра основаны измерения приборами СОНЭЛ. Измерение больших сопротивлений - это измерители сопротивления электроизоляции серии MIC , малых сопротивлений - это микроомметры MMR-600, MMR-610 и др.. Измерители MMR оснащены источниками стабилизированого тока, аналогово-цифровыми преобразователями, токовыми и потенциальными разъемами подключения, переключателем направления тока для исключения погрешностей измерения в случаях с термо-ЭДС, управление от микроконтроллера, цифровая индикация результатов, связь с компьютером. Погрешность измерения - 0,25 % с разрешением от 0,1 мкОм (MMR-610).

1.1 Мостик Уинстона

Вопрос: Что такое мостик Уинстона и каков принцип его действия?

Ответ: Мост Уинстона -- устройство измерения сопротивления методом сравнения измеряемой величины с образцовой мерой; выполнен по схеме мостовой цепи, в измерительную диагональ которой включен нуль- индикатор или измерительный прибор (обычно гальванометр). Измерение сопротивления с помощью мостика Уитсона, является компенсационным методом измерения.

Сопротивление резистора меняется до тех пор, пока гальванометр (См. рис. 1) не покажет строгий ноль. В этом случае напряжения в точках B и D выровняется, и ток через измерительный прибор станет равен 0. Следовательно

, , , .

Отсюда следует, что

Предложения в тексте с термином "Амперметр"

Аналоговые приборы классифицируют по ряду признаков: по точности (классам точности), назначению (амперметры, вольтметры и т.

Доливо-Добровольский разработал электромагнитные амперметры и вольтметры, изобрел и изготовил индукционный измерительный механизм с вращающимся магнитным полем и подвижной частью в виде диска и применил его в ваттметре и фазометре, а также предложил и сконструировал ферродинамические ваттметры.

Электромагнитные измерительные механизмы используются в настоящее время, в амперметрах, вольтметрах, в фазометрах и частотомерах.

Меняя зависимость ---^- от а, можно несколько улучшить шкалу, однако полностью равномерной для амперметров и вольтметров ее сделать не удается.

В настоящее время применяются электродинамические амперметры, вольтметры, ваттметры, а при исполнении измерительных механизмов в виде логометров -- фазометры, частотомеры и фарад-метры.

В комплект АСК входят: амперметры и вольтметры постоянного и переменного тока, частотомеры и приборы, работающие в комплекте с термометрами сопротивления или с термопарами и др.

Измерение постоянных токов и напряжений в подавляющем большинстве случаев производится посредством магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры.

Измерительные механизмы магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются.

В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно или при помощи шунта.

Амперметр без шунта применяется в том случае, если весь измеряемый ток можно пропустить через токоподводящие пружинки (или растяжки) и обмотку рамки измерительного механизма.

Наиболее неблагоприятным в отношении влияния температуры является амперметр с шунтом.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры выпускают переносными и щитовыми.

Знание свойств амперметров и вольтметров различных групп позволяет в зависимости от конкретных условий измерения правильно решить вопрос о выборе прибора.

Электромагнитные амперметры и вольтметры.

В амперметрах катушка измерительного механизма включается последовательно в цепь измеряемого тока.

На большие токи амперметры непосредственного включения обычно не делаются из-за сильного влияния на показания прибора магнитного поля токоподводящих проводов и значительного нагрева шины.

Щитовые амперметры выпускаются однопредельными; переносные -- в ряде случаев на несколько пределов, обычно не больше чем на четыре.

Расширение пределов измерения электромагнитных амперметров на переменном токе производится также при помощи измерительных трансформаторов тока.

Из дополнительных погрешностей электромагнитных амперметров отметим температурную, частотную и погрешность от гистерезиса.

Частотная погрешность у электромагнитных вольтметров больше, чем у амперметров.

Электродинамические амперметры и вольтметры.

У электродинамических амперметров для токов до 0,5 А неподвижные и подвижные катушки соединяются последовательно.

В амперметрах на токи свыше 0,5 А подвижная и неподвижные Катушки включаются параллельно.

38) видно, что рассуждения о характере шкалы для амперметра с последовательным включением катушек применимы и для амперметров с параллельным их включением.

Электродинамические амперметры выпускаются чаще всего на два предела измерения.

Имеются электродинамические амперметры со встроенным внутрь трансформатором тока.

В качестве примера можно указать амперметр типа Д553 на 9 пределов измерения -- от 0,1 до 50 А, экранированный, класса точности 0,2.

Основная область применения электродинамических амперметров и вольтметров -- точные измерения в цепях переменного тока, чаще всего в диапазоне частот от 45--50 Гц до нескольких сотен или тысяч герц.

Ферродинамические амперметры и вольтметры.

Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют в принципе такие же схемы включения неподвижных и подвижных катушек, как и соответствующие электродинамические приборы.

Так же как и у электродинамических приборов, угол отклонения подвижной части ферродинамических амперметров и вольтметров пропорционален соответственно квадрату измеряемого тока или напряжения.

Для амперметров квадратичная шкала является нежелательной.

Первые две погрешности для амперметров и вольтметров можно учесть при градуировке.

Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют в ряде случаев несколько пределов измерения.

Основная область применения ферродинамических амперметров и вольтметров -- измерение в цепях переменного тока частотой 50 Гц в условиях механических воздействий (тряска, вибрации, удары) при классе точности приборов 1,5--2,5.

Термоэлектрические приборы применяются главным образом в качестве высокочастотных амперметров.

Зависимость коэффициента выпрямления диодов от температуры, приложенного напряжения и частоты протекающего тока, а также влияние формы кривой измеряемого тока обусловливают значительные погрешности выпрямительных амперметров и вольтметров.

Сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма, схемы выпрямления с шунтами или добавочными резисторами образует выпрямительные амперметры или вольтметры.

Амперметры имеют шунты, которые необходимы для расширения пределов измерения и для компенсации погрешностей от изменения частоты и температуры.

Компенсация погрешности от изменения температуры и частоты у выпрямительных амперметров производится по тому же принципу, что и у вольтметров.

В схемах термоэлектрических амперметров и вольтметров в цепи рамки измерительного механизма предусмотрен подгоночный резистор, необходимый для регулировки значения выпрямленного тока в соответствии с чувствительностью выбранного механизма.

Расширение пределов термоэлектрических амперметров на токи до 1 А производится включением измерительного механизма с отдельными термопреобразователями на каждый предел измерения.

Частотная погрешность у термоэлектрических вольтметров обычно выше, чем у амперметров, из-за влияния изменения сопротивления добавочного резистора, который не может быть выполнен совершенно безреактивным.

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести малую перегрузочную способность и ограниченный срок службы термопреобразователей даже в нормальных условиях работы, зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды и значительное собственное потребление мощности (у амперметров на 5 А примерно 1 Вт, ток полного отклонения вольтметров колеблется от 10 до 50 мА).

Из выражения для мощности на постоянном токе Р = Ш видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом.

По роду измеряемой величины приборы делятся на амперметры-- для измерения тока; вольтметры -- для измерения напряжения; омметры -- для измерения сопротивления и т.

Для измерения угла сдвига фаз между током и напряжением, а также коэффициента мощности в однофазной цепи переменного тока можно воспользоваться косвенным методом и определить значения этих величин по показаниям амперметра, вольтметра и ваттметра.

Измерение сопротивлений способом вольтметра и амперметра Измерение сопротивлений вольтметром и амперметром

Измерение сопротивления амперметром и вольтметром основано на использовании закона Ома.

68, и установить в цепи измеряемого сопротивления требуемый условиями его работы ток, то, отсчитав одновременно показания вольтметра V и амперметра А, а затем разделив первое на второе, получим лишь приближенное значение измеряемого сопротивления

68, а погрешность получается за счет того, что амперметр учитывает не только ток /х, проходящий через резистор с измеряемым сопротивлением /?

68, б погрешность появляется из-за того, что вольтметр кроме напряжения на резисторе с измеряемым сопротивлением учитывает также значение падения напряжения на амперметре.

68, б вместо амперметра включить гальванометр, постоянная которого известна, то искомое сопротивление может быть вычислено по закону Ома.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы применяются в самопишущих вольтметрах и амперметрах, предназначенных для работы в цепях постоянного тока, а магнитоэлектрические логометры в сочетании с полупроводниковыми выпрямителями и другими элементами -- в частотомерах для записи частоты в цепях переменного тока.

Ферродинамические измерительные механизмы используются в самопишущих приборах для цепей переменного тока: в вольтметрах, амперметрах, ваттметрах и фабумажной ленты в зометрах.

При разных положениях переключателя по показанию амперметра А получим значения токов. Примером электроизмерительного прибора, имеющего структурную схему прямого преобразования, может быть амперметр для измерения больших постоянных токов.

Рабочий ток в потенциометрах переменного тока приходится устанавливать по приборам ограниченной точности, обычно по амперметрам в лучшем случае класса точности 0,05 или 0,1 либо, как это будет показано далее, по нормальному элементу с использованием промежуточного термопреобразователя.

Рабочая цепь А состоит из калиброванной проволоки а -- б, первичной обмотки wt «воздушного» трансформатора Трв (без стали), амперметра А и реостата R.

Как указывалось выше, рабочий ток потенциометра можно контролировать при помощи амперметров, которые могут обеспечить измерение тока с погрешностью 0,05--0,1%.

х с амперметром Аъ набора реостатов Rz с амперметром Л2, ключа S5, с помощью которого цепь реостатов Rz и амперметра А2 может быть замкнута накоротко, переключателя Blt служащего для изменения направления тока.

Цепь реостатов Rz и амперметр А2 необходимы лишь при определении точек гистерезисной петли.

Амперметр и частотомер включены для контроля тока и частоты.

Например, измерения силы тока амперметром, температуры -- термометром и т.

В качестве примера косвенных измерений можно указать на измерение мощности в цепях постоянного тока амперметром и вольтметром.

Амперметр выпрямительный 106 -- магнитоэлектрический 91 -- термоэлектрический 109 -- ферродинамический 100 -- электродинамический 98 -- электромагнитный 97

2. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Метод амперметра и вольтметра. В цепях постоянного тока измерение сопротивления можно производить по схемам, представленным на рис. 240. Зная падение напряжения на участке цепи и ток, протекающий по участку, можно вычислить сопротивление этого участка. В схеме на рис. 240, а через амперметр будет протекать сумма токов искомого сопротивления и вольтметра. Сопротивление может быть в этом случае найдено по формуле

где Iв и rв -- ток и сопротивление вольтметра.

По схеме на рис. 240, б вольтметр покажет падение напряжения в искомом сопротивлении и в обмотке амперметра

где Uа -- сопротивление обмотки амперметра.

Искомое сопротивление находится по формуле

где ra -- падение напряжения в обмотке амперметра

Первая схема (см. рис. 240, а) применяется для определения небольших сопротивлений, когда они значительно меньше сопротивления обмотки вольтметра. По второй схеме (см. рис. 240, б) определяется величина больших сопротивлений, так как при этом можно пренебречь сопротивлением обмотки амперметра rа.

При переменном токе по показаниям амперметра и вольтметра можно определить величину полного сопротивления г потребителя согласно формуле

Если тот же потребитель включить в цепь постоянного тока, то по показаниям амперметра и вольтметра можно определить активное сопротивление

если пренебречь влиянием поверхностного эффекта.

Активное сопротивление в цепи переменного тока можно найти и непосредственно по показаниям ваттметра и амперметра согласно формуле

По формуле

находим величину реактивного сопротивления потребителя.

Отметим, что только по показаниям амперметра, вольтметра и ваттметра знак х определить нельзя.

Четырехплечный мост сопротивлений.

На рис. 241 изображена схема моста сопротивлений. Батарея 1 через выключатель 2 подает напряжение на точки Л и С моста. В другую диагональ моста через ключ 3 включается гальванометр 4. Неизвестное сопротивление r_х включено между точками А и В. Подбирая сопротивление rа, rв и r, добиваются того, чтобы при замкнутом ключе 3 показание гальванометра было равно нулю. Нужно отметить, что мостовые, иначе говоря, нулевые методы измерений являются наиболее точными. В этом случае потенциал точки В равен потенциалу точки D. Следовательно,

Деля равенства почленно друг на друга, получим

Но так как Iа = Iв, а Ix = I r (через гальванометр ток не течет), то, сокращая, находим:

Откуда

В качестве сопротивлений rа, rв и r используют магазины сопротивлений.

На рис. 242 представлена другая схема моста сопротивлений. Между точками А и С натянута калиброванная проволока (реохорда), по которой скользит контакт D. Между точками С и В включен магазин сопротивлений, между точками А и В включается измеряемое сопротивление. Для определения r необходимо величину сопротивления r, установленного на магазине сопротивлений, умножить на отношение . Отношение сопротивления в этой схеме моста заменено отношением длин участков калиброванной проволоки, которое указывается на шкале моста.

При измерении сопротивления жидких проводников явление поляризации сильно

искажает результаты измерений. Поэтому, применяя мост сопротивления, питают его переменным током, получаемым от индукционной катушки, снабженной прерывателем и подключенной к источнику постоянного напряжения.

Четырехплечными мостами сопротивлений нельзя измерять малые сопротивления (меньше 1 ом), так как сопротивления соединительных проводов и контактов оказывают влияние на результат измерений.

Для измерения малых, сопротивлений (обмотки якорей машин постоянного тока, обмотки полюсов машин с последовательным возбуждением и т. п.) применяются так называемые двойные мосты.

Двойной мост. Схема двойного моста дана на рис. 243. Здесь rх -- искомое сопротивление; r_N -- известное образцовое сопротивление; r₁, r₂, r¹₁, r¹₂ -- магазины сопротивлений. Обычно берут r₁ = r₂ и r¹₁ = r¹₂. К точкам С и D подключен гальванометр. Включив рубильник в цепи батареи, подаем напряжение на точки А к В схемы. Путем подбора сопротивлений r₁, r₂, r¹₁, r¹₂ (сохраняя r₁ = r₂ и r¹₁ = r¹₂ ) добиваемся, чтобы стрелка гальванометра стала на нуль. В этом случае I₁ = I¹₁ и I₁ = I¹₂ .По второму закону Кирхгофа, имеем: для контура АСDA

или

для контура СВDС

Или

Разделив эти равенства почленно, получим

Принимая во внимание, что получим

откуда следует

Убедимся теперь, что переходные сопротивления в контактах и сопротивления соединительных проводов в этой схеме не оказывают влияния на точность измерения.

Ток от батареи, дойдя до точки А, разветвляется по двум ветвям и делится на две части: токи I и I₁. Токи I и I₁ встречают на своем пути сопротивления соединительных проводов, сопротивления переходных контактов, которые соединены последовательно с сопротивлениями магазинов r₁, r₂, r¹₁, r¹₂ и поэтому складываются с ними. Но так как сопротивления r₁, r₂, r¹₁, r¹₂ берутся не менее 10 ом, т. е. значительно больше сопротивлений соединительных проводов и переходных контактов, и, кроме

того, в формулусопротивления r¹₁ и r₁ входят в виде отношения, практически влияние сопротивлений соединительных проводов и переходных контактов равно нулю.

Для увеличения точности измерений провод, соединяющий сопротивления r_N и r_x, должен иметь очень малое сопротивление.