Основные типы амперметров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

амперметр прибор погрешность ток импульс

1. Постановка задачи

2. Список основных метрологических терминов

3. Техническое введение

4. Основные типы амперметров

5. Принцип действия

5.1 Магнитоэлектрические амперметры

5.2 Выпрямительные амперметры

5.3 Электромагнитные амперметры и описание чувствительного элемента

5.4 Цифровые амперметры постоянного тока

5.5 Цифровые амперметры переменного тока

6. Выбор прибора для проведения измерений

7. Принципиальная схема

8. Методика расчета параметров прибора

9. Схемы включения выбранного прибора и основные погрешности

10. Снятие измерений и расчет вариации показаний прибора

11. Измерение тока сигнала на различных частотах

12. Измерение тока импульсов различной длительности и частоты

13. Отклонение показаний прибора от расчетных данных

14. Расчет погрешности измерений

15. Статистическая обработка данных

Вывод

Список использованной литературы

1. Постановка задачи

В данной работе мы рассмотрим типы приборов для измерения постоянного и переменного тока и их основные принципы работы. Кратко опишем их чувствительные элементы. А так же продемонстрируем схемы и методику расчета их погрешностей.

2. Список основных метрологических терминов

Прежде чем рассматривать различные методы, обеспечивающие единство измерений, необходимо определить основные понятия и категории. Поэтому в метрологии очень важно правильно использовать термины, необходимо определить, что именно подразумевается под тем или иным названием.

Физическая величина. Под этим определением подразумевается свойство, общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Или, следуя Леонарду Эйлеру, «величиной называется все, что способно увеличиваться или уменьшаться, или то, к чему можно нечто прибавить или отчего можно отнять».

Вообще понятие «величина» многовидовое, т. е. относящееся не только к физическим величинам, являющимся объектами измерения. К величинам можно отнести количество денег, идей и т. п., т. к. к этим категориям применимо определение величины. По этой причине в стандартах (ГОСТ-3951-47 и ГОСТ-16263-70) приводится только понятие «физической величины», т. е. величины, характеризующей свойства физических объектов. В измерительной технике прилагательное «физическая» обычно опускается.

Единица физической величины - физическая величина, которой по определению придано значение, равное единице. Ссылаясь еще раз на Леонарда Эйлера: «Невозможно определить или измерить одну величину иначе, как приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав соотношение, в котором она находится к ней». Другими словами, для того чтобы охарактеризовать какую-либо физическую величину, нужно произвольно выбрать в качестве единицы измерения какую-либо другую величину того же рода.

Мера - носитель размера единицы физической величины, т. е. средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера. Типичными примерами мер являются гири, рулетки, линейки. В других видах измерений меры могут иметь вид призмы, вещества с известными свойствами и т. д. При рассмотрении отдельных видов измерения мы будем специально останавливаться на проблеме создания мер.

Измерение - познавательный процесс, заключающийся в сравнении данной величины с известной величиной, принятой за единицу. Измерения подразделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения - процесс, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Простейшие случаи прямых измерений - измерения длины линейкой, температуры - термометром, напряжения - вольтметром и т. п.

Косвенные измерения - вид измерения, результат которых определяют из прямых измерений, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Например, площадь можно измерить как произведение результатов двух линейных измерений координат, объем - как результат трех линейных измерений. Так же сопротивление электрической цепи или мощность электрической цепи можно измерить по значениям разности потенциалов и силы тока.

Совокупные измерения - это измерения, в которых результат находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Например, совокупными являются измерения, при которых массу отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

Совместными измерениями называют производимые прямые или косвенные измерения двух или нескольких неодноименных величин. Целью таких измерений является установление функциональной зависимости между величинами. Например, совместными будут измерения температуры, давления и объема, занимаемого газом, измерения длины тела в зависимости от температуры и т. д.

Средство измерения - техническое средство, используемое при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. В число средств измерений входят меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы и преобразователи, стандартные образцы состава и свойств различных веществ и материалов. По временным характеристикам измерения подразделяются на:

статические, при которых измеряемая величина остается неизменной во времени;

динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется. По способу выражения результатов измерения подразделяются на:

абсолютные, которые основаны на прямых или косвенных измерениях нескольких величин и на использовании констант и в результате которых получается абсолютное значение величины в соответствующих единицах;

относительные измерения, которые не позволяют непосредственно выразить результат в узаконенных единицах, но позволяют найти отношение результата измерения к какой-либо одноименной величине с неизвестным в ряде случаев значением. Например, это может быть относительная влажность, относительное давление, удлинение и т. д.

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерения, метод измерения, погрешность, точность, достоверность и правильность измерений.

Принцип измерений - физическое явление или их совокупность, положенные в основу измерений. Например, масса может быть измерена опираясь на гравитацию, а может быть измерена на основе инерционных свойств. Температура может быть измерена по тепловому излучению тела или по ее воздействию на объем какой-либо жидкости в термометре и т. д.

Метод измерений - совокупность принципов и средств измерений. В у помянутом выше примере с измерением температуры измерения по тепловому излучению относят к неконтактному методу термометрии, измерения термометром есть контактный метод термометрии.

Погрешность измерений - разность между полученным при измерении значением величины и ее истинным значением. Погрешность измерений связана с несовершенством методов и средств измерений, с недостаточным опытом наблюдателя, с посторонними влияниями на результат измерения. Подробно причины погрешностей и способы их устранения или минимизации рассмотрены в специальной главе, поскольку оценка и учет погрешностей измерений являются одним из самых важных разделов метрологии.

Точность измерений - характеристика измерения, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность выражается величиной, обратной модулю относительной погрешности, т. е.

(1.1)

где Q - истинное значение измеряемой величины, Д - погрешность измерения, равная

(1.2)

где Х - результат измерения. Если, например, относительная погрешность измерения равна 10-2%, то точность будет равна 104.

Правильность измерений - качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей, т. е. погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются в процессе измерения. Правильность измерений зависит от того, насколько верно (правильно) были выбраны методы и средства измерений.

Достоверность измерений - характеристика качества измерений, разделяющая все результаты на достоверные и недостоверные в зависимости оттого, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, могут служить источником дезинформации.

При выполнении различных работ по метрологическому обеспечению измерений используются специфические категории, которые тоже нуждаются в определении. Эти категории следующие:

Аттестация - проверка метрологических характеристик (погрешности измерений, точности, достоверности, правильности) реального средства измерения.

Сертификация - проверка соответствия средства измерения стандартам данной страны, данной отрасли с выдачей документа-сертификата соответствия. При сертификации кроме метрологических характеристик проверке подлежат все пункты, содержащиеся в научно-технической документации на данное средство измерения. Это могут быть требования по электробезопасности, по экологической безопасности, по влиянию изменений климатических параметров. Обязательным является наличие методов и средств поверки данного средства измерения.

Поверка - периодический контроль погрешностей показаний средств измерения по средствам измерения более высокого класса точности (образцовым приборам или образцовой мере). Как правило, поверка заканчивается выдачей свидетельства о поверке или клеймлением измерительного прибора или поверяемой меры.

Градуировка - нанесение отметок на шкалу прибора или получение зависимости показаний цифрового индикатора от значения измеряемой физической величины. Часто в технических измерениях под градуировкой понимают периодический контроль работоспособности прибора по мерам, не имеющим метрологического статуса или по встроенным в прибор специальным устройствам. Иногда такую процедуру называют калибровкой и это слово пишется на рабочей панели прибора.

Этот термин на самом деле в метрологии занят, и калибровкой согласно стандартам называют несколько иную процедуру.

Калибровка меры или набора мер - поверка совокупности однозначных мер или многозначной меры на различных отметках шкалы. Другими словами, калибровка - это поверка меры посредством совокупных измерений. Иногда термин «калибровка» употребляют как синоним поверки, однако калибровкой можно называть только такую поверку, при которой сравниваются несколько мер или деления шкалы между собой в различных сочетаниях.

3. Техническое введение

Амперметр -- прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений-- с шунтом или через трансформатор. (Примером амперметра с трансформатором являются «токовые клещи»)

Общая характеристика

Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол крена, пропорциональный величине измеряемого тока.

Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.

Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными -- силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.

4. Основные типы амперметров

магнитоэлектрические

электромагнитные

термоэлектрические

электродинамические

ферродинамические

выпрямительные

5. Принцип действия

Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.

Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействие между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах -- через трансформатор.

По конструкции апмерметры подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические, ферродинамические и выпрямительные.

Магнитоэлектрические амперметры (гальванометры, микроамперметры и миллиамперметры) служат для измерения токов малой величины в цепях постоянного тока. Они состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма и шкалы с нанесенными делениями, соответствующими различным значениям измеряемого тока. Для расширения пределов измерения параллельно прибору присоединяется шунт. Измеряемый ток Iи разветвляется на ток шунта Iш и ток измерительного прибора Iпр. Он равен

Iи = Iпр(rпр + rш/rш) = IпрK,

Где rпр - сопротивление прибора, Ом; rш - сопротивление шунта, Ом.

При выборе шунта необходимо учитывать мощность, рассеиваемую на нем при прохождении электрического тока. Неправильно рассчитанный шунт будет нагреваться, его сопротивление изменяться, и погрешность измерения силы тока расти. Шунт может помещаться как внутри амперметра (внутренний), так и вне его (наружный).

5.1 Магнитоэлектрические амперметры

Принцип действия магнитоэлектрического амперметра:

а - схема прибора; б - схема подключения шунта

Электромагнитные амперметры предназначены для измерения силы тока в цепях постоянного и переменного тока. Чаще всего используются для измерения силы тока в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Состоят из электромагнитного измерительного механизма, шкала которого проградуирована в единицах силы тока, протекающего по катушке прибора. Для изготовления катушки можно использовать провод большого сечения и, следовательно, измерять ток большой величины (свыше 200 А).

Термоэлектрические амперметры применяются в основном для измерения в цепях переменного тока высокой частоты (до 10(8) Гц). Они состоят из магнитоэлектрического прибора с контактным или бесконтактным термопреобразователем. Последний представляет собой проводник (нагреватель), к которому приварена термопара (она может находиться на некотором расстоянии от нагревателя и не иметь с ним непосредственного контакта). Измеряемый ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагрев (за счет активных потерь), который регистрируется термопарой. Возникающая термоэдс воздействует на рамку магнитоэлектрического измерителя тока, и последняя отклоняется на угол, пропорциональный силе тока в цепи.

Электродинамические амперметры служат для измерения силы тока в цепях постоянного и переменного токов промышленной и повышенной (до 200 Гц) частот. Приборы чувствительны к перегрузкам и внешним магнитным полям. Применяются в качестве образцовых приборов для поверки рабочих измерителей силы тока. Состоят из электродинамического измерительного механизма, катушки которого в зависимости от величины максимально измеряемого тока соединены последовательно или параллельно, и шкалы, на которой нанесены значения силы тока. При измерении токов малой силы (миллиамперметры) катушки соединяются последовательно, а большой - параллельно.

Ферродинамические амперметры обладают большим вращающим моментом, прочны и надежны по конструкции, малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей. Они состоят из ферродинамического измерительного механизма и применяются главным образом в системах автоматического контроля в качестве самопишущих амперметров.

Выпрямительные амперметры служат для измерения силы тока в цепях переменного тока (частота до 10(5) Гц). Они содержат магнитоэлектрический измеритель силы тока, присоединенный к выпрямительной схеме.

Одна параллельная ветвь с последовательно включенным магнитоэлектрическим измерителем и вентилем пропускает ток в одном направлении, т.е. через измеритель в течение каждого периода проходит одна полуволна переменного тока. Вторая параллельная ветвь с добавочным сопротивлением, включенным последовательно с вентилем, пропускает ток в обратном направлении. Средний (за период) вращающий момент и угол поворота подвижной рамки измерителя зависят от среднего значения силы тока и при синусоидальной его форме пропорциональны действующему значению этого тока.

5.2 Выпрямительные амперметры

Выпрямительные амперметры представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковым выпрямителем

Схема выпрямительного амперметра и кривая тока в измерительном механизме

В течение одного полупериода ток идет по пути а-б-г-в, в течение второго полупериода по пути в-б-г-а. следовательно, через измерительный механизм в течение каждого полупериода переменного тока проходит полуволна тока одного и того же направления. Средний вращающий момент и угол поворота подвижной части зависят от среднего тока. А этот последний при синусоидальном токе пропорционален действующему значению тока, значения которого и наносятся на шкале амперметра.

Расширение предела измеряемого тока достигается применением шунтов.

Электроизмерительные приборы, используемые для измерения силы электрического тока, называются амперметрами, миллиамперметрами и микроамперметрами. Они включаются непосредственно в ту электрическую цепь, ток в которой нужно измерить, для чего замкнутая электрическая цепь разрывается и в место разрыва включается измерительный прибор. Электрическая цепь оказывается замкнутой через измерительный прибор (рис. 1а).

Рис. 1

При этом к общему сопротивлению электрической цепи добавляется сопротивление измерительного прибора и ток, измеренный прибором, будет меньше истинного тока. Ошибка измерения тем меньше, чем меньше сопротивление измерительного прибора. Поэтому микроамперметры, миллиамперметры и амперметры конструируют таким образом, чтобы они имели возможно меньшие внутренние сопротивления.

Микроамперметром с током полного отклонения стрелки 100 мкА без какой-либо дополнительной доработки можно измерять электрический ток, не превышающий 100 мкА. При включении такого прибора в цепь с током, например 1 мА, произойдет «зашкаливание» стрелки вправо, в результате сильного броска она может согнуться, и если быстро не отключить прибор, в нем перегорит обмотка.

Но это еще не значит, что таким прибором нельзя измерить ток более 100 мкА. Для измерения токов, больших, чем ток полного отклонения стрелки прибора, надо к микроамперметру параллельно обмотке рамки подключить резистор называемый шунтом, сопротивление которого меньше сопротивления Ri обмотки (рис. 1б). Тогда большая часть полного тока I цепи будет протекать через этот резистор, а меньшая -- через измерительный прибор. Так, если требуется с помощью микроамперметра М24 с пределом измерения 100 мкА и внутренним сопротивлением Ri = 670 Ом измерить ток до 1 мА, необходимо, чтобы при токе в цепи 1 мА через измерительный прибор протекал ток 100 мкА = 0, 1 мА, а через шунт -- 0, 9 мА, т. е. в 9 раз больший. В связи с этим сопротивление шунта Rш должно быть в 9 раз меньше внутреннего сопротивления прибора Ri (Ом), т. е. Rш = Ri/9 = 670:9? 74, 5.

В общем случае, чтобы рассчитать сопротивление шунта, необходимого для увеличения предела измерения тока в n раз, можно использовать формулу:

Rш = Ri/ (n- 1).

В соответствии с этой формулой для измерения нашим микроамперметром тока силой до 10 мА (n = 10:0, 1 = 100) сопротивление шунта должно составлять 6, 7 Ом, так как 670:(100-- 1)?6, 7.

Из приведенных примеров видно, что чем больший ток необходимо измерить, тем меньше должно быть сопротивление шунта. Подобрать такие шунты из готовых резисторов очень трудно, поэтому их обычно изготавливают из высокоомной проволоки -- константановой, никелиновой или манганиновой, наматывая ее на изоляционные каркасы. В качестве каркасов для шунтов можно использовать обычные нерегулируемые резисторы.

На электрических схемах микроамперметры, миллиамперметры и амперметры обозначают окружностью с единицей измерения силы тока (мА, mА или А) внутри. Рядом с окружностью пишется код этих приборов -- латинские буквы РА, после которых ставится число, обозначающее порядковый номер прибора, например, РА1, РА2 и т. д.

5.3 Электромагнитные амперметры и описание чувствительного элемента

Наибольший номинальный ток, на который изготовляются магнитоэлектрические измерительные приборы не превышает 100 мА. Таким образом, магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов (гальванометры, микроамперметры, миллиамперметры) представляют собой измерительный механизм, катушка которого присоединена к зажимам прибора, расположенным на его корпусе, а на шкалах непосредственно наносятся значения измеряемого тока.

Магнитоэлектрический амперметр представляет собой измерительный механизм той же системы с шунтом для расширения предела измерения тока. Шунт присоединяется параллельно измерительному механизму (рис. 2).

Рис. 2. Измерительный механизм с шунтом

Измеряемый ток в узле а делится на две части: ток шунта Iш и ток измерительного механизма Iи. Падение напряжения на разветвлении аб (рис. 1)

откуда

При постоянных значениях сопротивления шунта rш и сопротивлении измерителя rи между измеряемым током I и током измерительного механизма Iи будет постоянное отношение p. Следовательно, по углу поворота подвижной части измерительного механизма можно определять измеряемый ток. Шунты должны иметь достаточное сечение, исключающее возможность их нагревания и связанных с этим погрешностей. Шунты на токи до 25-50 А обычно помещаются в кожухе прибора, а на большие токи - вне прибора, отдельно от него.

Технические амперметры имеют однопредельные шунты, а образцовые и лабораторные - многопредельные (рис. 3).

Рис. 3. Амперметр с многопредельным шунтом

Различные пределы измерения получаются изменением сопротивления шунта при перестановке штепселя из одного гнезда в другое.

Магнитоэлектрический вольтметр представляет собой измерительный механизм той же системы с добавочным сопротивлением для расширения предела измерения напряжения (рис. 4).



Рис. 4. Измерительный механизм с добавочным сопротивлением

На шкале вольтметра наносятся деления, дающие значения напряжения на его зажимах: U=I(rи+rд), которое больше напряжения на измерительном механизме Uи=Irи в p=rи+rд /rи раз.

Технические вольтметры имеют однопредельное, а образцовые и лабораторные - многопредельные добавочные сопротивления (рис. 5).

Рис. 5. Вольтметр с многопредельным добавочным сопротивлением

Различные номинальные напряжения получаются использованием различных добавочных сопротивлений, что достигается переносом одного из проводов с одного зажима вольтметра на другой, или переключением переключателя или штепселя.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры изготовляются как образцовые и лабораторные (класс точности 0,1-0,5), так и технические (класс 1-2,5).

Они обладают высокой чувствительностью, малым влиянием внешних магнитных полей, незначительным влиянием температуры, малой мощность потерь, чувствительностью к перегрузкам.

Описание чувствительного элемента электромагнитных амперметров

Приборы электромагнитной системы основаны на взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. Узел для создания вращающего момента состоит из катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.

Энергия, которая запасена в катушке

Wем = L • I 2 / 2

Индуктивность катушки при движении сердечника меняется.

Отклонение указателя пропорционально квадрату измеряемого тока, то есть шкала нелинейная и прибор пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратичному (действующему) значению переменного тока.

Достоинства электромагнитных приборов - простота конструкции и надежность. Недостатки электромагнитных приборов: малая чувствительность; значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы (в начале сжата, в конце растянута); значительная погрешность; влияние многих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока.

Значительная погрешность объясняется наличием ферромагнитного сердечника, в котором нелинейное намагничивания и магнитный гистерезис, а также возникают вихревые токи. Гистерезис приводит к вариации показаний, то есть к различным показаний при подходе к точке отсчета со стороны меньших или больших значений. Под влиянием изменения температуры изменяются сопротивление обмотки катушки и ее геометрические размеры. Полное сопротивление катушки переменному току зависит от частоты, поэтому градуировка электромагнитного прибора действительна для определенной частоты или в узком диапазоне частот.

Магнитное поле катушки очень слабое, поэтому внешнее магнитное поле значительно влияет на показания. Для защиты от внешнего магнитного поля используют два пути - экранирование и астазування. Экранирование Магнитомягкие железом уменьшает влияние внешнего магнитного поля, но приборы тяготятся; неизбежны отверстия для проводов, подводящих и щели возле шкал ослабляют экранирования.Чаще используют астазування, основанное на взаимодействии внешнего и внутреннего магнитных полей, что приводит к нулевому суммарного эффекта.

Астатический прибор состоит из двух одинаковых узлов, создающих вращающий момент, катушки которых соединены так, что их магнитные поля противоположных.

Внешний магнитный поток Ф состоит из потоком Ф1 первого катушки и вычитается из потока Ф2 второй катушки. В результате суммарный крутящий эффект остается неизменным.

Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянный и переменный токи промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5.Есть приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц.

Амперметры электромагнитной системы. Катушку амперметра изготовляют из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5 А. Число, витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе. Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 100 мА до 500 А. Измерительные трансформаторы тока применяют для расширения пределов измерения переменного тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы на 400 и 1000 Гц.

Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков (часто - один проводник) и включается в разрыв цепи И1 последовательно. Вторичная - с амперметром А на 5А (иногда на 1А). Значение измеряемого тока (тока в первичной обмотке) I1 = n • IA определяется по показанию амперметра путем умножения показания на коэффициент трансформации

n = w2 / w1,

где w2, w1 - число витков вторичной и первичной обмоток соответственно.

Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до 15 кА. При больших значениях тока первичная обмотка представляет собой прямолинейный проводник, шину или стержень, которые проходят через окно магнито провода.

Опоры амперметров малы, поэтому нормальным режимом работы трансформатора тока является режим, близкий к режиму короткого замыкания.

Вольтметры электромагнитной системы. Катушку вольтметра изготавливают из большого числа витков тонкой медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значений тока. Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В., а с дополнительными опорами - на 450, 600 и 750 В; класс точности 1,5.

Измерительные трансформаторы напряжения применяют для измерения более высоких напряжений, вплоть до 15 кВ. Они различаются классом точности (0,1 и 0,2) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц.

Первичная обмотка трансформатора напряжения, рисунок 9, включается параллельно измеряемой цепи. К зажимам вторичной обмотки подключается вольтметр. Значение измеряемого напряжения (напряжения в первичной обмотке) определяется показанием вольтметра, умноженным на число, обратное коэффициента трансформации.

Трансформаторы напряжения рассчитываются для работы с первичной напряжением от 380 до 500 000 В, поэтому число витков первичной обмотки велико. Вторичная обмотка нагружена на вольтметр с большим сопротивлением, поэтому нормальным режимом работы трансформатора напряжения является режим, близкий к режиму холостого хода.Трансформаторы, первичная обмотка которых предназначена для работы с напряжением 3 кВ и выше, обеспечиваются высоковольтными изоляторами, содержащиеся в кожухи, заполненные трансформаторной елеем. Масса их достигает сотен килограммов. Измерительные трансформаторы на более высокие напряжения разрабатываются и изготавливаются индивидуально и представляют собой сложные электротехнические сооружения.

Шунт - масштабный измерительный преобразователь, предназначенный для изменения значения измеряемой величины в заданное число раз.

Шунты изготавливаются из манганин. На небольшие токи (до 30 А) шунты обычно помещаются в корпусе прибора (внутренние шунты), на большие токи (до 7500 А) применяются внешние шунты.

Внешние шунты имеют две пары зажимов: токовые и потенциальные. Токовые зажимы служат для включения шунта в цепь с измеряемым параметрам; к потенциальным зажимов, сопротивление между которыми равен Rш, подключают измерительный механизм прибора.

Если необходимо иметь ток IP в измерительном механизме меньшим в n раз измеряемого тока I, то сопротивление шунта Rp.

Внешние (взаимозаменяемые) шунты разделяют на классы точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Шунты применяют главным образом в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическим измерительными механизмами.

Применение шунтов с электромагнитными, электродинамическими, феродинамичнимы и индукционными измерительными механизмами нерационально из-за сравнительно большое потребление мощности этими механизмами, что приводит к существенному увеличению размеров шунтов и потребляемой мощности. Кроме того, при включении шунтов с измерительными механизмами на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, поскольку с изменением частоты сопротивление шунта и измерительного механизма меняться неодинаково.

Делители напряжения. Для расширения пределов измерения измерительных механизмов по напряжению (вольтметров) применяют дополнительные резисторы, которые включают последовательно с измерительным механизмом; они образуют делители напряжения. Если напряжение постоянного тока, необходимая, для полного отклонения подвижной части измерительного механизма равна UP, а измеряемое напряжение

U = m * UP,

тот дополнительное сопротивление

Rд = RP * (n-1),

где RP - сопротивление измерительного механизма.

Дополнительные резисторы делаются из манганинового проволоки. Они бывают щитовыми и переносными, калиброванными и ограниченно взаимозаменяемыми, т.е. такими, которые предназначены для приборов типа, имеющие одинаковые электрические параметры. Дополнительные резисторы применяются для напряжений до 30 кВ постоянного и переменного тока частот от 10 Гц до 20 кГц.

По точности дополнительные резисторы разделяют на классы 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0.

5.4 Цифровые амперметры постоянного тока

Амперметр предназначен для индикации постоянного тока в диапазоне от 0 до +10А.

В зависимости от входного делителя и прошивки микроконтроллера диапазоны измерений могут быть 0..+1000А, 0..+100А.

Применяется для установки в источники питания, стенды, приборные стойки и др.

Основные характеристики:

1. Напряжение питания - 8..16В

2. Потребляемый ток <50 мА

3. Нпряжение, снимаемое с шунта - 75...100 мВ

4. Дискретность отсчета - 0,01А

5. Погрешность в середине диапазона около 1%

6. Погрешность по краям диапазона около 3%

7. Диапазон рабочих температур -10..+50С

8. Входной ток - постоянный положительной полярности

Показания амперметра можно откорректировать при помощи подстроечного резистора R*



Принципиальная схема цифрового амперметра постоянного тока

5.5 Цифровые амперметры переменного тока

В предлагаемом измерителе тока отсутствуют проблемы гальванической развязки измерительной части от сети, т. к. датчиком служит трансформатор тока, в качестве которого может быть использован практически любой сетевой трансформатор мощностью от единиц до 10 - 15 Вт. Первичная обмотка - пропущенный через отверстие трансформатора хорошо изолированный один из сетевых проводов или несколько витков изолированного провода, включенного в разрыв измерительной цепи, вторичная - любая его вторичная обмотка. Прибор имеет линейную шкалу, обладает высокой чувствительностью и достаточно широким динамическим диапазоном.

Предел измерения тока - 500 мА, но его несложно изменить для измерений от сотен миллиампер до десятков ампер.

Особенность схемы измерителя - использование широко распространенного операционного усилителя LM358, способного работать при синфазном входном напряжении равном отрицательному напряжению питания и даже чуть ниже его. Выходное напряжение при малых токах нагрузки также практически равно отрицательному напряжению питания. ОУ питается от однополярного источника напряжением 5 В. Неинвертирующий вход относительно общего провода имеет нулевое смещение, поэтому ОУ усиливает только положительные полуволны входного сигнала, нагрузкой которого является резистор R1. Коэффициент усиления определяется отношением сопротивлений R4 к R3 (K=1+R4/R3), при указанных значениях около 5. Сумма сопротивлений R5 и R6 определяет ток через микроамперметр PA1, а значит и градуировку его шкалы. Диод VD1 служит для защиты микроамперметра от значительных перегрузок.

Резистор нагрузки R1 подбирается таким, чтобы при максимальном измеряемом токе на активной нагрузке, падение напряжения на нем было примерно таким, как на осциллограмме:

В зависимости от значения измеряемого тока и коэффициента трансформации TV1, его сопротивление может быть от десятых долей до сотен Ом. Коэффициент трансформации определяется отношением количества витков первичной обмотки к количеству витков используемой вторичной обмотки. Зная их можно ориентировочно определить значение сопротивления R1:

R1=N1/N2*Imax*Umax,

где N1 и N2 - количество витков соответственно первичной и вторичной обмотки трансформатора, Imax-среднее значение максимального измеряемого тока, Umax - среднее значение напряжения на R1 при данном значении тока - для данной схемы принято 0,15 В.

Входной сигнал указанного уровня является оптимальным для данной схемы. На входное напряжение накладывается (прибавляется или вычитается) напряжение смещения ОУ, что может вносить заметную погрешность при измеряемых значениях, соответствующих началу шкалы PA1. Для данного ОУ типовое напряжение смещения составляет несколько мВ. Учтен также импульсный характер потребляемого от сети тока большинством современной аппаратуры. Поэтому максимально возможная амплитуда выходного сигнала ОУ выбрана с 3-4-хкратным запасом. По этой же причине, действительное значение тока, используемое для определения потребляемой мощности, может заметно отличаться от измеренного (занижение показаний на 15-25%).

Допустимое паспортное значение входного сигнала LM358 должно быть не более, чем на 0,3 В ниже отрицательного напряжения питания. Реально, при разнице от 0,5 В и выше ОУ перестает нормально функционировать - появляется искаженный сигнал на выходе. Диод Шоттки VD1 служит для ограничения отрицательных полуволн входного сигнала на допустимом уровне.

Микросхема LM358 содержит 2 ОУ, в схеме используется один из них. Конденсатор C1 - керамический, емкость не критична, диод VD1 можно заменить на 1N5818 или подобный, VD2 - кремниевый импульсный. Печатная плата рассчитана на установку чип резисторов типоразмера 1206, но возможно применение и обычных. В качестве измерительного прибора можно использовать микроамперметр с подходящей шкалой и током полного отклонения стрелки до 1 мА.

Программно-управляемый источник переменного напряжения и тока ПИНТ-С500.

Назначение

Источник предназначен для работы в составе измерительного комплекса и обеспечения измерительной аппаратуры переменным напряжением и током необходимого уровня, задаваемого с высокой точностью.

Характеристики

1. Источник функционирует в следующих режимах:
генерации стабилизированного переменного тока;
генерации стабилизированного переменного напряжения;
ручного задания и контроля выходных параметров;
дистанционного задания и контроля выходных параметров.
2. Конструктивные параметры
Корпус источника имеет исполнение для 19” шкафа, высота 2U
Диапазон рабочих температур, °С	0...+40
Габаритные размеры, мм	383 х 213 х 84
Масса, не более, кг	6
Связь источника с компьютером осуществляется кабелем длиной, м	1,5
Интерфейс RS232C (на один канал возможно подключение до 8 источников)
Охлаждение	встроенный вентилятор
3. Электричекие параметры
Входное напряжение	~198...242В, 50Гц
4. Параметры выходного переменного тока
Диапазон регулировки выходного тока (при выходном напряжении 40...340В), мА	20...1500
Дискретность установки выходного тока, мА	2
Суммарная нестабильность выходного тока:
в диапазоне 0,01...20мА, мА	±0,05
в диапазоне 20...150мА, %	±0,25
5. Параметры выходного переменного напряжения
Диапазон регулировки выходного напряжения, В	40...340
Дискретность установки выходного напряжения, В	1
Суммарная нестабильность выходного напряжения:
в диапазоне 40...100В, В	±2
в диапазоне 100...340В, %	±1,5
Диапазон изменения частоты выходного напряжения (тока), Гц	10...300кГц
Дискретность установки частоты, Гц	1
6. Надежность
Режим работы	круглосуточный
Срок службы, ч	100 000

Выбранный источник прекрасно подходит для наших измерений так как позволяет подать на амперметр постоянный и переменный ток с очень высокой точностью. Так же, при включении дополнительного каскада существует возможность формирования токовых импульсов разной длительности и частоты, что позволит нам лучше исследовать выбранный для измерения тока прибор.

6. Выбор прибора для проведения измерений

Для нашей работы выберем Электромагнитный амперметр с перекидным переключателем М-900 - прибор для измерения силы тока, протекающего по участку цепи. Для уменьшения искажающего влияния на электрическую цепь должен обладать малым входным сопротивлением. Имеет чувствительный элемент, называемый гальванометром. Для уменьшения сопротивления амперметра параллельно его чувствительному элементу включают шунтирующее сопротивление (шунт).

Технические характеристики

Механизм: Механизм с подвижным сердечником, с наполненными маслом подшипниками пружинного типа, с практически безвибрационным масляным демпфированием.

Класс точности: 3

Длительная перегрузка: 1.2 - сложенный ток.

Длина шкалы: 10мА - тип96AS10 мм

Частотный диапазон: 15 ... 50 ... 100 Гц.

Корпус прибора: Изготовлен из огнестойкого пластика согл. UL 94-V1

Вес: макс. 0.4 кг для типа 72AS макс. 0.5 кг для типа 96AS

Крепежные элементы: пластмассовые зажимы

7. Принципиальная схема

Измерение тока с помощью выбранного амперметра

Цель работы - ознакомление с принципом действия и устройства прибора для измерения тока, исследование его основных метрологических характеристик и приобретение практических навыков работы с измерительным прибором.

8. Методика расчета параметров прибора

Измерение тока. Приборы, предназначенные для измерения тока, получили название амперметров. Прибор может служить как для измерения тока, так и для измерения напряжения. При этом отличаются способы его включения в электрическую цепь и значения сопротивления измерительной цепи прибора. Амперметр включают в цепь таким образом, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, т. е. последовательно. Сопротивление амперметра должно быть малым, чтобы в нем не происходило заметного падения напряжения. Для измерения постоянного тока используют преимущественно амперметры магнитоэлектрической системы и реже приборы электромагнитной системы, а для измерения переменного тока частотой 50 Гц в основном применяют амперметры электромагнитной системы. Непосредственное включение амперметра в цепь измеряемого тока не всегда возможно, так как в некоторых случаях измеряемый ток во много раз превосходит необходимый для полного отклонения подвижной системы прибора. В этих случаях при измерении постоянного тока параллельно амперметру включают шунт, через который проходит большая часть измеряемого тока.

Согласно первому закону Кирхгофа, максимальное значение измеряемого амперметром тока при наличии шунта

где Imax - максимальное значение тока в цепи; IAн - номинальное (предельное) значение тока амперметра в отсутствие шунта; Iш - ток, проходящий через шунт. Так как амперметр и шунт включены параллельно, то токи между шунтом и амперметром распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям:



откуда находим сопротивления шунта:

(10.1)

где rA - внутреннее сопротивление амперметра; n = Imax/IAн - коэффициент, показывающий, во сколько раз расширяются пределы измерения.

Так как то ток в цепи при заданной нагрузке

(10.2)

где IA - показание амперметра. Если шкалу амперметра отградуировать с учетом шунта, то можно определять значение измеряемого тока I непосредственно по показаниям прибора.

При измерении переменных токов шунты не применяют. Это объясняется тем, что распределение токов между шунтом и амперметром определяется не только их активным сопротивлением, но и реактивным сопротивлением прибора, которое зависит от частоты. Поэтому для расширения пределов измерения амперметров в цепях переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

9. Схемы включения выбранного прибора и основные погрешности

При измерении тока используют прямые и косвенные способы. Прямые измерения основаны на сравнении измеряемой величина с мерой этой величины или на непосредственной оценке измеряемой величины по отчетному устройству измерительного прибора. Косвенные измерения основаны на прямых измерениях другой величины, функционально связанной с измеряемой величиной. Например, косвенное измерение тока выполняют при помощи вольтметра, измеряющего напряжение на известном сопротивлении R0, и расчете тока по формуле

Погрешность косвенного метода измерения зависит от погрешности прямого измерения и погрешности расчета по функциональной зависимости (23). Сопротивление, используемое при косвенном измерении тока, называют шунтом. Дополнительная погрешность при косвенных измерениях обусловлена перераспределением тока между шунтом и вольтметром при изменении температуры окружающей среды. Для снижения температурной погрешности применяют специальные схемы компенсации

Расчет погрешности измерений выполняют по формулам:

Абсолютная погрешность

I=Iпов-Iср,

Относительная погрешность

=(I/ Iпов)*100%,

Приведенная погрешность

п=(I/ Iном) *100%,

где Iном=10мА - номинальное значение тока.

Вариацию показаний амперметра определяют по формулам:

Абсолютное значение вариации

I=I'обр-I''обр,

Приведенное значение вариации

в=(Iобр/ Iном)*100%,

10. Снятие измерений и расчет вариации показаний прибора

Таблица 1

Показания поверяемого прибора, (мА)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Показание образцового прибора, (мA)	0,05	1,25	2,33	3,4	4,4	5,35	6,33	7,36	8,35	9,3	10,3
	0,02	1,2	2,28	3,3	4,32	5,34	6,34	7,3	8,32	9,26	10,3
Среднее значение, (мA)	0,04	1,22	2,3	6,65	4,36	5,34	6,33	7,33	8,33	9,28	10,3
Абсолютная погрешность, (мA)	0,05	0,25	0,33	0,4	0,4	0,35	0,33	0,36	0,35	0,33	0,34
	0,02	0,2	0,28	0,3	0,32	0,34	0,34	0,3	0,32	0,26	0,34
Вариация показаний (%)	0	5	2,5	3	2	0,2	0,1	0,08	0,03	0,08	0

График зависимости вариации показаний от измеряемой величины

11. Измерение тока сигнала на разных частотах

Для измерения тока на высоких частотах воспользуемся выпрямительной схемой на основе диодного моста.

Испытания показали, что с его помощью можно с точностью, приемлемой для радиолюбительской практики (около 10 %), измерять высокочастотный ток до 100 мА в полосе частот 1,8...150 МГц. При повторении этого амперметра следует иметь в виду, что измерительный прибор РА1 должен иметь минимальную собственную емкостью на "землю".

Таблица 2

Показания прибора	Частота (Гц)
	50	100	300	500	1000
I(мА)	8,4	8,9	9,3	9,4	9,5

График зависимости Iизм от частоты (до 1кГц)

Таблица 3

Показания прибора	Частота (кГц)
	2	5	10	20	50	100
I(мА)	8	8,2	8,3	8,3	8,4	8,9

График зависимости Iизм от частоты (от 2 до 100кГц)

12. Измерение тока импульсов различной длительности и частоты

I=1мА

t=15мкс

Таблица 4

Частота (Гц)	I(мА)	Iрс(мА)
100	1,7	1,77
300	1,8	1,75
1000	1,8	1,74
2000	1,8	1,75
3000	1,9	1,76
20000	1,9	1,64

13. Отклонение показаний прибора от расчетных данных

График зависимости Iизм (мА) от частоты следования импульсов (Гц)

Расчет Iрс для таблицы 4

Iрс=0,709*I*(1-t/T)

Iрс1=1,77мА

Iрс2=1,77мА

Ipc3=1,74мА

Iрс4=1,75мА

Iрс5=1,76мА

Iрс6=1,64мА

f=1000Гц

I=1мА

Iр=2,5мА

Таблица 5

Длительность импульсов (мкс)	I(мА)	Iрс(мА)
10	1,7	1,75
30	1,8	1,72
50	1,8	1,68
100	1,8	1,59
200	1,8	1,41
300	1,9	1,24

График зависимости I (мА) от длительности импульсов (мкс)

Расчет Iрс для таблицы 5

Iрс=2,2*(t/T^2)(T-t)*I

Iрс1=1,75мА

Iрс2=1,72мА

Iрс3=1,68мА

Iрс4=1,59мА

Iрс5=1,41мА

Iрс6=1,24мА



Рис. 6

Абсолютную погрешность при прямом способе измерения тока определяют по Формуле i=Кi Iном /100, где Ki - класс точности амперметра Э59, Iном- номинальное значение тока амперметра.

Относительную погрешность при прямом способе измерения тока рассчитывают по формуле i=(i/ Iизм)100%

Значение тока при косвенном способе измерения определяют по формуле

Iизм=Uизм/Rо

14. Расчет погрешности измерений

Точность прибора определяется точностью его изготовления и градуировки. Согласно ГОСТ все электроизмерительные приборы разделяют на 8 классов точности:

4,0 - 2,5 - 1,5 - 1,0 - 0,5 - 0,2- 0,1 - 0,05.

По классу точности можно определить абсолютную погрешность измерительного прибора. Абсолютная погрешность зависит от предела измерения и постоянна в любой части шкалы. Для определения абсолютной погрешности необходимо величину выбранного предела измерения умножить на класс точности. Класс точности задан в процентах.

Например, для прибора с классом точности 0,5 при измерении тока на пределе 10А абсолютная погрешность составляет:

Если измерить этим прибором следующие токи , то абсолютная погрешность во всех случаях одинакова . Результаты измерений:

Однако, относительные погрешности, характеризующие качество измерения, будут различны:

Относительная погрешность тем меньше, чем ближе измеряемая величина к пределу измерения. Поэтому рекомендуется выбирать предел таким образом, чтобы измеряемое значение находилось во второй половине шкалы прибора. При использовании стрелочных лабораторных приборов с зеркальной шкалой при считывании показаний необходимо совместить стрелку с ее зеркальным изображением. При таком положении глаза оказывается наименьшей ошибка на параллакс.

В случае измерения физических величин сложными приборами и устройствами, приборная погрешность определяется по зависимостям, которые указаны в паспорте прибора. Например, при измерении тока, напряжения, сопротивления универсальными цифровыми приборами относительная погрешность измерения определяется формулами:

е (1.8)

е (1.9)

Коэффициенты 0,1 и 0,05 определяются условиями измерения и конструктивными особенностями приборов. X_K - конечное значение установленного предела измерений (предел), Х - показания прибора.

Выбор формулы (1.8) или (1.9) определяется измеряемой величиной и пределом измерения. Во всех случаях необходимо, для расчета погрешности измерений такими приборами, обращаться к паспортным данным измерительного устройства.

Погрешность единичного измерения

В случае, когда проводится только одно измерение, в качестве его погрешности следует брать приборную погрешность. Например, при измерении микрометром толщины проволоки d = 0,15мм погрешность составит половину цены деления прибора , т.е. ?d = ?0,005мм. При измерении температуры термометром с ценой деления шкалы 2^оС погрешность составит . В случае измерения тока или напряжения определяется цена деления прибора согласно выбранному пределу, а затем абсолютная погрешность измерения по классу точности прибора.

Погрешность табличных величин

Часто при определении результатов измерения необходимо привлекать табличные (справочные) величины. За погрешность табличной величины принимают единицу в цифре последнего разряда этой величины. Например, табличное значение удельного сопротивления алюминия при 0°С составляет p_табл.=2,53*10-⁸ Ом м. С учетом погрешности табличной величины можно записать

.

Погрешность табличной величины определяется точностью, с которой необходимо использовать справочные данные. Например, для числа в различных случаях можно записать:

или .

При записи погрешности, как правило, сохраняется одна значащая цифра.

15. Статистическая обработка данных

1) Расчет абсолютной погрешности прибора исходя из класса точности прибора

=(Iмакс*{класс точности})/100%=0,15мА

2) Расчет максимальной относительной погрешности прибора

д=*100%/Iмакс=3%

3) Расчет относительной погрешности измерений

д=+-[4,0+1,5(Xмакс/Xизм-1)]

где с=4 и d=1,5

д1=4,15% д6=3,39%

д2=4% д7=3,33%

д3=3,8% д8=3,26%

д4=3,64% д9=3,16%

д5=3,48% д10=3,09%

4) Расчет абсолютной погрешности измерений

=(д*X)/100%

1=0,151мА 6= 0,185мА

2=0,155мА 7= 0,195мА

3=0,158мА 8=0,21мА

4=0,161мА 9= 0,23мА

5=0,178мА 10=0,25мА

4) Расчет среднего значение измеряемой величины

Iср=УIi/n=5,58мА

5) Расчет среднеарифметической ошибки отдельного измерения

у=0,2мА

6) Критерий 3у, поиск грубых погрешностей

3у=0,8мА

Необходимое условие Д<3у выполняется для всех измерений грубые погрешности отсутствуют

7) Расчет среднеквадратичной ошибки среднего арифметического

уср=0,06мА

8) Расчет доверительных интервалов

а) Нормальный закон распределения

2Ф(Дг/уср)=P=0,98

Дг/уср=2,06

следовательно, Дг=0,12мА

б) Закон распределения Стьюдента

Дг=tст=t(n,p)*уcр=0,13мА

9) Определение приборной погрешности

а) Предельная абсолютная и относительная погрешность

д=+-[c+d(|Iк/Iср|-1)]=5,18%

Дпр=(д*Iк)/100%=0.51мА

б) Систематическая погрешность прибора

и=1,1Дпр=0,57мА

10) Расчет полной погрешности

8*уср=0,48мА

т. к. и >8*уср

Общая погрешность Щ=+-и=+-0,57мА

Ответ: I=5,58+-0,57 [мА] Доверительная вероятность P=0.98

Вывод

В нашей работе с помощью аналогового амперметра мы провели расчет его метрологических характеристик которые вполне соответствуют требованиям к измерению тока на интервале от 1 до 10мА при частотах до 100МГц за счет дополнительного подключения выпрямительного диодного моста мы можем наблюдать незначительное отклонение измеряемой величины от истинного значения.

Список использованной литературы

1. "Приборы и системы для измерения тока и напряжения" книги 1,2 под ред.В.В. Клюева М. "Машиностроение" 1978 г.