Вимірювання струму і напруги в колах постійного та змінного струму промислової та підвищеної частоти. Схеми вимірювання

Загальні принципи вимірювання електричних величин

Здійснення експерименту під час вимірювання фізичних величин складається з трьох основних етапів: підготовка експерименту, його виконання та опрацювання результатів вимірювань.

Підготовка вимірювального експерименту полягає в встановленні орієнтовних значень вимірювальних величин, в виборі методу вимірювання, в виборі засобів вимірювальної техніки (ЗВТ): системи і типу ЗВТ, класу точності ЗВТ, границі вимірювання, в виборі схеми експерименту, в визначені попередньої оцінки похибки вимірювання – граничної δ_гр або довірчої δ_дов.

У вимірювальній практиці виділяють два типи задач щодо вибору методу та засобів вимірювань: вибір методів та ЗВТ з умови забезпечення мінімально можливої похибки вимірювання або з умови, щоб похибка вимірювання не перевищувала допустимого значення, заданого в умовах задачі.

Здійснення вимірювального експерименту полягає у виконанні необхідної вимірювальної процедури та записі показів вимірювальних приладів.

Оцінювання результатів вимірювального експерименту – це встановлення результату вимірювання за показами вимірювальних приладів та їх метрологічними характеристиками, визначення остаточної оцінки похибки вимірювання і запис результатів вимірювання.

Вимірювання струму і напруги в колах постійного та змінного струму промислової та підвищеної частоти. Схеми вимірювання

Струм і напруга є найпоширенішими електричними величинами, які необхідно вимірювати, причому діапазон вимірюваних струмів і напруг доволі широкий.

Наприклад, у біологічних та космічних дослідженнях, вимірюваннях у вакуумі необхідно вимірювати постійні струми, які становлять частки фемтоампер (10^-25 А), в потужних енергетичних уставах, у виробничих процесах металургії та хімічної промисловості – струми, які досягають сотень кіло ампер.

Увесь діапазон вимірюваних струмів і напруг можна умовно розділити на три піддіапазони: малих, середніх та великих значень.

Найкраще забезпечений засобами вимірювальної техніки діапазон середніх величин – орієнтовно: для струму – від одиниць міліампер до десятків ампер; для напруги – від одиниць мілівольт – до сотень вольт. Саме в цьому діапазоні досягають найвищої точності вимірювань, що невипадково, оскільки під час вимірювань малих і великих струмів та напруг виникають додаткові труднощі.

Задача вимірювання малих електричних сигналів (орієнтовно: для струму – від 10^-8 до 10^-5 А; для напруги – від 10^-10 до 10^-5 В) виникає під час роботи з різними перетворювачами фізичних величин – термоелектричними, тензометричними, п’єзоелектричними, іонізаційними, при дослідженнях біопотенціалів тощо.

Основними проблемами, що ускладнюють вимірювання малих струмів і напруг, є наявність різних паразитних сигналів, які можуть бути співмірними з вимірюваними сигналами, наявність паразитних резистивних і ємнісних зв’язків вимірювального кола із зовнішніми паразитними сигналами, вплив зовнішнього магнітного поля тощо.

Під час вимірювання великих струмів і напруг (орієнтовно: для струму – від десятків ампер до сотень кіло ампер; для напруги – від сотень вольт до десятків мегавольт) основними проблемами є необхідність забезпечення високої якості ізоляційних матеріалів, які застосовують у вимірювальних приладах, що необхідно як для зменшення струмів витоку через ізоляцію, так і для забезпечення безпеки роботи обслуговуючого персоналу, а також високої якості контактних з’єднань в колах великих струмів.

Основними засобами вимірювань постійного струму і напруги є амперметри (мікро-, мілі-, кілоамперметри) і вольтметри (мікро-, мілі-, кіловольтметри) різних систем, а також компенсатори постійного струму та компаратори напруги.

Для вимірювання постійного струму і напруги придатні прилади усіх систем, але обираючи конкретний амперметр чи вольтметр, необхідно звертати увагу на такі метрологічні характеристики приладів:

- границя вимірювання приладу повинна бути дещо більшою від вимірюваної величини;

- клас точності приладу повинен бути таким, щоб гранична похибка його показу була дещо меншою від допустимої похибки вимірювання;

- власне споживання потужності приладу (визначається його внутрішнім опором), повинне бути мінімальним;

- ціна приладу повинна бути мінімальною.

Найкращі метрологічні характеристики при вимірюванні на постійному струмі мають цифрові та магнітоелектричні прилади, дуже рідко застосовують електродинамічні, електромагнітні прилади із-за їх низьку точність і велике власне споживання потужності.

Особливістю змінних струмів і напруг є те, що вони змінюються в часі. При вимірюванні таких змінних струмів і напруг вимірюваними величинами є миттєві, амплітудні, середні, середньоквадратичні та середньо випрямлені значення.

У практиці електричних вимірювань найчастіше вимірюють параметри струмів і напруг синусоїдної форми, які переважно характеризують середньоквадратичним (діючим) значенням.

Тому то більшість засобів вимірювальної техніки змінних струмів і напруг градуюють у середньоквадратичних (діючих) значеннях для синусоїдної форми кривої струму та напруги.

Робочими засобами змінних струмів і напруг відповідно є амперметри (мікро-, мілі- та кіло амперметри) і вольтметри (мікро-, мілі- та кіловольтметри) різних систем, а також компенсатори змінного струму, компаратори напруг, реєструвальні прилади та електронні осцилографи.

Вимірюють середньоквадратичні значення змінних струмів і напруг електродинамічними, електромагнітними, випрямними, аналоговими електронними і цифровими амперметрами і вольтметрами, а також термоелектричними амперметрами і електростатичними вольтметрами.

В табл. 7.1 наведені схеми вимірювання сили струму у колах постійного та змінного струму.

Таблиця 7.1

Схеми вимірювання сили струму у колах

Найменування схеми	Схеми включення
Включення амперметра з шунтом до кіл постійного струму	а) включення амперметра з шунтом до кола   б) включення амперметра з двохступеневим шунтом до кола постійного струму
Безпосереднє включення амперметра до кола постійного струму	RН
Найменування схеми	Схеми включення
Включення амперметра через трансформатор струму до однофазного кола змінного струму
Включення амперметра для вимірювання лінійних струмів у трифазному три провідному колі змінного струму при симетричному характері навантаження	метод одного амперметра
Включення амперметрів для вимірювання лінійних струмів у трифазному три провідному колі змінного струму при не симетричному характері навантаження	метод трьох амперметрів
Включення амперметрів через вимірювальні трансформатори струму до трифазного три провідного кола змінного струму	метод трьох амперметрів та двох трансформаторів струму

В табл. 7.2 наведені схеми вимірювання напруги у колах постійного та змінного струму.

Таблиця 7.2

Найменування схеми	Схеми включення
Включення вольтметра з додатковим резистором до кола постійного струму
Безпосереднє включення вольтметра до кола постійного струму	PV - + RН
Включення вольтметра через вимірювальний трансформатор напруги до однофазного кола змінного струму
Включення вольтметрів для вимірювання фазної та лінійної напруги у трифазному три провідному колі змінного струму при симетричному характері навантаження
Найменування схеми	Схеми включення
Включення вольтметрів для вимірювання лінійної напруги в три фазному три провідному колі змінного струму при несиметричному характері навантаження	метод трьох вольтметрів
Включення вольтметрів для вимірювання фазної напруги в три фазному чотири провідному колі змінного струму при несиметричному характері навантаження	L1 метод трьох вольтметрів L2         L3     N
Включення трьох вольтметрів з двома вимірювальними трансформаторами напруги для вимірювання лінійної напруги в три фазному три провідному колі змінного струму при несиметричному характері навантаження	метод трьох вольтметрів та двох вимірювальних трансформаторів напруги L1 L2 L3
Включення трьох вольтметрів з трьома вимірювальними трансформаторами напруги для вимірювання фазної напруги в три фазному три провідному колі змінного струму при несиметричному характері навантаження	метод трьох вольтметрів та трьох вимірювальних трансформаторів напруги (див. рисунок нижче таблиці 7.2)

Рисунок – Схема для вимірювання фазної напруги в три фазному три провідному колі змінного струму при несиметричному характері навантаження за методом трьох вольтметрів та трьох вимірювальних трансформаторів напруги