Измерение электрических величин

9.11.1. Измерение силы электрического тока

В цепях постоянного тока () - потенциометрами, цифровыми, МЭС, ЭДС амперметрами, зеркальными гальванометрами, микроамперметрами МЭС.

В цепях переменного тока промышленной частоты до 10 мкА – электронными амперметрами; свыше 10 мкА – цифровыми амперметрами; свыше 100 мкА – миллиамперметрами термоэлектрической и выпрямительной системы; до 100 А – амперметрами ЭМС, ЭДС, компараторами (измеряемая величина, подаваемая на вход прибора, сравнивается с постоянной величиной, воспроизводимой прибором).

В цепях переменного тока повышенной и высокой частоты – электронными и цифровыми амперметрами.

Для расширения предела измерения приборов в цепях постоянного тока используют шунты.

Шунт – резистор из манганина (сплав меди марганца и никеля), имеющий малое сопротивление. Шунты имеют 2 пары зажимов:

· наружные (токовые) включаются в цепь последовательно;

· внутренние (потенциальные), параллельно которым включают измерительный механизм прибора.

– сопротивление шунта. (9.11)

– коэффициент шунтирования, где – измеряемый ток; – ток прибора.

Шунты на ток до 30 A встраивают в корпус прибора, на большие токи – наружные.

При выборе шунта следует учитывать, что класс точности его должен быть на порядок выше класса точности прибора.

Шунт всегда включают последовательно в цепь измеряемого тока, амперметр присоединяют параллельно шунту.

Рис. 9.20. Схема включения шунтирующего резистора

Включать амперметр в цепь измеряемого тока и параллельно подключать к нему шунты не допускается т.к. в случае неисправности шунта через обмотку амперметра пойдет большой ток, что приведет к перегоранию обмотки.

Для непосредственного измерения и контроля напряжений в установках постоянного тока наиболее распространены магнитоэлектрические вольтметры. Ими можно измерять напряжения до 600 В. Чтобы расширить диапазон измерений магнитоэлектрических вольтметров, применяют добавочные резисторы. Для цепей постоянного тока их выполняют в виде катушек с обычной обмоткой, а для цепей переменного тока – бифилярно, двойным проводом для исключения влияния реактивных составляющих сопротивления. Добавочные резисторы используются в цепях постоянного и переменного тока. Он включается в цепь последовательно с измерительным механизмом прибора.

, (9.12)

где – коэффициент кратности напряжения.

Добавочные резисторы применяются для напряжений до 30 кВ постоянного и переменного тока частот от 10 Гц до 20 кГц.

9.11.2. Измерение мощности

Для измерения мощности в цепях постоянного тока и активной и реактивной мощности в цепях переменного тока в лабораторной практике используют электродинамические, а в производственных условиях ферродинамические ваттметры.

В цепях постоянного тока мощность равна , поэтому напряжение и ток можно измерить вольтметром и амперметром магнитоэлектрической системы. При этом возможны две схемы включения приборов.

а б

Рис. 9.21. Схемы включения приборов для определения мощности в цепи постоянного тока:

а – при сопротивление приемника энергии, меньше сопротивления вольтметра; б – при большом сопротивлении приемника энергии

В первом случае (рис. 9.21, а) измеряемая мощность равна сумме мощности цепи Р и мощности, потребляемой вольтметром Р_v:

, (9.13)

а погрешность измерения

.

При включении приборов по схеме (рис. 9.21, б) измеряемая мощность складывается из мощности, потребляемой приемником энергии Р, и мощности, потребляемой амперметром Р_А:

, (9.14)

а погрешность измерения

.

Данный способ применяют очень редко, т.к требуются два прибора. Поэтому мощность в цепях постоянного тока измеряют одноэлементными электродинамическим ваттметром.

Рис. 9.22. Схема включения ваттметра для измерения мощности в цепи постоянного тока

В качестве масштабного преобразователя тока при необходимости используют в схеме добавочный резистор. Если сопротивление приемника энергии мало (равно или меньше сопротивления последовательности цепи ваттметра), начало катушки напряжения включают после токовой катушки. За счет этого значительно уменьшаются погрешности измерений.

В однофазных цепях синусоидального тока активную мощность измеряют электродинамическими или ферродинамическими ваттметрами. Погрешности измерений зависят от сопротивления параллельной цепи ваттметра, влияющего на фазовый сдвиг между векторами тока и напряжения в неподвижной катушке. Поэтому применение ваттметра для измерения активной мощности в цепях с низким коэффициентом мощности вызывает дополнительную погрешность измерения. Если коэффициент мощности неизвестен, то возможна перегрузка последовательной катушки ваттметра.

Например, , – отключение подвижной части прибора на максимальный угол при , а ток в цепи превышает номинальный ток прибора, возникает перегрузка ваттметра, поэтому следует контролировать ток цепи.

В цепях с токами и напряжениями, превышающими верхнюю границу диапазона измерений ваттметра, его включают через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Рис. 9.23. Схема включения ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения для измерения активной мощности в цепи переменного тока

Чтобы измерить реактивную мощность, необходимо в параллельную цепь ваттметра включить резистор и катушку. Этот способ измерения реактивной мощности применяется только в лабораторных условиях. В производственных условиях реактивную мощность измеряют в трехфазных цепях.

Активную мощность трехфазной цепи можно измерять трехфазными или однофазными ваттметрами.

В трехфазной цепи при симметричной и несимметричной нагрузках для измерения трехфазной мощности применяется схема двух ваттметров.

Рис. 9.24. Схема включения двух ваттметров

По схеме двух ваттметров включенных по косинусной схеме можно измерить реактивную мощность при симметричной нагрузке потребителей (например, трехфазные электродвигатели).

.

9.11.3.Измерение коэффициента мощности

Коэффициент мощности определяется косвенным методом – по показаниям приборов и непосредственной оценкой при помощи фазометров.

В цепях однофазного тока коэффициент мощности определяется по формуле:

. (9.15)

В симметричных трехфазных цепях:

, (9.16)

а также по показаниям двух ваттметров:

. (9.17)

Непосредственно коэффициент мощности измеряют при помощи электродинамических, ферродинамических, электромагнитных и электронных фазометров.

9.25. Схема включения фазометра в однофазную цепь

Шкала проградуирована в единицах измерения или .

Электродинамический и ферродинамический фазометр представляет собой логометр, в цепи подвижных катушек которого включены элементы с разными реактивными сопротивлениями.

– уравнение шкалы логометра. (9.18)

9.11.4 Измерение сопротивлений. Метод амперметра и вольтметра.

а б

Рис. 9.26. Схемы включения амперметра и вольтметра для измерения сопротивлений

а – для измерения малых сопротивлений до 1 Ом;

б - для измерения больших сопротивлений свыше 1 Ом.

Значение сопротивления, измеряемого по схеме (а):

, (9.19)

где – сопротивление вольтметра, указанное на шкале прибора,

а погрешность измерения

.

Данная схема используется, когда сопротивление вольтметра велико по сравнению с измеряемым сопротивлением .

Значение сопротивления, измеряемого по схеме (б):

, (9.20)

где – сопротивление амперметра, указанное на шкале прибора,

а погрешность измерения

.

Данная схема используется, когда сопротивление амперметра мало по сравнению с измеряемым сопротивлением .

9.11.5. Измерение емкости, индуктивности и взаимной индуктивности

а б

9.27. Схемы измерения емкости конденсатора:

а - по показаниям амперметра и вольтметра;

б - по показаниям амперметра, вольтметра и ваттметра.

Значение емкости конденсатора по схеме (а):

, где (9.21)

Значение емкости конденсатора по схеме (б):

. (9.22)

Мощность потерь определяется по формуле . (9.23)

– тангенс угла потерь. (9.24)

а б

9.28. Схемы измерения индуктивности катушки

Значение индуктивности катушки по схеме (а):

(9.25)

Значение индуктивности катушки по схеме (б):

(9.26)

Взаимную индуктивность двух катушек можно рассчитать по результатам измерения индуктивностей при согласном и встречном их включении.

9.29. Схема включения двух катушек для измерения взаимоиндуктивности

(9.28)

«C» – согласное включение катушек и ;

«B» – встречное включение катушек и .