Измерение напряжения и тока на низких и высоких частотах

Измерение напряжения и тока на промышленной частоте.Измерение напряжения и тока на промышленной частоте может быть выполнено любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц, но только когда объект измерения мощный. Такие измерения в основном выполняют электромагнитными и электродинамическими вольтметрами и амперметрами (см. 2.5; 2.4).

Для измерения напряжения на промышленной частоте применяют компенсаторы переменного тока. Чтобы уравновесить измеряемое напряжение компенсирующим напряжением  необходимо выполнение следующих условий: равенство напряжений по модулю; противоположность их фаз ); равенство частот; одинаковая форма измеряемого и компенсирующего напряжений. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока, так как отсутствует эталон ЭДС переменного тока.

Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах.Измерение напряжения на повышенной и высокой частотах осуществляется вольтметрами (выпрямительными, термоэлектрическими, электростатическими, электронными, см. 2.3; 2.6; 5.1), работающими в указанном диапазоне частот, а также электронными осциллографами (см. 4.3). Осциллографы - приборы, чувствительные к напряжению, поэтому все измерения, выполняемые ими, сводятся к измерению отклонения электронного луча под действием приложенного напряжения. Для конкретного исследования сигнала необходимо правильно выбрать тип осциллографа, выполнив условия согласования, подключить последний к объекту измерения, заземлить, а затем определить вид синхронизации, ее амплитуду, режим развертки, длительность, коэффициент отклонения.

От правильного учета возможных искажений и погрешностей зависит точность полученных результатов измерения.

Измерение тока в цепях повышенной и высокой частоты.С увеличением частоты точность измерения переменного тока электромагнитными иэлектродинамическими амперметрами в обычном исполнении падает. Приборы специального изготовления имеют рас ширенный диапазон частот (примерно до 8—10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях (см. 2.4; 2.5).

В маломощных цепях повышенной и высоких частот ток измеряется выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми амперметрами, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением (см. 2.3; 5.1; 7.7). Амперметр должен обладать минимальными значениями входных сопротивлений, индуктивностей и емкостей. С увеличением частоты в цепи измерения тока влияние паразитных емкостей возрастает, поэтому для уменьшения погрешностей от токов утечки амперметр следует включать на участке с потенциалами, наиболее близкими к потенциалу земли (рис. 7.12, где и  - емкости зажимов 1 и 2 амперметра относительно земли). Это особенно важно при измерениях на высокой частоте. При правильном включении амперметра паразитная емкость находится под напряжением, равным падению напряжения на амперметре, но поскольку значение последнего незначительно, то и токи утечки будут малы, при этом емкость закорочена. При неправильном включении амперметра паразитные емкости и находятся под полным напряжением , поэтому даже при малых значениях и токи утечки будут значительными.

Рисунок 7.12 – Схема правильного включения амперметра

Измерение токов в цепях высокой частоты преимущественно выполняется термоэлектрическими амперметрами.

Термоамперметры - сочетание термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихрома, константана и др.), выделяется тепло, под действием которого нагревается горячий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС.

Термо-ЭДС зависит от материала проводников термопары и пропорциональна разности температур горячего и холодного ее концов, т. е. пропорциональна температуре перегрева .

В среднем равно 30-40 мкВ на 1 °С перегрева. Вследствие инерции нагревателя температура перегрева не успевает следовать за изменениями подводимого тепла и определяется его средним значением:

               (7.13)

Если холодные концы термопары замкнуть на измерительный магнитоэлектрический механизм, то по замкнутой цепи измерителя потечет ток                                                                                                                      

          (7.14)

где  - среднеквадратичное значение тока; R_a — сопротивление цепи измерителя, включая сопротивление термопары;  - коэффициенты пропорциональности, зависящие соответственно от свойств термопары и данных измерительного механизма.

Так как в (7.14) значение измеряемого тока входит в квадрате, то прибор пригоден для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в среднеквадратичных значениях тока.

Рисунок 7.13 Схемы включения термопреобразователей

По способу нагрева горячего спая термопары термопарообразователи делят на контактные и бесконтактные. В контактных термопреобразователях (рис. 7.13, а) горячий спай термопары приварен непосредственно к нагревателю, при этом имеется гальваническая связь между измеряемой и измерительной цепями. В бесконтактных термопреобразователях (рис. 7.13, б) горячий спай термопары отделен от нагревателя изоляционным материалом (каплей стекла), что ухудшает условия теплопередачи, увеличивает тепловую инерцию, уменьшает чувствительность, но позволяет последовательно соединять несколько термопар, уменьшать влияние паразитных емкостей (между измеряемой и измерительной цепями). В некоторых бесконтактных преобразователях термопару протягивают внутри тонкой стеклянной трубочки, на которую намотан нагреватель. Для увеличения чувствительности и более эффективного использования преобразователи соединяют в мостовую схему.

В зависимости от типа преобразователя эти приборы используют для измерения как постоянного, так и переменного тока в диапазоне частот 50 Гц -200 МГц. Но основное назначение термоамперметров - измерение тока в цепях высокой частоты. На высоких частотах проявляются паразитные параметры термопреобразователя и поверхностный эффект в нагревателе. Поэтому каждый прибор рассчитывают на работу до определенной частоты измеряемого тока.

При измерениях несинусоидального тока показания термоамперметра будут приближенно соответствовать среднеквадратичному значению тока, т. е.

Термоэлектрические амперметры выпускают для измерения токов от 100 мкА до десятков ампер.

Для измерения малых токов до 1 А применяют вакуумные термопреобразователи. Их помещают в специальные стеклянные баллоны, из которых выкачан воздух, при этом благодаря уменьшению потерь на излучение тепла в окружающую среду чувствительность вакуумных преобразователей повышается. Вакуумные термопреобразователи бывают контактные и бесконтактные.

Для измерения токов от 1 А до 50 А используют воздушные термопреобразователи.

Кдостоинствам термоамперметров относят то, что их показания не зависят от частоты и формы переменного тока, к недостаткам - малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не более чем на 50 %), значительную мощность потребления (на 5 А примерно 1 Вт), ограниченный срок службы, невысокую точность (с изменением температуры изменяется сопротивление нагревателя, с увеличением частоты - паразитные параметры). Классы точности термоэлектрических амперметров -1,5; 2,5; 4. В термоэлектрических амперметрах, предназначенных для больших токов, в результате выделения значительного количества тепла подводящие колодки сильно разогреваются. Чтобы устранить влияние перегрева, применяют кроме основной еще и компенсационную термопару, горячий спай которой укреплен на одной из колодок, а термо-ЭДС направлена навстречу термо-ЭДС основной термопары. Расширение пределов измерения осуществляют с помощью трансформатора тока с ферритовым тороидальным сердечником. Термоамперметры бывают щитовые и переносные.

Для усиления постоянного тока термопары в термоамперметрах применяют фотоусилители. Термопары с фотоусилителем многопредельны, имеют повышенную способность к перегрузкам, высокую чувствительность и частотный диапазон до 1 МГц.