Метод непосредственной оценки

Лекция 6. Измерение постоянного тока

Измерение тока возможно методом непосредственной оценки аналоговыми и цифровыми амперметрами, а также косвенно. Диапазон значений токов, измеряемых в различных областях электроники, очень широк, от 10^-17 до сотен тысяч ампер.

Метод непосредственной оценки

Амперметр включается последовательно в разрыв цепи. Такое включение амперметра с внутренним сопротивлением Rпр в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) увеличивает общее сопротивление и уменьшает протекающий в цепи ток.

Относительная погрешность измерения тока I_x:

, (6.1)

где I — действительное значение тока в цепи до включения амперметра;

I_x — измеренное значение тока в цепи R.

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощностей Р_пр и Р потребления соответственно амперметра и самой цепи:

.

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра Р_пр по сравнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен иметь малое сопротивление, т.е. Р_пр→0. Для измерения постоянного тока могут быть использованы приборы всех электроизмерительных систем (кроме индукционной и электростатической): магнитоэлектрические, электродинамические, аналоговые и цифровые электронные амперметры. Измерение малых токов осуществляется магнитоэлектрическим измерителем совместно с усилителем постоянного тока (УПТ), высокочувствительными магнитоэлектрическими зеркальными гальванометрами и гальванометрическими компенсаторами.

Магнитоэлектрические приборы благодаря своей простоте и достаточно высокой точности получили наибольшее распространение при измерении постоянного тока. Магнитоэлектрические приборы непосредственно позволяют измерять токи от 0,1 до 300 мА. Для расширения пределов измерения применяются специальные резисторы-шунты, позволяющие в сотни и даже тысячи раз расширять пределы измерения.

Рис. 6.1. Схема включения миллиамперметра в цепь измерения (а) и его эквивалентная схема (б)

При измерении тока в цепи амперметр включается в разрыв цепи (точки А, В на рис. 6.1, а). Эквивалентная схема такого прибора (микро- и миллиамперметра), предназначенных для измерения малых постоянных токов, показана на рис. 6.1, б. Здесь r_р — сопротивление обмотки рамки; r_{п -} сопротивление пружинок, через которые подводится ток к рамке; общее сопротивле­ние такого прибора R_np = r_p + 2r_п.

Сопротивление шунта R_ш выбирается таким образом, чтобы большая часть измеряемого тока I_x протекала по шунту I_ш, а остальная часть не превышала допустимого значения для измерительного прибора. При этом сопротивление шунта определяется из равенств I_прR_пр = I_ш R_ш и I_x = I_пр + I_ш, откуда R_ш = R_пр(I_пр/I_ш) = R_пр/(n – 1).

Рис. 6.2. Схема включения миллиамперметра с однопредельным (а), многопредельным (б) шунтов и эквивалентная схема прибора (в)

Основным источником температурных погрешностей является изменение сопротивления измерительной цепи при изменении температуры. Наибольшее влияние температура оказывает на сопротивление обмотки рамки прибора. Температурная погрешность зависит от схемы электрической цепи измерителя. Например, в амперметрах без шунтов изменение температуры вообще не вызывает погрешностей, так как прибор включается в цепь последовательно и его показания будут всегда соответствовать измеряемому току цепи.

Наибольшая погрешность может возникать в амперметрах с шунтами. В этих приборах изменение температуры приводит к перераспределению токов между измерительной рамкой, выполняемой, как правило, из медного провода, и манганиновым шунтом, сопротивление которого практически не зависит от температуры.

Для компенсации температурной погрешности применяются специальные схемы. На рис.6.3 приведены наиболее распространенные схемы температурной компенсации. В приборах невысокого класса точности применяется простейшая схема компенсации температурной погрешности (рис. 6.3, а). Здесь последовательно с обмоткой рамки включено добавочное сопротивление Кд из манганина, в результате чего общее сопроти­вление цепи измерителя мало зависит от температуры.

На рис. 6.3, б приведена схема компенсации температурной погрешности, используемая в приборах высоких классов точности (0,1; 0,2; 0,5). В этой схеме последовательно с медным сопротивлением Rnp рамки измерителя включено манганиновое сопротивление R₃.

Рис. 6.3. Схема компенсации температурной погрешности амперметров с шунтом с помощью добавочных сопротивлений (а, б) и термосопротивлений (в).

Сопротивление R₁, шунтирующее ветвь измерителя, выполнено из меди или никеля, a R2 — из манганина. В этой схеме изменение тока I_пр за счет изменения сопротивления обмотки рамки компенсируется соответствующим изменением напряжения между точками а и б ветви измерителя.

При повышении температуры вследствие возрастания сопротивлений R_пр и R₁, увеличивается общее сопротивление цепи авб, что приводит к уменьшению тока I₂. Поскольку сопротивление R₂ с увеличением температуры не изменяется, то напряжение на нем u_вб = R₂I₁ уменьшается. Это приводит к увеличению напряжения u_аб, так как u_ав = u_аб – u_вб, где u_аб = R_шI_ш = const. Подбирая сопротивления R₁, R₂ и R₃, можно добиться требуемой температурной компенсации.

В последнее время для компенсации температурной погрешности применяются термосопротивления (R_ТС) с отрицательным температурным коэффициентом (рис. 6.3, в).

Гальванометры постоянного тока применяются для измерения малых значений токов и напряжений. Гальванометры могут строиться на принципе любой электроизмерительной системы. Массовое распространение получили только гальванометры магнитоэлектрической системы, обеспечивающие высокую чувствительность прибора (10^{-11 A по току, 10-8} В по напряжению). Выбор гальванометра определяется требуемой чувствительностью по току или напряжению, соответствием его данной схеме по критическому сопротивлению (сопротивлению, при котором время возвращения указателя гальванометра в нулевое положение — наименьшее). Критическое сопротивление гальванометра желательно иметь на 10 — 20% меньше сопротивления схемы, на которую замкнут гальванометр.

Если критическое сопротивление гальванометра мало, то успокоение колебаний подвижной части будет недостаточно. При критическом сопротивлении, большем сопротивления схемы, гальванометр окажется переуспокоенным.

Чувствительность гальванометра, характер движения подвижной части и время ее успокоения определяются соотношением между конструктивными постоянными гальванометра и сопротивлением внешней цепи, на которую замкнута его рамка. Эти соотношения можно получить при исследовании переходных процессов в гальванометре.

Рис. 6.4. Схема измерения тока с помощью образцового сопротивления

Токи 10^-17 – 10^-6 А можно измерить непосредственно с помощью электрометров (типов В7-29, В7-30 и др.), магнитоэлектрических гальванометров, чувствительность которых может быть повышена специальными усилителями: гальванометрическими, электрометрическими, фотогальванометрическими, образующими совместно с гальванометром гальванометрические компенсаторы.