Основные единицы измерения электрического тока

Оглавление:

Основные электрические величины

Основные электрические величины: ток, напряжение, сопротивление и мощность.

Важнейшим физическим явлением в электрических цепях является движение электрического заряда. В природе существуют два вида зарядов — положительные и отрицательные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются. Это ведет к тому, что имеется тенденция к группированию положительных зарядов с отрицательными в равных количествах.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Полный отрицательный заряд по модулю равен положительному заряду ядра. Следовательно, атом имеет нулевой полный заряд, также говорят, что он электрически нейтрален.

В материалах, которые могут проводить электричество, некоторые электроны отделяются от атомов и имеют возможность передвигаться в проводящем материале. Эти электроны называются подвижными зарядами или носителями заряда. Так как каждый атом в исходном состоянии нейтрален, то после отрыва отрицательно заряженного электрона он становится положительно заряженным ионом. Положительные ионы не могут свободно передвигаться и образуют систему неподвижных, фиксированных зарядов (смотрите — Какие вещества проводят электрический ток).

В полупроводниках, составляющих важный класс материалов, подвижные электроны могут передвигаться двумя способами: или электроны ведут себя просто как отрицательно заряженные носители. Или сложная совокупность многих электронов движется таким образом, как будто в материале имеются положительно заряженные подвижные носители. Фиксированные заряды также могут быть обоих знаков.

Проводящие материалы можно представить как материалы, содержащие подвижные носители заряда (которые могут иметь один из двух знаков) и фиксированные заряды противоположной полярности.

Существуют также материалы, называемые изоляторами, которые не проводят электричества. Все заряды в изоляторе фиксированы. Примерами изоляторов служат воздух, слюда, стекло, тонкие слои окислов, образующихся на поверхностях многих металлов, и, конечно, вакуум (в котором вообще нет зарядов).

Заряд измеряется в кулонах (Кл) и обычно обозначается Q.

Вследствие сильного притяжения между противоположными зарядами большинство материалов электрически нейтрально. Для разделения положительных и отрицательных зарядов требуется энергия.

На рис. 1 показаны две проводящие, первоначально не заряженные пластины, отстоящие одна от другой на расстояние d. Предполагается, что пространство между пластинами заполнена изолятором, например воздухом, или же они находятся в вакууме.

Рис. 1. Две проводящие, первоначально не заряженные пластины: а — пластины электрически нейтральны; б — заряд -Q перенесен на нижнюю пластину (между пластинами существует разность потенциалов и электрическое поле).

На рис. 1, а обе пластины нейтральны, и полный нулевой заряд на верхней пластине может быть представлен суммой зарядов +Q и -Q. На рис. 1,б заряд -Q перенесен с верхней пластины на нижнюю. Если бы на рис. 1,б мы соединили пластины с помощью проводника, то силы притяжения противоположных зарядов произвели бы быстрый перенос заряда обратно и мы вернулись бы к ситуации, изображенной на рис. 1,а. Положительные заряды переместились бы на отрицательно заряженную пластину, а отрицательные заряды — на положительно заряженную.

Мы говорим, что между заряженными пластинами, показанными на рис. 1,б, существует разность потенциалов и что на положительно заряженной верхней пластине потенциал выше, чем на отрицательно заряженной нижней пластине. В общем случае между двумя точками существует разность потенциалов, если осуществление проводимости между этими точками приводит к переносу заряда.

Положительные заряды перемещаются от точки с высоким потенциалом к точке с низким потенциалом, направление движения отрицательных зарядов противоположно — от точки с низким потенциалом к точке с высоким потенциалом.

Единицей измерения разности потенциалов выбран вольт (В). Разность потенциалов называется напряжением и обычно обозначается буквой U .

Для количественного определения напряжения между двумя точками используется понятие электрическое поле. В случае, показанном на рис, 1,б, между пластинами существует однородное электрическое поле, направленное от области с более высоким потенциалом (от положительной пластины) к области с более низким потенциалом (к отрицательной пластине).

Напряженность этого поля, выраженная в вольтах на метр, пропорциональна заряду на пластинах и может быть рассчитана из законов физики, если известно распределение зарядов. Соотношение между величиной электрического поля и напряжением U между пластинами имеет вид U = E х d ( вольт = вольт/метр х метр) .

Итак, движение от более низкого потенциала к более высокому соответствует перемещению против направления поля. При более сложной структуре электрическое поле может быть не везде однородным, и для определения разности потенциалов между двумя точками необходимо многократно использовать уравнение U = E х d .

Промежуток между интересующими нас точками разбивается на много участков, каждый из которых достаточно мал, чтобы поле в нем было однородно. Затем последовательно к каждому отрезку применяется уравнение U = E х d и разности потенциалов для каждого участка суммируются. Таким образом, для любого распределения зарядов и электрических полей можно найти разность потенциалов между двумя любыми точками.

При определении разности потенциалов необходимо указать не только величину напряжения между двумя точками, но также и то, какая точка имеет больший потенциал. Однако в электрических цепях, содержащих несколько различных элементов, не всегда можно определить заранее, какая точка имеет более высокий потенциал. Чтобы избежать путаницы, необходимо принять условие для знаков (рис. 2).

Рис. 2 . Определение полярности напряжения (напряжение может быть положительным или отрицательным).

Двухполюсный элемент цепи представляется ящиком, снабженным двумя клеммами (рис. 2,а). Линии, ведущие от ящика к клеммам, предполагаются идеальными проводниками электрического тока. Одна клемма обозначается знаком плюс, другая — знаком минус. Эти знаки фиксируют относительную полярность. Напряжение U на рис. 2, а определяется условием U = (потенциал на клемме «+») — (потенциал на клемме » — «).

На рис. 2, б заряженные пластины соединены с клеммами так, то клемма «+» связана с пластиной, имеющей более высокий потенциал. Здесь напряжение U является положительным числом. На рис. 2,в клемма «+» связана с пластиной, имеющей меньший потенциал. В итоге получаем отрицательное напряжение.

Важно помнить об алгебраической форме представления напряжения. Как только определена полярность, положительное напряжение означает, что клемма «+» имеет (более высокий потенциал, а отрицательное напряжение означает, что более высокий потенциал имеет клемма «-«.

Выше отмечалось, что положительные носители заряда движутся из области высокого потенциала в область низкого потенциала тогда как отрицательные носители заряда — из области низкого потенциала в область высокого потенциала. Любой перенос заряда означает протекание электрического тока.

На рис. 3 показаны некоторые простые случаи протекания электрического тока, выбрана поверхность S и показано условное положительное направление. Если в течение времени d t через сечение S пройдет полный заряд Q в выбранном направлении, то ток I через S будет равен I = d Q / d t. Единицей измерения тока выбран ампер (А) (1А=1Кл/с).

Рис. 3 . Связь между направлением тока и направлением потока подвижных зарядов. Ток положителен (а и в), если результирующий поток положительных зарядов через некоторую поверхность S совпадает с выбранным направлением. Ток отрицателен (б и г), если результирующий поток положительных зарядов через поверхность противоположен выбранному направлению.

При определении знака тока I часто возникают затруднения. Если подвижные носители заряда положительны то положительный ток описывает реальное движение подвижных носителей в выбранном направлении, тогда как отрицательный ток описывает поток подвижных носителей заряда, противоположный выбранному направлению.

Если подвижные носители отрицательны, нужно быть осторожным при определении направления тока. Рассмотрим рис. 3,г, на котором отрицательные подвижные носители заряда пересекают S в выбранном направлении. Предположим, что каждый носитель имеет заряд -q и что скорость потока через S равна n носителей в секунду. За время d t полный заряд, пересекающий S в выбранном направлении, будет d Q = -n х q х dt , что соответствует току I = d Q /d t .

Следовательно, ток на рис. 3,г отрицателен. Более того,этот ток совпадает с током, создаваемым движением положительных носителей с зарядом +q через поверхность S со скоростью n носителей в секунду в направлении, противоположном выбранному (рис. 3,б). Таким образом, двузначность зарядов отражается в двузначности тока. Для большинства случаев в электронных схемах существенным является знак тока, и при этом неважно, какие носители заряда (положительные или отрицательные) переносят этот ток. Поэтому часто, когда говорят об электрическом токе подразумевают, что носители заряда положительны (смотрите — Направление электрического тока).

Однако в полупроводниковых приборах различие между положительными и отрицательными носителями заряда критично для работы прибора. При детальном рассмотрении работы этих приборов знаки подвижных носителей заряда необходимо четко различать. Понятие тока, протекающего через определенную площадку, легко обобщить на ток через элемент цепи.

На рис. 4 показан двухполюсный элемент. Направление положительного тока показано стрелкой.

Смотрите так же:  Подключить розетку для прицепа ваз 2107

Рис. 4. Ток через элемент цепи. Заряды входят в элемент через клемму А со скоростью i (кулонов в секунду) и выходят из элемента через клемму А’ с той же скоростью.

Если положительный ток протекает через элемент цепи, положительный заряд входит через клемму А со скоростью i кулонов в секунду. Но, как уже отмечалось, материалы (и элементы цепей) в целом остаются электрически нейтральными. (Даже «заряженный» элемент на рис. 1 имеет нулевой полный заряд.) Следовательно, если заряд втекает в элемент через клемму А, равное количество заряда должно одновременно вытекать из элемента через клемму А’. Эта непрерывность протекания электрического тока через элемент цепи следует из нейтральности элемента в целом.

На каждом двухполюсном элементе цепи может существовать напряжение между его клеммами, и через него может протекать ток. Знаки тока и напряжения могут быть определены независимо, однако между полярностями напряжения и тока существует важное физическое соотношение, для выяснения которого обычно принимают некоторое дополнительное условие.

На рис. 4 показано, как определяются относительные полярности напряжения и тока. При выбранном направлении тока он втекает в клемму «+». При выполнении этого дополнительного условия можно определить важную электрическую величину — электрическую мощность. Рассмотрим элемент цепи на рис. 4.

Если напряжение и ток положительны, то имеется непрерывный поток положительных зарядов от точки с высоким потенциалом к точке с низким потенциалом. Чтобы поддерживать этот поток, надо отделять положительные заряды от отрицательных и вводить их в клемму «+». Это непрерывное разделение требует непрерывных затрат энергии.

Когда заряды проходят через элемент, они отдают эту энергию. А так как энергия должна сохраняться, то она или выделяется в элементе цепи в виде тепла (например, в тостере), или накапливается в нем (например, при зарядке автомобильного аккумулятора). Скорость, с которой происходит это преобразование энергии, называется мощностью и определяется выражением Р = U х I ( ватт=вольт х ампер ).

Единицей измерения мощности выбран ватт (Вт), который соответствует преобразованию энергии 1 Дж в 1 с. Мощность, равная произведению напряжения на ток с полярностями, определенными на рис. 4, является алгебраической величиной.

Если Р>0, как в рассмотренном выше случае, мощность или рассеивается, или поглощается в элементе. Если Р 2 х R , P = U 2 /R

Так как мощность, поглощаемая,в идеальном сопротивлении, зависит от квадрата тока (или напряжения), знак мощности, поглощаемой в идеальном сопротивлении, зависит от знака R. Хотя иногда при моделировании некоторых типов приборов, работающих в определенных режимах, используются отрицательные значения сопротивления, все реальные сопротивления, как правило, положительны. Для этих сопротивлений поглощаемая мощность всегда положительна.

Электрическая энергия, поглощаемая сопротивлением, согласно закону сохранения энергии, должна п реобразовываться в другие виды. Наиболее часто электрическая энергия превращается в тепловую энергию, называемую джоулевым теплом. Скорость выделения джоулева тепла в сопротивлении совпадает со скоростью поглощения электрической энергии . И сключением являются те резистивные элементы (например, лампочка или громкоговоритель), в которых часть поглощаемой энергии преобразуется в другие виды (энергию светового излучения и звуковую энергию).

Взаимосвязь основных электрических величин

Для постоянного тока основные единицы представлены на рис. 7.

Рис. 7. Взаимосвязь основных электрических величин

Четыре основные единицы — ток, напряжение, сопротивление и мощность взаимосвязаны достоверно установленными зависимостями, что позволяет проводить не только прямые, но и косвенные измерения или вычислять нужные нам величины по другим — измеренным. Так, для измерения напряжения на участке цепи следовало бы иметь вольтметр, но и при отсутствии его, зная ток в цепи и сопротивление току на этом участке, можно рассчитать значение напряжения.

Архив ресурса Фрикинг.RU [ приостановлен в 2007г. ]

Фрикинг.RU ››› Аналитическая и справочная информация ››› Разное ››› Единицы измерения, используемые в электротехнике и электронике

Единицы измерения, используемые в электротехнике и электронике

Основные единицы измерения в системе СИ

Определения основных и дополнительных единиц СИ

Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответсвующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1м один от другого, вызвал бы силу взаимодействия, равную 2*10-7 Н.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуре тройной точки воды.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Производные единицы электрических и магнитных величин в системе СИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ, измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств – измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Электрическое измерение – это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах (например, 3 А, 4 В). Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики и единицами механических величин. Поскольку «поддержание» единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют «практическими» эталонами единиц электрических величин. Такие эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Например, в США юридическую ответственность за поддержание эталонов единиц электрических величин несет Национальный институт стандартов и технологии. Время от времени проводятся эксперименты по уточнению соответствия между значениями эталонов единиц электрических величин и определениями этих единиц. В 1990 государственные метрологические лаборатории промышленно развитых стран подписали соглашение о согласовании всех практических эталонов единиц электрических величин между собой и с международными определениями единиц этих величин.

Электрические измерения проводятся в соответствии с государственными эталонами единиц напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и емкости. Такие эталоны представляют собой устройства, имеющие стабильные электрические характеристики, или установки, в которых на основе некоего физического явления воспроизводится электрическая величина, вычисляемая по известным значениям фундаментальных физических констант. Эталоны ватта и ватт-часа не поддерживаются, так как более целесообразно вычислять значения этих единиц по определяющим уравнениям, связывающим их с единицами других величин. См. также ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы – ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.

Аналого-цифровые преобразователи.

Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1–0,0003%. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4–0,002%), но зато время преобразования – от

Смотрите так же:  Узо на вод

1 мс. Параллельные АЦП – самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность – от 0,4 до 2%.

Методы дискретизации.

Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала; их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала («в реальном времени»), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.

Цифровые вольтметры и мультиметры.

Цифровые вольтметры и мультиметры измеряют квазистатическое значение величины и указывают его в цифровой форме. Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение, обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление постоянному току и иногда температуру. Эти самые распространенные контрольно-измерительные приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2 до 0,001% могут иметь 3,5- или 4,5-значный цифровой дисплей. «Полуцелый» знак (разряд) – это условное указание на то, что дисплей может показывать числа, выходящие за пределы номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5-разрядный) дисплей в диапазоне 1–2 В может показывать напряжение до 1,999 В.

Измерители полных сопротивлений.

Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс) соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором. Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г. Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах, близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых значений. Большинство приборов могут показывать также производные величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.

АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ

Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на постоянном токе применяются аналоговые магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и многовитковой подвижной частью. Такие приборы стрелочного типа характеризуются погрешностью от 0,5 до 5%. Они просты и недороги (пример – автомобильные приборы, показывающие ток и температуру), но не применяются там, где требуется сколько-нибудь значительная точность.

Магнитоэлектрические приборы.

В таких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю. Момент этой силы уравновешивается моментом, создаваемым противодействующей пружиной, так что каждому значению тока соответствует определенное положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет форму многовитковой проволочной рамки с размерами от 3 ґ 5 до 25 ґ 35 мм и делается как можно более легкой. Подвижная часть, установленная на каменных подшипниках или подвешенная на металлической ленточке, помещается между полюсами сильного постоянного магнита. Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий момент, служат также токопроводами обмотки подвижной части.

Магнитоэлектрический прибор реагирует на ток, проходящий по обмотке его подвижной части, а потому представляет собой амперметр или, точнее, миллиамперметр (так как верхний предел диапазона измерений не превышает примерно 50 мА). Его можно приспособить для измерения токов большей силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля полного измеряемого тока. Такое устройство пригодно для токов, измеряемых многими тысячами ампер. Если последовательно с обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор превратится в вольтметр. Падение напряжения на таком последовательном соединении равно произведению сопротивления резистора на ток, показываемый прибором, так что его шкалу можно проградуировать в вольтах. Чтобы сделать из магнитоэлектрического миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему последовательно измеряемые резисторы и подавать на это последовательное соединение постоянное напряжение, например от батареи питания. Ток в такой схеме не будет пропорционален сопротивлению, а потому необходима специальная шкала, корректирующая нелинейность. Тогда можно будет производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя и с не очень высокой точностью.

Гальванометры.

К магнитоэлектрическим приборам относятся и гальванометры – высокочувствительные приборы для измерения крайне малых токов. В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть подвешена на тонкой ленточке или нити, используется более сильное магнитное поле, а стрелка заменена зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 1). Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а угол его поворота оценивается по смещению отбрасываемого им светового зайчика на шкале, установленной на расстоянии около 1 м. Самые чувствительные гальванометры способны давать отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока всего лишь на 0,00001 мкА.

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ

Регистрирующие приборы записывают «историю» изменения значения измеряемой величины. К таким приборам наиболее распространенных типов относятся ленточные самописцы, записывающие пером кривую изменения величины на диаграммной бумажной ленте, аналоговые электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса на экране электронно-лучевой трубки, и цифровые осциллографы, запоминающие однократные или редко повторяющиеся сигналы. Основное различие между этими приборами – в скорости записи. Ленточные самописцы с их движущимися механическими частями наиболее подходят для регистрации сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее. Электронные осциллографы же способны регистрировать сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей секунды до нескольких секунд.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ

Измерительный мост – это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой – нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется наивысшая точность измерения. (Для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001%. Простейший мост для измерения сопротивления носит имя своего изобретателя Ч.Уитстона.

Двойной измерительный мост постоянного тока.

К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом ошибка будет составлять 10%. Двойной измерительный мост (мост Томсона), схема которого представлена на рис. 2, предназначен для измерения сопротивления эталонных резисторов малого номинала. Сопротивление таких четырехполюсных эталонных резисторов определяют как отношение напряжения на их потенциальных зажимах (р1, р2 резистора Rs и р3, p4 резистора Rx на рис. 2) к току через их токовые зажимы (с1, с2 и с3, с4). При такой методике сопротивление присоединительных проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого сопротивления. Два дополнительных плеча m и n исключают влияние соединительного провода 1 между зажимами с2 и с3. Сопротивления m и n этих плеч подбирают так, чтобы выполнялось равенство M/m = N/n. Затем, изменяя сопротивление Rs, сводят разбаланс к нулю и находят

Измерительные мосты переменного тока.

Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50–60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц. Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла – Вина.

Измерительный мост Максвелла – Вина.

Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, их легче экранировать, и они практически не создают внешних электромагнитных полей. Условия равновесия этого измерительного моста таковы: Lx = R2R3C1 и Rx = (R2R3) /R1 (рис. 3). Мост уравновешивается даже в случае «нечистого» источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты), если величина Lx не зависит от частоты.

Трансформаторный измерительный мост.

Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока – простота задания точного отношения напряжений посредством трансформатора. В отличие от делителей напряжения, построенных из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, трансформаторы в течение длительного времени сохраняют постоянным установленное отношение напряжений и редко требуют повторной калибровки. На рис. 4 представлена схема трансформаторного измерительного моста для сравнения двух однотипных полных сопротивлений. К недостаткам трансформаторного измерительного моста можно отнести то, что отношение, задаваемое трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты сигнала. Это приводит к необходимости проектировать трансформаторные измерительные мосты лишь для ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется паспортная точность.

Заземление и экранирование.

Измерительные мосты необходимо тщательно заземлять и экранировать, чтобы паразитные емкости между разными частями схемы моста не вносили ошибку уравновешивания.

Типичные нуль-детекторы.

В измерительных мостах переменного тока чаще всего применяются нуль-детекторы двух типов. Нуль-детектор одного из них представляет собой резонансный усилитель с аналоговым выходным прибором, показывающим уровень сигнала. Нуль-детектор другого типа – это фазочувствительный детектор, который разделяет сигнал разбаланса на активную и реактивную составляющие и пригоден в тех случаях, когда требуется точно уравновешивать только одну из неизвестных составляющих (скажем, индуктивность L, но не сопротивление R катушки индуктивности).

Смотрите так же:  Подключение провода к видеокамере

ИЗМЕРЕНИЕ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока обычно требуется измерять некоторые их характеристики, связанные с мгновенными значениями сигнала. Чаще всего желательно знать среднеквадратические (эффективные) значения электрических величин переменного тока, поскольку мощности нагревания при напряжении 1 В постоянного тока соответствует мощность нагревания при напряжении 1 В (эфф.) переменного тока. Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины, например максимальное или среднее абсолютное значение. Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения (или силы) переменного тока определяется как корень квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения (или силы тока):

где Т – период сигнала Y(t). Максимальное значение Yмакс – это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение YAA – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний Yэфф = 0,707Yмакс и YAA = 0,637Yмакс.

Измерение напряжения и силы переменного тока.

Почти все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока показывают значение, которое предлагается рассматривать как эффективное значение входного сигнала. Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле измеряется среднее абсолютное или максимальное значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы показание соответствовало эквивалентному эффективному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Не следует упускать из виду, что точность таких приборов крайне низка, если сигнал несинусоидален. Приборы, способные измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из трех принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала или теплового преобразования. Приборы, основанные на первых двух принципах, как правило, реагируют на напряжение, а тепловые электроизмерительные приборы – на ток. При использовании добавочных и шунтовых резисторов всеми приборами можно измерять как ток, так и напряжение.

Электронное умножение.

Возведение в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такого типа могут иметь погрешность порядка всего лишь 0,009%.

Дискретизация сигнала.

Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких приборов составляет 0,01–0,1%.

Тепловые электроизмерительные приборы.

Наивысшую точность измерения эффективных значений напряжения и тока обеспечивают тепловые электроизмерительные приборы. В них используется тепловой преобразователь тока в виде небольшого откачанного стеклянного баллончика с нагревательной проволочкой (длиной 0,5–1 см), к средней части которой крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары. Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно электроизоляцию. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением тока в нагревательной проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС (напряжение постоянного тока). Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц.

На рис. 5 показана принципиальная схема теплового электроизмерительного прибора с двумя подобранными по параметрам тепловыми преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 возникает напряжение постоянного тока, усилитель А создает постоянный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС2, при котором термопара последнего дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный прибор постоянного тока измеряет выходной ток.

С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно превратить в вольтметр. Поскольку тепловые электроизмерительные приборы непосредственно измеряют токи лишь от 2 до 500 мА, для измерения токов большей силы необходимы резисторные шунты.

Измерение мощности и энергии переменного тока.

Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально (как это обычно и бывает), то мощность Р можно представить в виде P = EI cos j , где Е и I – эффективные значения напряжения и тока, а j – фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cos j , называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока.

С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина – энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается так:

Если время (t1t2) измеряется в секундах, напряжение е – в вольтах, а ток i – в амперах, то энергия W будет выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях (1 Дж = 1 Вт Ч с). Если же время измеряется в часах, то энергия – в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах (1 кВт Ч ч = 1000 Вт Ч ч).

Счетчики электроэнергии с разделением времени.

В счетчиках электроэнергии с разделением времени используется весьма своеобразный, но точный метод измерения электрической мощности. Такой прибор имеет два канала. Один канал представляет собой электронный ключ, который пропускает или не пропускает входной сигнал Y (или обращенный входной сигнал — Y) на фильтр нижних частот. Состоянием ключа управляет выходной сигнал второго канала с отношением временных интервалов «закрыто»/«открыто», пропорциональным его входному сигналу. Средний сигнал на выходе фильтра равен среднему по времени произведению двух входных сигналов. Если один входной сигнал пропорционален напряжению на нагрузке, а другой – току нагрузки, то выходное напряжение пропорционально мощности, потребляемой нагрузкой. Погрешность таких счетчиков промышленного изготовления составляет 0,02% на частотах до 3 кГц (лабораторных – порядка всего лишь 0,0001% при 60 Гц). Как приборы высокой точности они применяются в качестве образцовых счетчиков для поверки рабочих средств измерения.

Дискретизирующие ваттметры и счетчики электроэнергии.

Такие приборы основаны на принципе цифрового вольтметра, но имеют два входных канала, дискретизирующих параллельно сигналы тока и напряжения. Каждое дискретное значение e(k), представляющее мгновенные значения сигнала напряжения в момент дискретизации, умножается на соответствующее дискретное значение i(k) сигнала тока, полученное в тот же момент времени. Среднее по времени таких произведений есть мощность в ваттах:

Сумматор, накапливающий произведения дискретных значений с течением времени, дает полную электроэнергию в ватт-часах. Погрешность счетчиков электроэнергии может составлять всего лишь 0,01%.

Индукционные счетчики электроэнергии.

Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности. Число оборотов диска за то или иное время пропорционально полной электроэнергии, полученной за это время потребителем. Число оборотов диска считает механический счетчик, который показывает электроэнергию в киловатт-часах. Приборы такого типа широко применяются в качестве бытовых счетчиков электроэнергии. Их погрешность, как правило, составляет 0,5%; они отличаются большим сроком службы при любых допустимых уровнях тока.

Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измерения электрических величин. М., 1982
Малиновский В.Н. и др. Электрические измерения. М., 1985
Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л., 1987

Похожие статьи:

  • Провода на свечи бмв е34 БМВ 5 (Е34). Свечи зажигания Свеча зажигания состоит из центрального электрода, изолятора, корпуса и бокового электрода (электрода массы). Центральный электрод герметично закреплен в изоляторе, а изолятор жестко связан с корпусом. Между […]
  • Белый и черный провода где плюс какого цвета провод плюс и минус? в зарядном устройстве 2 провода черный и белый . где плюс где минус? какого цвета провод плюс и минус? в зарядном устройстве 2 провода черный и белый . где плюс где минус? можно определить с помощью […]
  • Электрические схемы микроволновых печей самсунг Электрические схемы микроволновых печей Микроволновые печи с электромеханическим управлением обычно имеют стандартную электрическую схему. Отличия между различными моделями незначительны и не носят принципиального характера. Силовая часть […]
  • Отличие провода пунп от ввг Чем отличается ВВГ от ПУНП? Чем отличается ВВГ от ПУНП? Вроде сечение одинаковое, изоляция двойная. Можно ли проводку делать ПУНПом, если она заштукатуривается? Сырьём для ПВХ, методикой испытаний. Этот кабель выпускается по ГОСТ, а […]
  • Физик заземление Физика для Детей: З - значит Заземление (6 выпуск) 8 комментариев это скорее для даунов, чтоле -_- смотреть вообще не приятно Чувырла уж прям вполне отталкивающая Глупо как-то рассказано. Да и татух у ведущей нет и в носу без кольца. А […]
  • Гибкие провода гост ПВС 4х4 провод гибкий ГОСТ ПВС-это гибкий провод с медными многопроволочными скрученными жилами в ПВХ изоляции и ПВХ оболочке. ПО последней букве в маркировке "С"-что обозначает соединительный, ясно что кабель в основном используется для […]