Меню

Измерительные механизмы измерение тока напряжения мощности электрической энергии сопротивления

Измерение тока, напряжения, мощности
учебно-методический материал на тему

Кузнецова Алина Валентиновна

В материале представлены лекция и практическая работа к МДК «Проверка и наладка электрооборудования»

Скачать:

Вложение Размер
tekst_lektsii.doc 568.5 КБ
no9izmerenie_tokanapryazheniyamoshchnosti.doc 31.5 КБ

Предварительный просмотр:

Измерение тока, напряжения, мощности.

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ, МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

Напряжение и ток в цепях постоянного тока измеряют приборами магнитоэлектрической системы. Чтобы стрелка таких приборов отклонялась в нужную сторону, ток от положительного полюса источника питания должен попадать на зажим «+» амперметра.

Простейшим способом измерения постоянного тока является непосредственное прямое включение амперметра. При этом необходимо соблюдать три условия:

  • предел измерения амперметра должен быть больше или равен максимальному рабочему току цепи;
  • испытательное напряжение амперметра должно быть больше напряжения сети Ua > Uс,
  • сопротивление амперметра должно быть больше сопротивления приемника RA > Rnp.

Для расширения пределов измерения постоянного тока применяют измерительные шунты, которые характеризуются номинальным первичным током Iш, падением напряжения Um, создаваемым между их измерительными зажимами при этом токе, и классом точности. Стандартные токоизмерительные шунты рассчитаны на падение напряжения 45 и 75 мВ.

Чем меньше номинальный ток шунта, тем больше его внутреннее сопротивление. При подключении нескольких приборов параллельно шунту может возникнуть погрешность, превышающая допустимую для его класса точности. Поэтому при токах шунта в несколько десятков ампер к нему подключают один измерительный прибор.

Напряжение в цепях постоянного тока может измеряться приборами различных систем. При использовании вольтметров PV магнитоэлектрической системы следует соблюдать полярность включения (рис. 1, а).
Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные резисторы (рис. 1, б). В этом случае предел измерения:

Рис 1. Схемы включения вольтметров в цепи постоянного тока:
а — непосредственное включение, б — с добавочным резистором
где UPVx — расширенный предел вольтметра; R Д — сопротивление добавочного резистора; K — коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения прибора при использовании добавочного резистора.
Выпускаются различные шунты и добавочные резисторы для расширения пределов измерения приборов постоянного тока.
Переменные напряжение и ток можно измерять приборами любой системы, за исключением магнитоэлектрической. При измерении больших токов в низковольтных установках, а также напряжений и токов в высоковольтных установках применяют приборы электромагнитной системы, включаемые через специальные трансформаторы тока и напряжения. В практике наладочных работ используют различные измерительные трансформаторы, при этом следует помнить, что они вносят в результат измерений дополнительную погрешность. Чтобы погрешность не превышала допустимой, определенной классом точности применяемого измерительного трансформатора, его вторичную обмотку необходимо включать на номинальное сопротивление. Номинальным сопротивлением вторичной обмотки цепи трансформатора тока является то наибольшее, а трансформатора напряжения — то наименьшее сопротивление, на которое можно включить эту обмотку, не превысив погрешность выше допустимой.
Схемы включения вольтметров с добавочными резисторами в цепях постоянного тока и однофазных сетях переменного тока одинаковы (рис. 1,6). Схемы включения амперметров и вольтметров при использовании измерительных трансформаторов показаны на рис. 2, а, б.

Рис 2 . Схемы включения измерительных приборов переменного тока:
а — с трансформатором тока, б — с трансформатором напряжения.
В цепи однофазного переменного тока мощность измеряют непосредственно с помощью электродинамического ваттметра или косвенно методом амперметра и вольтметра. Схема включения приборов показана на рис. 3.

Схема включения приборов для измерения мощности

Зная напряжение U, приложенное к нагрузке, силу тока I, проходящего по ней, и угол ϕ сдвига между током и напряжением, можно определить активную, реактивную и полную мощность:
Р = UI cos ϕ ; Q = UI sin ϕ ; S = UI.
Угол ϕ или cos ϕ определяют с помощью фазометра. При отсутствии фазометра полную мощность находят по показаниям вольтметра и амперметра: S = UI. С помощью ваттметра измеряют активную мощность, отсюда: cos ϕ = Р/S; ϕ = arccosP/S; Q = UI sin ϕ .
При включении вольтметра в измеряемую цепь учитывают полярность его выводов (начала токовой обмотки и обмотки напряжения).

Рис. 3 . Схема включения приборов для измерения мощности:
Rн — резистор нагрузки, Rд — добавочный резистор к обмотке напряжения ваттметра.

При равномерной нагрузке мощность в трехфазной сети можно измерить одним ваттметром. Схемы измерения для трехфазной четырехпроводной и трехпроводной сетей показаны на рис. 4, а, б. Когда нулевая точка сети недоступна, создается искусственная нулевая точка, при этом сопротивления должны быть равны: Rдa = Rдд = Rдс. Мощность определяют суммированием показаний всех трех ваттметров.

Рис. 4. Схемы включения ваттметров для измерения активной мощности
трехфазного тока: а — непосредственное, б — с добавочным резистором.

Рис. 5 . Схемы включения двух ваттметров для измерения мощности трехфазного
тока.

Для измерения мощности цепи трехфазного тока чаще всего используют два ваттметра как при симметричной, так и несимметричной загрузке фаз. Три равноценных варианта включения ваттметров при измерении активной мощности показаны на рис. 15.

Активную мощность определяют как сумму показаний двух ваттметров. Реактивную мощность в трехфазной цепи при равномерной загрузке всех трех фаз можно измерить с помощью одного ваттметра (рис. 6, а). Для получения полной реактивной мощности показания одного ваттметра умножают на 3. При равномерной и неравномерной нагрузке реактивную мощность в трех- и четырехпроводной сети определяют с помощью трех ваттметров (рис. 6,6).

Рис 6 . Схемы измерения реактивной мощности в трехфазной сети: а — с помощью одного ваттметра, б — с помощью трех ваттметров.
Для измерения мощности в трехфазных цепях с симметричной нагрузкой используют ваттметровые токоизмерительные клещи (рис. 7). Чаще всего их применяют для определения нагрузки трехфазных двигателей М напряжением 380 и 660 В с доступной нейтралью (рис. 7). В процессе измерения охватывают клещами один из подводящих проводов, причем зажим напряжения, отмеченный звездочкой, соединяют с этим проводом, а зажим «220 В» (в цепи 660 В зажим «380 В») — с нейтралью статорной обмотки. Если показания прибора отрицательные, клещи при охвате провода следует повернуть на 180° либо поменять местами провода цепи напряжения.

Рис. 7 . Измерение мощности трехфазного двигателя с помощью ваттметровых измерительных клещей.
В сетях переменного тока учет вырабатываемой и потребляемой электроэнергии осуществляется с помощью счетчиков индукционной системы, которые изготовляют в одно- и трехфазном исполнении. Последние бывают двух модификаций — для трех- и четырехпроводной сети. Для учета расхода активной и реактивной энергии выпускаются специальные счетчики. Для измерения в трехфазных сетях активной энергии служат счетчики САЗ, СА4, СА4У, реактивной энергии — СРЗ, СР4, СР4У (цифра 3 в обозначении типа счетчика указывает, что он предназначен для трехпроводной сети, 4 — для четырехпроводной). Счетчики СА4У и СР4У выпускаются только для включения с измерительными трансформаторами тока и напряжения, счетчики остальных типов — для прямого включения и с трансформаторами.

Для учета энергии в цепях однофазного тока используют счетчики СО.

Счетчики активной энергии изготовляют классов точности 1,0; 2,0; 2,5, счетчики реактивной энергии—2,0; 2,5; 4,0. Класс точности счетчиков и измерительных трансформаторов, предназначенных для цепей коммерческого и технического учета, должен соответствовать требованиям ПУЭ.
Схемы внутренних соединений трехфазных счетчиков приведены на рис. 8,а — д. Индексами Г и Н обозначены выводы обмоток счетчиков, подключаемые соответственно к питающей стороне схемы и нагрузке.

Рис. 8. Схемы внутренних соединений трехфазных счетчиков: а — активной энергии типа САЗ и САЗУ, б — реактивной энергии типа СРЗ и СРЗУ, в — активной энергии типа СА4 и СА4У, г — реактивной энергии типа СР4 и СР4У с дополнительной последовательной обмоткой, д — реактивной энергии типа СР4 И676 и СР4У-И676, 1 – 10 – номера зажимов.

Схемы включения трехпроводных счетчиков активной энергии типа САЗ и САЗУ и счетчиков реактивной энергии тина СРЗ и СРЗУ приведены на рис. 9, а — в, а схемы включения четырехпроводных счетчиков активной энергии СА4 и СА4У и реактивной энергии СР4 и СР4У — на рис. 10, а — г.

Рис. 9. Схемы включения счетчика активной энергии типа САЗ и САЗУ и счётчика реактивной энергии типа СРЗ, СРЗУ: а — непосредственное включение, б — с трансформаторами тока, в — с трансформаторами тока и напряжения.

Рис. 10. Схемы включения счетчика активной энергии типа СА4 и СА4У и счетчика реактивной энергии типа СР4, СР4У, СР4-И676 и СР4У-И676: а — непосредственное включение, б — с трансформаторами тока, в — с трансформаторами тока и напряжения в трехпроводной цепи, г — с трансформаторами тока и напряжения и четырехпроводной цепи (в реактивных счетчиках зажимы 10 отсутствуют).

Иногда при наладочных работах счетчики используют для измерения мощности. Рассмотрим пример определения мощности, потребляемой двигателем, с помощью трехфазного счетчика. Отсчитываем число оборотов диска за промежуток времени t (обычно достаточно 20—40 с, отсчитанных по секундомеру); нагрузка двигателя за этот промежуток не должна меняться. Если на табличке счетчика, например типа САЗУ, указано 1 кВт . ч = n оборотов диска, то мощность, кВт:

где Kтт и Kтн — соответственно коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения.

Источник

Измерение тока и напряжения

Схемы включения амперметра и вольтметра

Измерение тока и напряженияПоказание амперметра определяется током в его измерительном механизме. Поэтому для измерения тока в каком-либо участке электрической цепи, приемнике или гене раторе амперметр надо включить так, чтобы измеряемый ток проходил через него. Следовательно, амперметр включается последовательно с приемником, генератором или участком цепи (рис. 7-7).

Рис. 7-7. Включение амперметров и вольтметров.

Включение амперметра не должно изменить режим работы цепи» следовательно, сопротивление его должно быть малым по сравнению с сопротивлением приемника или участка цепи. При малом сопротивлении амперметра (ra) и номинальном токе его (Ia, н) мала и номинальная мощность потерь в нем

Е сли измеряемый ток больше номинального тока изме рительного механизма (амперметра), то для расширения предела измерения тока в цепях постоянного тока применяют шунты, рассмотренные ниже, а в цепях переменного тока — трансфо рматоры тока .

Показание вольтметра определяется напряжением на его зажимах. Поэтому для измерения напряжения на зажимах приемника или генератора необходимо его зажимы соединить с зажимами вольтметра, т. е. присоединить вольтметр п араллельно потребителю или генератору (рис. 7-7).

Сопротивление вольтметра должно быть большим по сравнению с сопротивлением приемника энергии (генератора), параллельно которому он включается с тем, чтобы его включение не влияло на измеряемое напряжение (на режим работы цепи). При большом сопротивлении вольтметра (ra) номинальный ток ero( Iв, н) мал, мала и номинальная мощность потерь в нем (Р в, н), так как

Напряжение на зажимах измерительного механизма

Так как сопротивление медной обмотки измерительного механизма rи изменяется на 4% при изменении температуры на 10° С, то напряжение Uи не пропорционально току Iи, а следовательно, и углу поворота подвижной части. Таким образом, точное измерение напряжения невозможно.

Включив последовательно с измерительным механизмом большое добавочное сопротивление (rД > rи ) из манганина, температурный коэффициент которого близок к нулю, получим сопротивление вольтметра r в= rи+ rД практически независимым от температуры.

Таким образом, угол поворота подвижной части вольтметра будет пропорционален не только току, но и напряжению на зажимах

Добавочное сопротивление, кроме того, применяется для увеличения номинального напряжения вольтметра, так как номинальное напряжение измерительного механизма обычно мало.

Для расширения предела измерения напряжения в цепях переменного тока высокого напряжения наряду с добавочным сопротивлением применяют измерительные трансформаторы напряжения.

Из изложенного следует, что амперметр и вольтметр могут иметь измерительные механизмы одинакового устройства, отличающиеся только своими параметрами. Но амперметр и вольтметр по разному включаются в измеряемую цепь и имеют разные внутренние измерительные схемы.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры

Выше указывалось, что наибольший номинальный ток, на который изготовляются магнитоэлектрические измерительные механизмы, не превышает 100 ма. Таким образом, магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов (гальванометры, микроамперметры, миллиамперметры) представляют собой измерительный механизм, катушка которого присоединена к зажимам прибора, расположенным на его корпусе, а на шкалах непосредственно наносятся значения измеряемого тока.

Измерительный механизм с шунтом

Рис. 7 -8. Измерительный механизм с шунтом.

Магнитоэлектрический амперметр представляет собой измерительный механизм той же системы с ш унтом для расширения предела измерения тока. Шунт присоединяется параллельно измерительному механизму (рис. 7-8).

Измеряемый ток в узле а делится на две части: ток шунта Iɯ и ток измерительного механизма Iи. Падение напряжения на разветвлении (рис. 7-8)

Амперметр с многопредельным шунтом

Рис. 7-9. Амперметр с многопредельным шунтом.

При постоянных значениях сопротивления шунта rш и сопротивлении измерителя r и измеряемым током I и током измерительного механизма Iи будет постоянное отношение р.. Следовательно, по углу поворота подвижной части измерительного механизма можно определять измеряемый ток. Шунты должны иметь достаточное сечение, исключающее возможность их нагревания и связанных с этим погрешностей, Шунты на токи до 25—50 а обычно помещаются в кожухе прибора, а на большие токи — вне прибора отдельно от него.

Технические амперметры имеют однопредельные шунты, а образцовые и лабораторные—многопредельные (рис. 7-9).

Рис. 7-10. Измерительный механизм с добавочным сопротивлениемИзмерительный механизм с добавочным сопротивлением

Различные пределы измерения получаются изменением сопротивления шунта при перестановке штепселя из одного гнездами другое. Магнитоэлектрический вольт метр представляет собой измерительный механизм той же системы с добавочным сопротивле нием для расширения предела измерения напряжения (рис. 7-10). На шкале вольтметра наносятся деления, дающие значения напряжения на его зажимах:

которое больше напряжений на измерительном механизме

Технические вольтметры имеют однопредельное, а образцовые и лабораторные — многопредельные добавочные сопротивления (рис. 7-11). Различные номинальные напря жения получаются использованием различных добавочных сопротивлении, что достигается переносом одного из проводов с одного зажима вольтметра на другой, или переключением переключателя или штепселя.

Вольтметр с многопредельным добавочным сопротивлением

Рис 7-11. Вольтметр с многопредельным добавочным сопротивлением.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры изготовляются как образцовые и лабораторные (класс точности 0,1—0,5), так и технические (класс 1—2,5).

Они обладают высокой чувствительностью, малым влиянием внешних магнитных полей, незначительным влиянием температуры, малой мощностью потерь, чувствительностью к перегрузкам.

Выпрямительные амперметры и вольтметры

Выпрямительные амперметры представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковым выпрямителем (рис. 7-12).

В течение одного пол у пер иода ток идет по пути абгв, в течение второго пол у периода по пути вбга. Следовательно, через измерительный механизм в течение каждого полупериода переменного тока проходит полуволна тока одного и того же направления. Средний вращающий момент и угол поворота подвижной части зависят от среднего тока, а этот последний при синусоидальном токе пропорционален действующему значению тока, значения которого и наносятся на шкале амперметра.

Расширение предела измерения тока достигается применением шунтов.

Рис. 7-12. Схема выпрямительного амперметра и кривая тока в измерительном механизме.

Выпрямительные вольтметры представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковым выпрямителем и добавочным сопротивлением (рис. 7-13).

Угол поворота подвижной части, как и у амперметра, при синусоидальной измеряемой величине пропорционален действующему значению тока, а при постоянном сопротивлении вольтметра — действующему значению напряжения, которые и наносятся на шкале вольтметра.

Выпрямительные амперметры и вольтметры имеют класс точности 1,5—2,5. Они применяются главным образом в цепях переменного тока повышенной частоты до 10 кгц.

Схема выпрямительного вольтметра

Рис 7.13 Схема выпрямительного вольтметра

Термоэлектрические амперметры и вольтметры

Термоэлектрический амперметр представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с термопреобразователем (рис. 7-14), а вольтметр, кроме того, имеет добавочное сопротивление.

Два сваренных конца двух проводов из разных металлов называются термопарой. Несваренные концы термопары называются с в о б о д н ы м и, сваренные — рабочими .

При нагреве рабочих концов термопары на свободных концах появится разность потенциалов называемая термоэлектродвижущей силой — термо-э д. с. Термо-э. д. с. зависит от металлов, образующих термопару, и разности температур между рабочими и свободными концами термопары, а при постоянной температуре свободных концов — от температуры рабочего конца термопары. Приварив к рабочему концу термопары проводник — нагреватель, получим термопреобразователь.

Термоэлектрический амперметр

Рис. 7-14. Термоэлектрический амперметр.

При прохождении переменного тока по нагревателю он нагревается, нагревает рабочий конец термопары и на свободных концах ее появится термо-э. д. с. Если к этим концам присоединен измерительный механизм, то в нем появится ток и подвижная часть повернется на угол зависящий как от термо-э. д. с., так и от измеряемого переменного тока, проходящего по нагревателю. На шкале амперметра наносятся действующие значения тока.

Вольтметр отличается от амперметра добавочным сопротивлением, соединенным последовательно с нагревателем термопреобразователя. В этом случае угол поворота подвижной части зависит не только от тока, но и от напряжения на зажимах вольтметра. На шкале наносится действующее значение этого напряжения.

Точность термоэлектрических приборов соответствует классам 1 ,5—2,5.

Термоэлектрические приборы применяются в цепях переменного тока повышенной и высокой частоты (до 10— 50 Мгц).

Электромагнитные амперметры и вольтметры

Показание электромагнитного измерительного механизма зависит от тока в его катушке, значения которого и наносятся на шкале амперметра. Катушка электромагнитного амперметра неподвижна вес ее не влияет на погрешность от трения, поэтому она может быть изготовлена из провода любого сечения и, следовательно, на любой номинальный ток. Щитовые амперметры изготовляются нашими заводами на номинальный ток до 300 а.

Схема электродинамического миллиамперметра

Рис. 7-15. Схема электродинамического миллиамперметра.

Электромагнитный вольтметр состоит из одноименного измерительного механизма на номинальный ток 20—30 ма и последовательно соединенного с ним добавочного сопротивления из манганина (рис. 7-10). Добавочное сопротивление — активное и несоизмеримо больше реактивного сопротивления катушки измерительного механизма, поэтому общее сопротивление вольтметра практически активное и мало зависит от рода тока и частоты. При постоянном сопротивлении вольтметра угол поворота подвижной части зависит не только от тока в катушке, но и пропорционального ему напряжения на зажимах вольтметра, значения которого и наносятся на шкале прибора.

Электромагнитные амперметры и вольтметры широко применяются в установках переменного тока технической частоты как щитовые, приборы классов точности 1,5—2,5. Наша промышленность наряду с техническими приборами выпускает также переносные амперметры и вольтметры для постоянного и переменного тока класса точности 0,5,

Электродинамические и ферродинамические амперметры и вольтметры

Электродинамический амперметр представляет собой измерительный механизм того же названия, катушки которого соединены последовательно или параллельно в зависимости от его номинального тока, а на шкале нанесены деления, соответствующие значениям тока, проходящего по амперметру.

Подвижная катушка для уменьшения погрешности от трения делается легкой из провода малого сечения на номинальный ток не выше 100 ма. Неподвижную катушку изготовляют из провода разного сечения в зависимости от номинального тока, который может быть 5 а и выше. Поэтому в миллиамперметрах катушки соединяются последовательно (рис. 7-15), а в амперметрах — параллельно (рис. 7-16).

Схема электродинамического амперметра

Рис. 7-16. Схема электродинамического амперметра.

При последовательном соединении катушек токи в них одинаковы и совпадают по фазе, следовательно, угол по ворота подвижной части прибора пропорционален квадрату тока

При параллельном соединении катушек амперметра и постоянных сопротивлениях ветвей каждый из токов катушек I1 и I2 пропорционален измеряемому току I Если, кроме того, активные и реактивные сопротивления ветвей подобраны так, что токи I1 и I2 совпадают по фазам (Ψ — 0), то как и в предыдущем случае угол поворота подвижной части амперметра будет пропорционален квадрату измеряемого тока, т. е.

Электродинамические вольтметры состоят из измерительного механизма того же названия, катушки которого изготовлены из провода малого сечения на номинальный ток 20—50 ма и соединены последовательно между собой и с добавочным сопротивлением (рис. 7-17).

Схема электродинамического вольтметра

Рис. 7-17. Схема электродинамического вольтметра.

Добавочное сопротивление предназначено для расширения предела измерения напряжения и уменьшения влияния температуры, рода тока и частоты на показание вольтметра.

Электродинамические амперметры и вольтметры изготовляются в качестве образцовых и лабораторных приборов (класс точности 0,1—0,5) для цепей переменного тока стандартной и повышенной частоты до 2 000 гц. Электродинамические приборы обладают высокой точностью и пригодны для постоянного и переменного тока.

Они чувствительны к перегрузкам и к влиянию внешних магнитных полей.

Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют те же внутренние измерительные схемы, что и электродинамические приборы. Они применяются главным образом как самопишущие приборы для цепей переменного тока. Ферродинамические приборы обладают невысокой точностью (класс точности 1,5—2,5), большим вращающим моментом, прочной и надежной конструкцией. Они практически не чувствительны к влиянию внешних магнитных полей.

Статья на тему Измерение тока и напряжения

Источник

Методы измерения мощности в электрических цепях

Очень часто при проектировании электрических схем радиолюбители сталкиваются с проблемой измерения мощности, которую потребляют радиокомпоненты. Специалисты в метрологической сфере рекомендуют два метода, позволяющих вычислить и грамотно рассчитать ее значение. В этом случае нужно разобрать подробнее физический смысл величины, а также ее составляющих, от которых она зависит.

Измерение мощности

Общие сведения

При проектировании устройств нужно уметь правильно рассчитывать мощность электроэнергии электрооборудованием. Это необходимо, прежде всего, для долговечной работы устройства. Если изделие работает на износ, то оно способно выйти из строя сразу или в течение некоторого времени.

Такой вариант считается недопустимым, поскольку существуют виды техники, которые должны работать без отказов (аппарат искусственного дыхания, контроль уровня метана в шахте и так далее), так как от этого зависит человеческая жизнь. К основным характеристикам электрической энергии относятся следующие: мощность, сила тока, напряжение (разность потенциалов) и электропроводимость (сопротивление) материалов.

Мощность потребителя

 измерение мощности в цепях переменного тока

Мощность не следует путать с электрической энергией. Единицей измерения первой является ватт (Вт), название которой произошло от фамилии известного физика Джеймса Уатта. Физическим смыслом 1 Вт является расход электрической энергии за единицу времени, равной 1 секунде (1 Вт = расход 1 джоуля за 1 секунду). Существуют производные единицы измерения: милливатт (1 мВт = 0,001 Вт), киловатт (1 кВт = 1000 Вт), мегаватт (1 МВт = 1000 кВт = 1000000 Вт), гигаватт (1 ГВт = 1000 МВт = 1000000 кВт = 1000000000 Вт) и так далее. Для измерения электрической энергии применяются специальные счетчики, а ее единицей измерения является Вт*ч.

Ватт можно связать с некоторыми физическими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr (c)) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее числовое значение называется электрической лошадиной силой. Ваттметр — измеритель электрической мощности. Однако ее величину можно определить и другим способом. Для этого следует разобрать физические величины, от которых она зависит.

Сила тока

Измерение электрической энергии

Количество электрического заряда, который проходит через токопроводящий материал за единицу времени, называется силой электрического тока. Сокращенно величину называют силой тока или током. Она обозначается литерами «I» или «i» и имеет направление (векторная величина). Измеряется ток в амперах (А). Существуют также производные единицы, образованные при помощи приставок: 1 мА = 0,001 А, 1 кА = 1000 А и так далее. Измерить его значение можно амперметром. Для этого его нужно подключать последовательно в электрическую цепь.

Физическим смыслом тока в 1 А является прохождение электрического заряда в 1 Кл (кулон) за 1 секунду через площадь поперечного сечения S. В 1 кулоне содержится примерно 6,241*10^(18) электронов.

Ток в научной интерпретации классифицируется на постоянный и переменный. Первый вид не изменяет своего направления за единицу времени, но его амплитудные значения могут изменяться. Направление и амплитуда переменного тока изменяется по определенному закону (синусоидальный и несинусоидальный). Основным параметром считается его частота. Определяется тип переменного тока с помощью осциллографа.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение

Из курса физики известно, что каждое вещество состоит из атомов, которые обладают нейтральным зарядом. Они состоят из субатомных частиц. К ним относятся следующие: протоны, электроны и нейтроны. Первые имеют положительный заряд, вторые — отрицательный, а третьи — не заряжены вообще.

Суммарный заряд протонов компенсирует заряд всех электронов. Однако под действием внешних сил это равенство нарушается, и электрон «вырывается» из атома, который уже обладает положительным зарядом. Он притягивает электрон с соседнего атома, и процесс повторяется до тех пор, пока энергия не будет минимальной (меньше энергии «вырывания» электрона).

При межатомном взаимодействии образуется электромагнитное поле с отрицательной или положительной составляющими. Разность между двумя точками противоположных по знаку составляющих называется электрическим напряжением. Работа электромагнитного поля по перемещению точечного электрического заряда из точки А в точку В называется разностью потенциалов. Физический смысл напряжения (U): разность потенциалов в 1 В между двумя точечными зарядами в 1 Кл, на перемещение которых тратится энергия электромагнитного поля, равная 1 Дж.

Единицей измерения является вольт (В). Определить значение разности потенциалов можно с помощью вольтметра, который подключается параллельно. Производными единицами измерения считаются следующие: 1 мВ = 0,001 В, 1 кВ = 1000 В, 1 МВ = 1000 кВ = 1000000 В и так далее.

Сопротивление электрической цепи

Электропроводимость материала зависит от нескольких факторов: электронной конфигурации, типа вещества, геометрических параметров и температуры. Сведения об электронной конфигурации вещества можно получить из периодической таблицы Д. И. Менделеева. Согласно этой информации вещества бывают:

  1. Проводниками.
  2. Полупроводниками.
  3. Диэлектриками.

К первой группе следует отнести все металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) и ионизированные газы. Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. В растворах их роль выполняют ионы, которые бывают положительными (анионы) и отрицательными (катионы). Свободными носителями заряженных частиц в газах считаются свободные электроны и положительно заряженные ионы.

Полупроводники проводят электричество только при определенных условиях. Например, при воздействии на него внешних сил. Под их действием кулоновские связи электрона с ядром уменьшаются. При этом отрицательно заряженная частица «вырывается». На ее месте образуется «дырка», обладающая положительным зарядом. Она притягивает соседний электрон, вырывая его с атома. В результате этого осуществляется движение электронов и дырок. Изоляторы или диэлектрики вообще не проводят электричество. К ним относятся материалы без свободных носителей заряда, а также инертные газы.

Сопротивление электрической цепи

В проводниках при повышении температурных показателей происходит рост величины сопротивления. При этом происходит разрушение и искажение кристаллической решетки. Заряженные частицы сталкиваются (взаимодействуют) с атомами и другими частицами материала. В результате их движение замедляется, но потом снова возобновляется под действием электромагнитного поля. Процесс этого «взаимодействия» называется электрической проводимостью вещества. Однако в полупроводниках при повышении температуры эта величина уменьшается. К геометрии материалов следует отнести следующие: длину и площадь поперечного сечения.

Сопротивление измеряется в Омах (Ом) при помощи омметра, который подсоединяется параллельно к участку цепи или радиодетали. Существуют производные единицы измерения: 1 кОм = 1000 Ом, 1 МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом.

Методы измерения

Методы измерения тока

Мощность можно определить двумя способами: косвенным и прямым. В первом случае это делается при помощи амперметра и вольтметра, а также осциллографа. Измеряются значения напряжения и тока, а затем по формулам вычисляется мощность. Этот способ имеет один недостаток: величина мощности получается с некоторой погрешностью.

При использовании прямого метода используется специальный прибор-измеритель. Он называется ваттметром и показывает мгновенное значение мощности. У каждого из способов есть свои достоинства и недостатки. Какой из методов наиболее оптимален, определяет сам радиолюбитель. Если проектируется какое-либо изделие, которое отличается надежностью, то следует применять прямой метод. В других случаях рекомендуется воспользоваться косвенным методом.

Косвенный способ

Мощность в цепях постоянного и переменного токов определяется различными способами. Для каждого случая существуют свои законы и формулы. Однако мощность можно не рассчитывать, поскольку она указана на электрооборудовании. Расчет применяется только при проектировании устройств.

Для цепей постоянного тока нужно воспользоваться формулой: P = U * I. Ее можно вывести из закона Ома для участка или полной цепи. Если рассматривается полная цепь, то формула принимает другой вид с учетом ЭДС (е): P = e * I. Основные соотношения для расчета:

  1. Для участка электрической цепи: P = I * I * R = U * U / R.
  2. Для полной цепи, в которой подключен электродвигатель или выполняется зарядка аккумулятора (потребление): P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
  3. В цепи присутствует генератор или гальванический элемент (отдача): P = I * (e + (I * Rвн)).

Эти соотношения невозможно применять для цепей переменного тока, поскольку он подчиняется другим физическим законам. При измерении мощности в цепях переменного тока следует учитывать ее составляющие (активная, реактивная и полная). Если в цепи присутствует только резистор, то мощность считается активной. При наличии емкости или индуктивности — реактивной. Полная — сумма активной и реактивной составляющих.

Для вычисления первого типа физической величины применяется формула такого вида: Ра = I * U * cos (a). Значения тока и напряжения являются среднеквадратичными, а cos (a) — косинус угла между ними. Для определения реактивной мощности нужно воспользоваться следующей формулой: Qр = I * U * sin (a). Если нагрузка в цепи является индуктивной, то значение будет больше 0. В противном случае — меньше 0. Полная мощность Р определяется по следующему соотношению: P = Pa + Qp.

Прямое определение величины

Для определения значения мощности в цепях переменного и постоянного тока применяются ваттметры. В них используются электродинамические или ферроидальные механизмы. Приборы с электродинамическим механизмом выпускаются в виде переносных приборов. Они обладают высоким классом точности. Измерители мощности рекомендуется применять при выполнении точных расчетов для цепей постоянного и переменного тока с частотой до 5 кГц.

Измерительные приборы

Ферродинамические приборы изготавливаются в виде электронных узлов, которые вставляются в измерительные стенды или щитовые. Основное их назначение — контроль приблизительных параметров потребления мощности электрооборудованием. Они обладают низким классом точности и применяются для измерения значений мощности переменного тока. При постоянном токе погрешность увеличивается, поскольку это обусловлено искажением петли гистерезиса ферромагнитных сердечников.

По диапазону частот приборы можно разделить на две группы: низкочастотные и радиочастотные. Ваттметры низких частот применяются в сетях промышленного питания переменного тока. Радиочастотный тип рекомендуется применять для точных измерений при проектировании различной техники. Они делятся на две категории по мощности:

  1. Проходящие.
  2. Поглощающие.

Первый вид подключается в разрыв линии, а второй — в ее конец в качестве нагрузки согласования. Кроме того, приборы для измерения мощности бывают аналоговыми и цифровыми.

Ваттметр прибор

При измерении мощности на высоких частотах применяются электронные и термоэлектронные ваттметры. Главным узлом считается микроконтроллер и преобразователь активной мощности. Последний преобразовывает переменный ток в постоянный. После этого происходит перемножение в микроконтроллере силы тока и напряжения. Результатом является сигнал на выходе, который зависит от I и U.

Ваттметр состоит из двух катушек. Первая из них подключается последовательно в цепь нагрузки, а другая (подвижная с резистором) — параллельно. В цифровых моделях роль катушек выполняют датчики тока и напряжения. Прибор имеет две пары зажимов. Одна пара применяется для последовательной цепи, а другая — для параллельной. Для правильного включения ваттметра выполняется обозначение * одной из двух пар зажимов.

Таким образом, для измерения мощности электрического тока применяются два метода. Первый из них является косвенным, а второй — прямым. Последний рекомендуется применять при проектировании сложной техники.

Источник



Измерение силы тока, напряжения и мощности в электрических цепях.

Д/З. Попов В.С. Общая электротехника с ОЭ.§8.4 — §8.8.

1. Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Рис.1.

Измерение силы тока и напряжения амперметром и вольтметром.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RV. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1, это условие записывается в виде:

Это условие означает, что ток: IV = , протекающий через вольтметр, много меньше тока I = , который протекает по тестируемому участку цепи.

Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметрпредназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1. сопротивление амперметра должно удовлетворять условию RA

Амперметр и вольтметр приборы, которые могут быть устроены на базе одно итого же прибора магнитоэлектрической системы, который называют гальванометром:

Рис.2.Гальванометр.

Любой гальванометр, имеет проволочную катушку, обладающую сопротивлением RГ. Если к гальванометру подключить последовательно добавочное сопротивление, то его можно использовать как вольтметр, подключая его, вместе с добавочным сопротивлением, параллельно участку цепи:

Рис.3.Подключение добавочного сопротивления к гальванометру.

Rд = Rг(n – 1), где n = , отношение напряжения которое необходимо измерить к напряжению которое приходится на катушку гальванометра.

В соответствии с законами последовательного соединения и законом Ома для участка цепи имеем:

= , = ,

UUг = Rд , ‒ 1 = , n ‒ 1 = ,

Если к гальванометру подключить параллельно сопротивление (шунт), то его можно использовать как амперметр, подключая его, вместе с шунтом, параллельно участку цепи:

Рис.4.Подключение шунта к гальванометру.

IшRш= IгRг , (IIг )⋅ Rш= IгRг, ( ‒1)⋅ Rш= IгRг,

Rш = , где n = , отношение cилы тока которую необходимо измерить к силе тока которая приходит через катушку гальванометра.

2. Измерение мощности.

Мощность в электрической цепи можно измерить помощью амперметра и вольтметра.

Зная показания амперметра и вольтметра по формуле:

P = U∙I — определяем мощность в электрической цепи.

Мощность в электрической цепи можно определить, используя ваттметр электродинамической системы.

.

Рис.6.Схема соединения катушек Рис.7.Схема включения катушек

электродинамического ваттметра. электродинамического ваттметра.

Катушка вывод (вывод её обозначается *), которой подключается последовательно к источнику тока (генератору) называется токовой.

Катушка, которая подключается параллельно нагрузке, называется катушкой напряжения. Один из выводов этой катушки обозначается *и соединяется с выводом токовой катушки, обозначенной звёздочкой*. Шкала такого прибора проградуирована в ваттах (Вт).

Источник

Читайте также:  Электрический ток в проводнике направлен от в отсутствие