|
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. 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 U(t).
Максимальное значение – это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний = 0,707и = 0,637.
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. Точность таких приборов крайне низка, если сигнал не синусоидальный.
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 резисторов и шунтов такими приборами можно измерять ток и напряжение в достаточно широких пределах.
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 0,009%.
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%.
Для оценки величины переменного тока и напряжения используют понятия действующего, амплитудного и среднего значений. Для этой цели используют приборы различных систем, но при использовании приборов магнитоэлектрической системы требуется применение дополнительных преобразователей из переменного тока в постоянный.
При измерении токов свыше 250…300 А амперметры электромеханической системы непосредственно в цепь не включаются из-за сильного влияния на показания приборов магнитного поля токоподводящих проводов и значительного нагрева шин. Расширение диапазона измеряемых токов и напряжений производится в основном при помощи измерительных трансформаторов. Для защиты приборов от внешних магнитных и электрических поле применяется экранирование. На переменном токе необходимо учитывать и частотную составляющую погрешности измерений.
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 нагревателем (длиной 0,5–1 см), к средней части которой прикреплен спай термопары в виде маленькой бусинки, обеспечивающей тепловой контакт и электроизоляцию термопары с токопроводом. При повышении температуры, пропорциональным эффективному значению тока в нагревателе, на выходе термопары возникает термо-ЭДС. Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц.
На рис. 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 выдает напряжение постоянного тока, затем прибор измеряет выходной постоянный ток.
Рис. Тепловой электроизмерительный прибор для измерения эффективных значений напряжения и силы переменного тока.
С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно превратить в вольтметр. Тепловые электроизмерительные приборы непосредственно измеряют токи от 2 до 500 мА, поэтому для измерения токов большей силы необходимо использовать резисторные шунты.
|