Измерение тока и напряжения кратко
Обновлено: 04.07.2024
Нагрузка в электрической цепи характеризуется силой тока, измерение тока в амперах. Силу тока иногда приходится измерять для проверки допустимой величины нагрузки на кабель. Для прокладки электрической линии применяются кабели разного сечения. Если кабель работает с нагрузкой выше допустимой величины, то он нагревается, а изоляция постепенно разрушается. В результате это приводит к короткому замыканию и замене кабеля.
Способы измерения тока
Для измерения силы тока в электрической цепи, необходимо один вывод амперметра или другого прибора, способного измерять силу тока, подключить к положительной клемме источника тока или блока питания, а другой вывод к проводу потребителя. После этого можно делать измерение тока.
При измерениях необходимо соблюдать аккуратность, так как при размыкании действующей электрической цепи может возникнуть электрическая дуга.
Для измерения силы тока электрических устройств, подключаемых непосредственно к розетке или кабелю бытовой сети, измерительный прибор настраивается на режим переменного тока с завышенной верхней границей. Затем измерительный прибор подключают в разрыв провода фазы.
Все работы по подключению и отключению допускается производить только в обесточенной цепи. После всех подключений можно подавать питание и измерять силу тока. При этом нельзя касаться оголенных токоведущих частей, во избежание поражения электрическим током. Такие методы измерения неудобны и создают определенную опасность.
Значительно удобнее проводить измерения токоизмерительными клещами, которые могут выполнять все функции мультиметра, в зависимости от исполнения прибора. Работать такими клещами очень просто. Необходимо настроить режим измерения постоянного или переменного тока, развести усы и охватить ими фазный провод. Затем нужно проконтролировать плотность прилегания усов между собой и измерить ток. Для правильных показаний необходимо охватывать усами только фазный провод. Если охватить сразу два провода, то измерения не получится.
Токоизмерительные клещи служат только для замеров параметров переменного тока. Если их использовать для измерения постоянного тока, то усы сожмутся с большой силой, и раздвинуть их можно будет только, отключив питание.
Измерение тока рекомендуется делать в следующих случаях:
- После прокладки нового кабеля необходимо измерить проходящий через него ток при всех работающих электрических устройствах.
- Если к старой электропроводке подключена дополнительная нагрузка, то также следует проверить величину тока, которая не должна превышать допустимые пределы.
- При нагрузке, равной верхнему допустимому пределу, проверяется соответствие тока, протекающего через электрические автоматы. Его величина не должна превышать номинальное значение рабочего тока автоматов. В противном случае автоматический выключатель обесточит сеть из-за перегрузки.
- Измерение тока также необходимо для определения режимов эксплуатации электрических устройств. Измерение токовой нагрузки электродвигателей выполняется не только для проверки их работоспособности, но и для выявления превышения нагрузки выше допустимой, которая может возникнуть из-за большого механического усилия при работе устройства.
- Если измерить ток в цепи работающего обогревателя, то он покажет исправность нагревательных элементов.
- Работоспособность теплого пола в квартире также проверяется измерением тока.
Мощность тока
Мощность рассчитывается путем перемножения напряжения сети на силу тока, потребляемого подключенными электрическими устройствами: Р = U х I. Обычно на электроприборах указывают потребляемую мощность, с помощью которой можно определить ток. Если ваш телевизор имеет мощность 140 Вт, то для определения тока делим эту величину на 220 В, в результате получаем 0,64 ампера. Это значение максимального тока, на практике ток может быть меньше при снижении яркости экрана или других изменениях настроек.
Из-за блокировщика рекламы некоторые функции на сайте могут работать некорректно! Пожалуйста, отключите блокировщик рекламы на этом сайте.
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры .
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 . 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. 1.8.4, это условие записывается в виде:
| | >> 1. | |
Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.
Амперметр предназначен 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 . В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию
| | , | |
Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.
Для измерения токов и напряжений в электрических цепях используются амперметры и вольтметры, основным элементом которых служит гальванометр – прибор, предназначенный для измерения величин токов. Эти измерения могут быть основаны на одном из действий тока: тепловом, физическом, химическом. Гальванометр, градуированный на величину тока, называется амперметром. По закону Ома (8) напряжение и сила тока связаны прямо пропорциональной зависимостью, поэтому гальванометр можно градуировать и на напряжение. Такой прибор называют вольтметром.
В этом задании мы не будем касаться вопросов, связанных с конкретным устройством электроизмерительных приборов, с их системами и принципами работы. Остановимся лишь на требованиях, предъявляемых к внутренним сопротивлениям амперметров и вольтметров. Важно, чтобы при включении в цепь для измерений эти приборы вносили как можно меньшее искажение в измеряемую величину.
Амперметр включается в цепь последовательно. Если сопротивление амперметра `R_"а"` и его подключают к участку цепи с сопротивлением `R_"ц"` (рис. 7а), то эквивалентное сопротивление участка цепи и амперметра в соответствии с (13) равно `R=R_"ц"+R_"а"=R_"ц"(1+(R_"а")/(R_"ц"))`.
Отсюда следует, что амперметр не будет заметно изменять сопротивление участка цепи, если его собственное (внутреннее) сопротивление будет мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.
Чтобы добиться этого, гальванометр снабжают шунтом (синоним – добавочный путь): вход и выход гальванометра соединяются некоторым сопротивлением, обеспечивающим параллельный гальванометру дополнительный путь для тока (рис. 7 б). Поэтому внутреннее сопротивление амперметра меньше, чем у применённого в нём гальванометра. (Читателю рекомендуется лично убедиться в этом с помощью соотношения (14).) Амперметр называется идеальным, если его внутреннее сопротивление можно считать равным нулю.
Вольтметр подключается к электрической цепи параллельно тому участку, напряжение на котором требуется измерить. Присоединив, например, вольтметр с сопротивлением `R_"в"` параллельно лампочке с сопротивлением `R_"л"` (рис. 8 а), получим участок цепи, эквивалентное сопротивление которого вычисляется по формуле (14) `R=R_"л" (R"в")/(R_"л"+R_"в")`.
Отсюда следует, что чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением лампочки, тем меньше эквивалентное сопротивление будет отличаться от сопротивления лампочки. Вывод: чтобы процесс измерения меньше искажал значение измеряемого напряжения, собственное (внутреннее) сопротивление вольтметра должно быть как можно больше. Поэтому в вольтметре последовательно гальванометру включают некоторое сопротивление (рис. 8б). Внутреннее сопротивление такого вольтметра, как правило, во много раз больше сопротивления входящего в него гальванометра. Вольтметр называется идеальным, если его внутреннее сопротивление можно считать бесконечно большим.
Каждый измерительный прибор рассчитан на определённый интервал значений измеряемой величины. И в соответствии с этим проградуирована его шкала. Для расширения пределов измерений в амперметре можно использовать добавочный шунт, а в вольтметре – добавочное сопротивление. Найдём значения этих сопротивлений, увеличивающих максимальную измеряемую величину тока или напряжения в раз.
В повседневной практике для технических измерений электрических токов и напряжений применяют чаще всего стрелочные приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.
Магнитоэлектрический измерительный механизм. Работа магнитоэлектрического измерительного механизма основана на взаимодействии постоянного магнитного поля и электрического тока. Одна из конструктивных схем показана на (рис. 6.7.)
В магнитную цепь прибора входят: сильный постоянный магнит 1, ярмо 2, полюсные наконечники 3, сердечник 4. В воздушных зазорах между полюсными наконечниками и сердечником создается равномерное радиальное магнитное поле. Этого достигают путем соответствующего оформления и тщательной обработки полюсных наконечников. Вокруг оси 6 и сердечника в пределах угла 90° может поворачиваться катушка 5, т. е. обмотка из медного изолированного провода на легком алюминиевом каркасе в виде рамки.
Если в катушке имеется ток 1к, тона каждый ее проводник длиной l со стороны магнитного поля действует электромагнитная сила Fм = BIKl [см. формулу (3.24)].
Относительно оси рамки создается вращающий момент Мвр = = NSBIк, где N — число витков обмотки; S—площадь рамки; В — магнитная индукция — величины, постоянные для данного прибора. Поэтому Мвр=kврIк Противодействующий момент Mпр = kпрα создается пружинами.
Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую чувствительность, малое собственное потребление энергии, малую зависимость показаний от внешних магнитных полей. Эти преимущества обеспечиваются тем, что постоянный магнит создает сильное магнитное поле, а магнитопровод является одновременно магнитным экраном; подвижная часть механизма очень легкая.
Вместе с тем направление вращающего момента зависит от направления тока в катушке, а это значит, что магнитоэлектрические приборы можно использовать только в цепях постоянного тока. Легкая конструкция подвижной части не допускает механической и электрической перегрузок.
Для использования преимуществ магнитоэлектрического измерительного механизма в цепях переменного тока его соединяют с выпрямителем на полупроводниковых вентилях. При этом сохраняются высокая чувствительность, малое потребление энергии, но точность значительно снижается из-за несовершенства выпрямителя.
Электромагнитный измерительный механизм. Подвижный ферромагнитный сердечник в магнитном поле перемещается в такое положение, при котором магнитный поток в электромагнитном устройстве будет наибольшим.
Это лежит в основе действия электромагнитного измерительного механизма, одна из конструктивных схем которого показана на рис. 6.8.
Ток Iк в неподвижной катушке 1 создает магнитное поле, под действием которого подвижный сердечник 4 в форме лепестка из магнитомягкого ферромагнетика, укрепленный эксцентрично на оси 5, втягивается в узкую щель внутрь катушки. Ось поворачивается и поворачивает укрепленную на ней стрелку.
При более подробном рассмотрении вопроса можно доказать, что вращающий момент в данном случае пропорционален квадрату тока в катушке Mвp=k2вpI 2 к , а противодействующий момент пружины 6 Mпр=k2вpα.
Направление вращающего момента в приборах электромагнитной системы не зависит от направления тока, так как при любом знаке тока момент положительный. Отсюда следует, что электромагнитные приборы можно изготовлять для измерения в цепях постоянного и переменного тока.
Однако в цепи постоянного тока электромагнитный прибор может давать разные показания (до 2%) при одной и той же измеряемой величине, что связано с влиянием магнитного гистерезиса.
При переменном токе на точность электромагнитных приборов отрицательно влияют потери от гистерезиса и вихревых токов в сердечниках. К недостаткам электромагнитной системы надо отнести также значительное влияние внешних магнитных полей на показания приборов, относительно большое собственное потребление энергии, неравномерность шкалы.
Несмотря на отмеченные недостатки, электромагнитные приборы — простые по устройству, дешевые, устойчивы к перегрузкам, широко применяются, особенно в качестве технических щитовых приборов в цепях переменного тока.
Измерение тока и напряжения. Предположим, что измеряемой величиной является ток I. Этот ток или некоторая часть его направляется в катушку измерительного механизма (токIк) .Зависимость угла поворота стрелки магнитоэлектрического прибора от величины тока в катушке получена ранее [см. формулу (6.1)]. При измерении больших токов в цепь измеряемого тока включают шунт — резистор, имеющий малое, но постоянное сопротивление Rш, параллельно которому присоединена катушка измерительного механизма (рис. 6.9).
В этом случае подвижная часть измерительного механизма отклоняется в соответствии со значением тока в катушке Iк, но на шкале прибора, отградуированной на измеряемый ток, стрелка показывает величину измеряемого тока, который пропорционален току в катушке: I=Iк (1 + Rк/Rш), где Rк — сопротивление цепи катушки, Rш — сопротивление шунта.
Выразим отсюда ток Iк и подставим в формулу (6.1), получим уравнение, непосредственно определяющее зависимость угла поворота подвижной части прибора от измеряемого тока, где чувствительность прибора по току (постоянная величина).
Электроизмерительный прибор, шкала которого отградуирована по уравнению (6.2), измеряет значение тока, т. е. является амперметром.
Для электромагнитного измерительного механизма зависимость a = f (Iк) получается аналогично из равенства Мвр=Мпр или k2вpI 2 к= k2пр α:
Электромагнитные амперметры применяют обычно без шунтов, т. е. большие токи (до 200 А) пропускают непосредственно по катушке измерительного механизма. Такое решение возможно потому, что катушка неподвижна и может быть изготовлена из провода различной, в том числе большой, толщины в зависимости от предела измерения тока и конструкции подвижной части прибора. Например, катушка на номинальный ток 100 А имеет всего один виток из толстой медной шины. При равенстве Iк = I зависимость a = f (Iк) для электромагнитного амперметра имеет вид:
Амперметр включается последовательно в цепь измеряемого тока. Для того чтобы амперметры возможно меньше влияли на значение измеряемого тока, их изготовляют с малым собственным сопротивлением (обычно доли Ома).
Магнитоэлектрические и электромагнитные измерительные механизмы можно использовать для измерения электрического напряжения. С этой целью последовательно с катушкой измерительного механизма (сопротивление Rк) соединяют добавочный резистор, имеющий относительно большое и постоянное сопротивление Rд (рис. 6.10).
Такую измерительную цепь включают параллельно участку цепи, на котором предполагается измерить напряжение U. В этом случае ток в катушке измерителя IK=U/(Rк+Rд).
Подставив это выражение в (6.2) и (6.3), получим уравнения, выражающие зависимость угла поворота подвижной части измерителя от напряжения на его зажимах: для магнитоэлектрического прибора α=S1нU, для электромагнитного прибора α=S2нU 2 - постоянные величины (SH — чувствительность прибора по напряжению).
Электроизмерительный прибор, отградуированный согласно тому или другому из этих уравнений, измеряет величину электрического напряжения, т. е. является вольтметром.
Вольтметры изготовляют с большим собственным сопротивлением (обычно десятки или сотни ом). Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше он изменяет общее сопротивление участка цепи, параллельно которому подключен, т. е. тем меньше изменяет величину измеряемого напряжения. Для расширения пределов измерения применяют также внешние добавочные резисторы к вольтметрам и шунты к магнитоэлектрическим амперметрам.
В электрических цепях переменного тока для измерения больших токов и напряжений применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения. При измерениях в сетях высокого напряжения они служат не только для расширения пределов измерения, но и в целях безопасности обслуживания электроизмерительных приборов.
В повседневной практике для технических измерений электрических токов и напряжений применяют чаще всего стрелочные приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.
Магнитоэлектрический измерительный механизм. Работа магнитоэлектрического измерительного механизма основана на взаимодействии постоянного магнитного поля и электрического тока. Одна из конструктивных схем показана на (рис. 6.7.)
В магнитную цепь прибора входят: сильный постоянный магнит 1, ярмо 2, полюсные наконечники 3, сердечник 4. В воздушных зазорах между полюсными наконечниками и сердечником создается равномерное радиальное магнитное поле. Этого достигают путем соответствующего оформления и тщательной обработки полюсных наконечников. Вокруг оси 6 и сердечника в пределах угла 90° может поворачиваться катушка 5, т. е. обмотка из медного изолированного провода на легком алюминиевом каркасе в виде рамки.
Если в катушке имеется ток 1к, тона каждый ее проводник длиной l со стороны магнитного поля действует электромагнитная сила Fм = BIKl [см. формулу (3.24)].
Относительно оси рамки создается вращающий момент Мвр = = NSBIк, где N — число витков обмотки; S—площадь рамки; В — магнитная индукция — величины, постоянные для данного прибора. Поэтому Мвр=kврIк Противодействующий момент Mпр = kпрα создается пружинами.
Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую чувствительность, малое собственное потребление энергии, малую зависимость показаний от внешних магнитных полей. Эти преимущества обеспечиваются тем, что постоянный магнит создает сильное магнитное поле, а магнитопровод является одновременно магнитным экраном; подвижная часть механизма очень легкая.
Вместе с тем направление вращающего момента зависит от направления тока в катушке, а это значит, что магнитоэлектрические приборы можно использовать только в цепях постоянного тока. Легкая конструкция подвижной части не допускает механической и электрической перегрузок.
Для использования преимуществ магнитоэлектрического измерительного механизма в цепях переменного тока его соединяют с выпрямителем на полупроводниковых вентилях. При этом сохраняются высокая чувствительность, малое потребление энергии, но точность значительно снижается из-за несовершенства выпрямителя.
Электромагнитный измерительный механизм. Подвижный ферромагнитный сердечник в магнитном поле перемещается в такое положение, при котором магнитный поток в электромагнитном устройстве будет наибольшим.
Это лежит в основе действия электромагнитного измерительного механизма, одна из конструктивных схем которого показана на рис. 6.8.
Ток Iк в неподвижной катушке 1 создает магнитное поле, под действием которого подвижный сердечник 4 в форме лепестка из магнитомягкого ферромагнетика, укрепленный эксцентрично на оси 5, втягивается в узкую щель внутрь катушки. Ось поворачивается и поворачивает укрепленную на ней стрелку.
При более подробном рассмотрении вопроса можно доказать, что вращающий момент в данном случае пропорционален квадрату тока в катушке Mвp=k2вpI 2 к , а противодействующий момент пружины 6 Mпр=k2вpα.
Направление вращающего момента в приборах электромагнитной системы не зависит от направления тока, так как при любом знаке тока момент положительный. Отсюда следует, что электромагнитные приборы можно изготовлять для измерения в цепях постоянного и переменного тока.
Однако в цепи постоянного тока электромагнитный прибор может давать разные показания (до 2%) при одной и той же измеряемой величине, что связано с влиянием магнитного гистерезиса.
При переменном токе на точность электромагнитных приборов отрицательно влияют потери от гистерезиса и вихревых токов в сердечниках. К недостаткам электромагнитной системы надо отнести также значительное влияние внешних магнитных полей на показания приборов, относительно большое собственное потребление энергии, неравномерность шкалы.
Несмотря на отмеченные недостатки, электромагнитные приборы — простые по устройству, дешевые, устойчивы к перегрузкам, широко применяются, особенно в качестве технических щитовых приборов в цепях переменного тока.
Измерение тока и напряжения. Предположим, что измеряемой величиной является ток I. Этот ток или некоторая часть его направляется в катушку измерительного механизма (токIк) .Зависимость угла поворота стрелки магнитоэлектрического прибора от величины тока в катушке получена ранее [см. формулу (6.1)]. При измерении больших токов в цепь измеряемого тока включают шунт — резистор, имеющий малое, но постоянное сопротивление Rш, параллельно которому присоединена катушка измерительного механизма (рис. 6.9).
В этом случае подвижная часть измерительного механизма отклоняется в соответствии со значением тока в катушке Iк, но на шкале прибора, отградуированной на измеряемый ток, стрелка показывает величину измеряемого тока, который пропорционален току в катушке: I=Iк (1 + Rк/Rш), где Rк — сопротивление цепи катушки, Rш — сопротивление шунта.
Выразим отсюда ток Iк и подставим в формулу (6.1), получим уравнение, непосредственно определяющее зависимость угла поворота подвижной части прибора от измеряемого тока, где чувствительность прибора по току (постоянная величина).
Электроизмерительный прибор, шкала которого отградуирована по уравнению (6.2), измеряет значение тока, т. е. является амперметром.
Для электромагнитного измерительного механизма зависимость a = f (Iк) получается аналогично из равенства Мвр=Мпр или k2вpI 2 к= k2пр α:
Электромагнитные амперметры применяют обычно без шунтов, т. е. большие токи (до 200 А) пропускают непосредственно по катушке измерительного механизма. Такое решение возможно потому, что катушка неподвижна и может быть изготовлена из провода различной, в том числе большой, толщины в зависимости от предела измерения тока и конструкции подвижной части прибора. Например, катушка на номинальный ток 100 А имеет всего один виток из толстой медной шины. При равенстве Iк = I зависимость a = f (Iк) для электромагнитного амперметра имеет вид:
Амперметр включается последовательно в цепь измеряемого тока. Для того чтобы амперметры возможно меньше влияли на значение измеряемого тока, их изготовляют с малым собственным сопротивлением (обычно доли Ома).
Магнитоэлектрические и электромагнитные измерительные механизмы можно использовать для измерения электрического напряжения. С этой целью последовательно с катушкой измерительного механизма (сопротивление Rк) соединяют добавочный резистор, имеющий относительно большое и постоянное сопротивление Rд (рис. 6.10).
Такую измерительную цепь включают параллельно участку цепи, на котором предполагается измерить напряжение U. В этом случае ток в катушке измерителя IK=U/(Rк+Rд).
Подставив это выражение в (6.2) и (6.3), получим уравнения, выражающие зависимость угла поворота подвижной части измерителя от напряжения на его зажимах: для магнитоэлектрического прибора α=S1нU, для электромагнитного прибора α=S2нU 2 - постоянные величины (SH — чувствительность прибора по напряжению).
Электроизмерительный прибор, отградуированный согласно тому или другому из этих уравнений, измеряет величину электрического напряжения, т. е. является вольтметром.
Вольтметры изготовляют с большим собственным сопротивлением (обычно десятки или сотни ом). Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше он изменяет общее сопротивление участка цепи, параллельно которому подключен, т. е. тем меньше изменяет величину измеряемого напряжения. Для расширения пределов измерения применяют также внешние добавочные резисторы к вольтметрам и шунты к магнитоэлектрическим амперметрам.
В электрических цепях переменного тока для измерения больших токов и напряжений применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения. При измерениях в сетях высокого напряжения они служат не только для расширения пределов измерения, но и в целях безопасности обслуживания электроизмерительных приборов.
Читайте также: