Измерение тока и напряжения

Показания амперметра зависят от тока I_А, идущего через него, поэтому для измерения тока в каком-либо приемнике энергии I_пр амперметр включают последовательно с этим приемником, так что I_А = I_пр
(рис. 8-8).
Включение амперметра не должно влиять на измеряемый ток, поэтому сопротивление его должно быть малым по сравнению с сопротивлением приемника, последовательно с которым он включается. Малому сопротивлению амперметра r_А соответствует и малая номинальная мощность потерь в нем
Для измерения токов, превышающих номинальный ток амперметра (измерителя), в цепях постоянного тока применяют шунты , а при переменном токе — трансформаторы тока .
Для измерения напряжения на каком-либо приемнике энергии U_пр зажимы вольтметра соединяют с зажимами приемника (рис. 8-9). В этом случае вольтметр покажет напряжение на своих зажимах и на зажимах приемника U_V = U_пр.
Показания вольтметра зависят от его тока I_V. Для того чтобы они однозначно зависели и от напряжения U_V, сопротивление вольтметра должно быть постоянным, так как в этом случае

Сопротивление медной обмотки измерителя вольтметра r_И изменяется на 0,4% при изменении температуры на 10° С.. Включая последовательно с измерителем достаточно большое добавочное сопротивление r_Д из манганина, величина которого практически неизменна, обеспечивают постоянство сопротивления вольтметра
Включение вольтметра не должно влиять на измеряемое напряжение, поэтому сопротивление его должно быть большим относительно приемника энергии, параллельно которому он включен. При большом сопротивлении вольтметра r_V номинальный ток его мал, мала и номинальная мощность потерь, так как

Номинальный ток вольтметра равен номинальному току его измерителя, так что

а номинальное напряжение вольтметра

пропорционально его сопротивлению.
Применяя один измеритель с различными добавочными сопротивлениями, получим различные сопротивления вольтметра и соответственно различные номинальные напряжения. Таким образом, добавочное сопротивление используют для расширения предела измерения напряжения вольтметра.
Для расширения предела измерения напряжения в цепях переменного тока, кроме добавочного сопротивления, применяют измерительные трансформаторы напряжения .
Амперметры и вольтметры могут иметь измерители одинакового устройства, отличающиеся только своими параметрами, но они имеют разные внутренние измерительные схемы и по-разному включаются в измеряемую цепь.

а) Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры
Магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов — гальванометры, микроамперметры и миллиамперметры представляют собой измерительный механизм , катушка которого присоединена к зажимам прибора, а на шкале нанесены деления, соответствующие различным значениям измеряемой величины.
Магнитоэлектрический амперметр — это измеритель , который присоединен параллельно шунту (рис. 8-10) для увеличения номинального тока прибора.

Измеряемый ток I делится на ток шунта I_Ш и ток измерителя I_И. Напряжение Uа6 на разветвлении (рис. 8-10)

откуда измеряемый ток

При неизменных сопротивлениях измерителя и шунта ( r_И , r_Ш) между токами I и I_И сохраняется постоянное отношение, что позволяет по углу поворота указательной стрелки измерителя определить ток I.
Сечение шунта должно быть достаточно большим, чтобы не было его нагревания и связанных с этим погрешностей .
Шунты помещаются или в кожухе прибора (встроенные) или вне его (наружные).
Магнитоэлектрический вольтметр — это измеритель  с последовательно соединенным добавочным сопротивлением (рис. 8-11) для расширения предела измерения напряжения и для обеспечения постоянства сопротивления вольтметра. На шкале его наносятся деления, соответствующие различным значениям напряжения Между напряжением на зажимах вольтметра U_V и напряжением на измерителе U_И = I_И r_И имеет место постоянное отношение

Технические вольтметры имеют однопредельные добавочные сопротивления, а образцовые и лабораторные — многопредельные, позволяющие использовать отдельные части добавочного сопротивления для получения различных номинальных напряжений.
Магнитоэлектрические приборы изготовляются классов точности 0,1—2,5.
Из свойств этих приборов отметим: пригодность для работы в цепях постоянного тока, высокую чувствительность, незначительное влияние температуры и внешних магнитных полей, равномерную шкалу, малую мощность потерь и чувствительность к перегрузкам.

б) Выпрямительные амперметры и вольтметры
Выпрямительный амперметр coстоит из магнитоэлектрического измерителя  и нескольких полупроводниковых вентилей, соединенных по одной из выпрямительных схем , а выпрямительный вольтметр, кроме того, имеет добавочное сопротивление.
В простейшем случае выпрямительный амперметр (рис. 8-12) состоит из измерителя, включенного  последовательно с вентилем, пропускающим ток в одном направлении, так что через измеритель в течение каждого периода проходит только одна полуволна переменного тока. Обратная полуволна тока проходит по второй параллельной ветви, в которой вентиль включен в обратном направлении. Средний за период вращающий момент и угол поворота подвижной части амперметра зависят от среднего значения тока, проходящего через измеритель, которое при синусоидальном токе пропорционально действующему значению тока. Эти значения и наносятся на шкале амперметра. Для расширения предела измерения тока применяются шунты.
У вольтметра вследствие постоянства его сопротивления действующие значения тока пропорциональны действующим значениям напряжения на его зажимах, которые непосредственно и отсчитываются на шкале прибора.
Выпрямительные приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до
10 кГц. Класс точности их 1,5—2,5.

в) Термоэлектрические амперметры и вольтметры
Термоэлектрический амперметр состоит из магнитоэлектрического измерителя с контактным (а) или бесконтактным (б) термопреобразователем (рис. 8-13), а вольтметр имеет еще добавочное сопротивление.
Термопреобразователь состоит из проводника — нагревателя H (рис. 8-13) и приваренной к нему или не соединенной с ним термопары Т. Последняя образуется двумя проводами из разных металлов, рабочие концы которых сварены вместе, а свободные концы присоединяются к магнитоэлектрическому измерителю.
Измеряемый переменный ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагревание и. нагревание рабочих концов термонары. Вследствие этого на ее свободных концах возникает термо-э. д. с, а в подвижной рамке измерителя ток, под действием которого рамка повертывается на угол, зависящий от измеряемого тока. На шкале амперметра наносятся деления, сооветствующие действующим значениям измеряемого тока, а на шкале вольтметра деления, соответствующие действующим значениям напряжения, которые вследствие постоянства сопротивления вольтметра пропорциональны действующим значениям тока.
Термоэлектрические приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10—50 МГц. Класс точности их 1,5—2,5.

г) Электромагнитные амперметры и вольтметры
Электромагнитный амперметр — это измеритель , на шкале которого нанесены значения измеряемого тока, проходящего по его катушке. Катушку амперметра можно изготовить из провода любого сечения, на любой номинальный ток (до 300 А и выше), так как она неподвижна и масса ее не влияет на погрешность от трения.
Электромагнитный  вольтметр состоит из измерителя на номинальный ток 20—30 мА, добавочного сопротивления из маганина и шкалы, проградуированной в значениях напряжения.
Активное добавочное сопротивление несоизмеримо больше реактивного сопротивления катушки измерителя, так что сопротивление вольтметра, практически активное, не зависит от температуры и частоты.
Угол поворота подвижной части зависит от тока в катушке и пропорционального ему напряжения на зажимах вольтметра.
Электромагнитные приборы предназначены для цепей переменного тока промышленной частоты. Класс точности их 0,5—2,5.

д) Электродинамические и ферродинамические амперметры и вольтметры
Электродинамический амперметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого соединяются последовательно или параллельно в зависимости от номинального тока, а на шкале нанесены значения тока, проходящего по амперметру.
Подвижная катушка измерителя для уменьшения погрешности от трения делается легкой из провода малого сечения. Неподвижная катушка выполняется из провода такого же или большего сечения в зависимости от номинального тока амперметра. В миллиамперметрах катушки соединяются последовательно, в амперметрах — параллельно (рис. 8-14).

При последовательном соединении катушек в них проходит измеряемый ток (I₁ = I₂ = I) и угол поворота подвижной части прибора пропорционален квадрату тока (8-7)

При параллельном соединении катушек амперметра угол поворота стрелки так же будет пропорционален квадрату тока (8-10), если активные добавочные сопротивления в ветвях r_Д1 и r_Д2 подобрать так, чтобы токи в ветвях I₁  и I₂  совпадали по фазам (φ = 0) и каждый из них был пропорционален измеряемому току I .
Электродинамический вольтметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого
(номинальный ток 20—50 мА) соединены последовательно с добавочным сопротивлением
(рис. 8-14). Последнее предназначено для расширения предела измерения напряжения и уменьшения влияния температуры, рода тока и частоты на показания вольтметра.
Электродинамические приборы изготовляются классов точности 0,1—0,5 для цепей постоянного и переменного тока стандартной и повышенной частоты до 2 кГц. Они чувствительны к перегрузкам и к внешним магнитным полям. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяются экраны и астатические измерители.
Ферродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом как самопишущие приборы для цепей переменного тока, имея те же внутренние измерительные схемы, что и электродинамические приборы. Ферродинамические приборы обладают большим вращающим моментом, прочной и надежной конструкцией. Они мало чувствительны к внешним магнитным полям. Класс точности их 1,5—2,5.