0

Измерение напряжений токов и мощности

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.

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

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 ©) = 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

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

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.

Читайте также:  Как восстановить сохранения игр на андроиде

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.

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

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.

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:

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.

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.

Читайте также:  Как в айфоне посмотреть пароль от wifi

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.

Читайте также:

  1. I. Измерение силы тока.
  2. II. Основные направления улучшения использования ОФ и производственных мощностей.
  3. II. Основные направления улучшения использования ОФ и производственных мощностей.
  4. Аккумулирование энергии.
  5. АКТИВНЫЕ ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В АППАРАТАХ
  6. Анализ использования производственных мощностей организации
  7. Анализ риска. Определение и измерение риска. Кривая Фармера. Законодательные акты регламентирующие риск.
  8. Аналогично строятся линии разрывов энергии , соответствующие брэгговскому отражению электронных волн от семейства плоскостей, перпендикулярных ey.
  9. Баланс мощностей
  10. Баланс мощностей
  11. Баланс мощностей
  12. Баланс мощностей потоков энергии силового канала

14.3.1. Для измерения тока любой ветви электрической цепи ам­перметр включают последовательно с элементами цепи. В цепях по­стоянного тока обычно применяются приборы магнитоэлектрической системы и нечасто — электромагнитной системы. Для уменьшения по­грешности измерения нужно, чтобы сопротивление амперметра было значительно меньше (на два порядка), чем сопротивление элемента вет­ви, в которой измеряется ток.

Для измерения напряжения вольтметр включают параллельно эле­менту, напряжение на котором нужно определить. В цепях постоянного тока обычно пользуются приборами магнитоэлектрической системы. Для уменьшения погрешности измерения сопротивление вольтметра долж­но быть больше (на два порядка), чем сопротивление элемента, на кото­ром измеряется напряжение.

Мощность в цепи постоянного тока вычисляется по показаниям амперметра и вольтметра

В случаях, когда невозможно измерять одновременно напряжение и ток, мощность измеряют электродинамическим ваттметром.

Энергию в цепях постоянного тока измеряют обычно электродина­мическим счетчиком. Схема включения измерительных приборов в цепь постоянного тока приведена на рис. 15.1.

14.3.2. Для расширения пределов измерения амперметром исполь­зуют шунты (рис. 15.2). Если — максимально допустимый ток ам­перметра, то можно записать

По первому закону Кирхгофа

т.е.

Отношение называется коэффициентом расширения пределов измерения амперметром. В этом случаеможно определить сопротивление шунта, который обеспечивает рас­ширение пределов с коэффициентом n:

Для расширения пределов измерения вольтметра используют дополнительные сопротивления, которые включаются по­следовательно с обмоткой вольтметра (рис. 15.3).

Если — максимально допустимое напряжение вольтметра, то

Величина коэффициент расширения пределов измерения вольт­метром. Тогда

Поскольку, можно определить величину дополнительного сопротив­ления, которое обеспечивает расширение пределов измерения вольтметра

14.3.3. В цепях однофазного синусоидального тока, как правило, напряжение и ток определяют с помощью электромагнитных приборов, активную мощность измеряют однофазным электромагнитным ваттметром, а электрическую энергию — однофаз­ным индукционным счетчиком активной энергии. Схема включения при­боров приведена на рис. 15.4.

В цепях переменного тока для расширения пределов измерения при­меняют измерительные трансформаторы. Первичная обмотка трансфор­матора тока включается последовательно в ветвь, где измеряется ток. На вторичную обмотку включаются амперметр и токовые катушки дру­гих измерительных приборов. Для безопасности измерения вторичную обмотку обязательно заземляют. Первичная обмотка трансформатора тока имеет небольшое количество витков, а при токе свыше 600 А — лишь один виток. Вторичная обмотка всех промышленных трансформа­торов токов рассчитана на 5 А. Пределы измерения амперметра расши­ряются в k раз (k— коэффициент трансформации трансформатора тока).

Первичная обмотка трансформатора напряжения включается парал­лельно элементу, на котором измеряется напряжение. На вторичную обмотку включаются вольтметр и обмотки напряжения других измери­тельных приборов. Для безопасности измерения вторичная обмотка обязательно заземляется. Трансформатор напряжения расширяет пределы измерения также в k раз (k — коэффициент трансформации трансфор­матора напряжения).

Промышленностью выпускаются трехфазные и однофазные транс­форматоры напряжения. Это понижающие трансформаторы, в которых вторичное напряжение равно 100 В.

Реактивная мощность в цепях однофазного синусоидального тока измеряется варметрами (рис. 15.5). Резисторы R1, R2 и индуктивность L искусственно сдвигают в катушке напряжения ток на 90° по отноше­нию к напряжению. В этом случае вращающий момент будет пропор­ционален sinj:

т. е. угол отклонения подвижной части пропорционален реактивной мощности

14.3.4. В цепях трехфазного синусоидального тока при симметричной нагрузке мощность измеряют в одной фазе одним ваттметром. Общая активная мощность трех­фазной цепи

На рис. 15.6 приведена схема включения ваттметра в симметричную цепь при соединении нагрузки звездой и треугольником.

В случае, когда конструкция симметричного приемника не дает дос­тупа к нейтральной точке, используют схему с искусственной нейтральнойной точкой (рис. 15.7). Дополнительные ре­зисторы выбирают таким образом, что

Читайте также:  Греются мосфеты на материнской плате

где — активное сопротивление обмот­ки напряжения электродинамического ват­тметра.

Измерение активной энергии в трехфаз­ных симметричных цепях проводят по та­ким же схемам однофазными счетчиками электрической энергии. Общая энергия системы в три раза больше фазной.

Активную мощность при несимметричной нагрузке в

трехпроводной схеме измеряют с помощью трех или двух ватт­метров. При использовании трех ваттмет­ров общая мощность системы равна сум­ме фазных (рис. 15.8).

На рис. 15.9 приведена схема измере­ния мощности трехпроводной несиммет­ричной системы с помощью двух ваттмет­ров. Общая мощность в этом случае равна сумме показаний ваттметров. В четырехпроводной схеме мощность измеряют тремя однофазными (рис. 15.10) или одним трехфазным ваттметром с тремя последовательными обмотками

При симметричной нагрузке реактивную мощность можно измерить одним ваттметром, который включается по схеме, приведенной на рис. 15.12. Токовая обмотка включается в ли­нейный провод, а обмотка напряжения — на ли­нейное напряжение, т.е. прибор будет показы­вать мощность . Для определения реактивной мощности системы показания ватт­метра нужно умножить на .

Реактивную мощность можно определить также методом двух ватт­метров (рис. 15.9). В данном случае нужно взять разность показаний двух ваттметров и умножить на .

Вообще для измерения реактивной мощности используют те же схе­мы, что и для измерения активной мощности. Только в этом случае нуж­но пользоваться приборами для измерения реактивной мощности — варметрами.

| следующая лекция ==>
Электродинамические приборы можно использовать как амперметры, вольтметры и ваттметры в цепях постоянного и переменного токов | Методика и порядок выполнения работы

Дата добавления: 2014-01-15 ; Просмотров: 1733 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Измерение тока. Для измерения тока используются амперметры. Амперметр включается в цепь таким образом, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, т.е. последовательно. Поэтому его сопротивление должно быть малым по сравнению с сопротивлением цепи.

Для измерения постоянного тока используются приборы магнитоэлектрической системы, реже приборы электромагнитной системы. Для измерения переменного тока частотой 50 Гц в основном применяют приборы электромагнитной системы. Сопротивление этих приборов лежит в пределах от долей ома до нескольких ом.

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях постоянного тока используют шунты. Их сопротивления подсчитывают по формуле:

,

где Iан — номинальное значение тока амперметра; Rа — внутреннее сопротивление амперметра; Iш — ток, проходящий через шунт.

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

Измерение напряжения. Для измерения напряжения используют вольтметры.

Вольтметры включаются параллельно участку электрической цепи, на котором измеряют напряжение. Вольтметр должен иметь большое сопротивление по сравнению с сопротивлением соответствующего участка цепи. В цепях постоянного тока используют вольтметры магнитоэлектрической системы, но обычно с добавочным сопротивлением.

Для расширения пределов измерений вольтметров в цепях постоянного тока до 4500 В служат добавочные резисторы (сопротивления). Их сопротивление определяют по формуле:

где Uн — номинальное напряжение прибора; Umax — максимальное измеряемое напряжение; RV — сопротивление вольтметра.

В цепях переменного тока используют вольтметры электромагнитной и электродинамической системы.

Измерение мощности. Мощность в электрической цепи синусоидального тока определяется по формуле:

P=U I · cos(Ð ),

где U и I — действующие значения напряжения и тока; j =Ð — угол разности начальных напряжения и тока (угол сдвига фаз).

Для измерения мощности в электрических цепях необходимо измерить напряжение, ток и угол сдвига фазы. Для этого используется прибор — ваттметр с двумя катушками. Это приборы электродинамической и ферродинамической измерительных систем. Катушка напряжения включается параллельно участку цепи, подобно вольтметру, ее зажимы на лицевой стороне ваттметра обозначены буквой U. Токовая катушка включается в цепь последовательно, подобно амперметру, ее зажимы обозначены буквой I (рисунок 1.4.).

Рисунок 1.4 — Схема включения ваттметра

На ваттметре начало токовой катушки и катушки напряжения отмечены звездочками, это генераторные зажимы. При измерении активной мощности эти зажимы включаются со стороны источника энергии. Такие же особенности имеет и так же включается в сеть фазометр — прибор, предназначенный для измерения угла сдвига фаз j. Он позволяет непосредственно определить по шкале угол j и cos j.

Цена деления многопредельного ваттметра определяется по формуле:

,

где Uп, Iп— предельные значения напряжения и тока, указанные на соответствующих зажимах прибора; n — число делений шкалы.

Активная мощность, измеряемая ваттметром,

где Wизм — число делений шкалы, указываемое стрелкой прибора.

Таким же образом определяется цена деления амперметра и вольтметра, если шкала прибора не проградуирована в единицах измерения.

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 4266 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

admin

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *