Измерение тока и напряжения является одним из наиболее распространенных в практике электроизмерений. При этом преобладающее значение имеет измерение напряжения, поскольку именно этой величиной принято характеризовать режимы работы различных радиотехнических устройств, их узлов и блоков. К тому же, подключение вольтметров не ведет к нарушению схемы соединений, а при измерении тока цепь приходится размыкать и в ее разрыв включать амперметр. Однако, в целом ряде случаев, необходимы прямые и косвенные методы измерения тока и напряжения и рассматриваются совместно.


Измеряемые параметры тока и напряжения


Измерение тока и напряжения характеризуется рядом принципиальных особенностей, основными из которых являются: широкая область частот, очень широкие пределы измеряемых токов (от 10-14до 106 А) и напряжений (от долей микровольта до сотен микровольт); большое многообразие форм измеряемых токов и напряжений; малая мощность источников сигналов.
Измерение постоянного напряжения и силы тока заключается в нахождении их значения и определения полярности. Целью измерения переменных тока и напряжения является нахождение какого-либо их параметра. Большое многообразие форм переменных токов и напряжений требует уточнения и определения измеряемых параметров.
Мгновенные значения напряжений (токов) представляют интерес при исследовании формы сигналов, например с помощью осциллографа. Вольтметрами и амперметрами измеряют остальные параметры.
Для измерения напряжения и тока изменяются как методы непосредственной оценки, так и методы сравнения. Выбор методов и средств измерения напряжения и силы тока обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью потребляемой прибором от измерительной цепи.

Классификация приборов для измерения тока и напряжения


Приборы для измерения силы тока образуют подгруппу А-амперметры. Внутри этой подгруппы выделяют амперметры постоянного тока(А2), переменного тока ( А3),универсальные(А7) и преобразователи тока (А9).
Амперметры строятся на базе электромеханических приборов, которые по принципу своей работы позволяют измерять постоянные и переменные токи низкой частоты. На них распространяются требования ГОСТ, который устанавливает следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0. Дополнение электромеханических приборов преобразователями переменного тока в постоянный позволяет значительно расширить их возможности и использовать для измерения на радиочастотах.


Более обширна классификация приборов для измерения напряжения – вольтметры, образующие группу В. Среди приборов этой подгруппы выделяют вольтметры постоянного тока (В2), переменного (В3), импульсного тока (В4), фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7),измеритель отношения, разности и нестабильности напряжений (В8), преобразователь напряжений (В9).
Вольтметры постоянного и переменного тока низкой частоты могут строяться на базе электромеханических приборов согласно ГОСТ. Однако, как правило, вольтметры – это представители электронных измерительных приборов в аналоговом или цифровом вариантах. На электронные аналоговые вольтметры также распространяются требования ГОСТ, в частности вольтметры видов В3…В7 дополнительно классифицируются по измеряемому параметру напряжения на вольтметры амплитудного (блокового), среднеквадратического и средневыпрямленного напряжения. Они могут иметь классы точности 0,1; 0,2; 0,5;1,0; 1,5;2,5;4,0;5,0; 15; 25.


Для измерения тока амперметр включают последовательно в разрыв измеряемой цепи. Очевидно, что включение амперметра в измеряемую цепь окажет на нее параметрическое и энергетическое влияние. Для измерения тока высокой частоты следует использовать схему с преобразованием, где сначала ток высокой частоты преобразуется в постоянный, который измеряют магнитоэлектрическим индикатором – микро или миллиамперметром. Преобразование осуществляют либо за счет теплового действия тока, либо путем его выпрямления. Поэтому высокочастотные амперметры представляют собой совокупность индикатора и преобразователя, и называется термоамперметрами или выпрямителями.


Термоамперметр состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического индикатора, шкалу которого градуируют в значениях измеряемого тока. Термоэлектрический преобразователь представляет собой тонкую проволоку из тугоплавкого металла, называемую нагревателем, и одну или несколько термопар, приваренных к его середине. Такой термопреобразователь называется контактным. При прохождении измеряемого тока через нагреватель, место контакта нагревается и термопары нагреваются до температуры tº1, а холодный слой остается при температуре окружающей средыtº0 . В результате, в термопаре возникает термоЭДС Ет, пропорциональная разности температур в месте контакта с нагревателем и внешних концов термопары. Индикатор присоединен к этим концам термопары и по нему протекает ток, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения измеряемого тока. Термоэлектрические измерительные приборы получили распространение преимущественно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление мало.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отвести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения средних квадратических значений токов произвольной формы.

Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружающей среды и большая инерционность термопреобразований. Термоэлектрические приборы очень чувствительны к перегрузкам. Выпрямительные приборы (амперметры) применяются для измерения силы тока и напряжения в частотном диапазоне от звуковых частот до высоких и сверхвысоких частот.

Электронные аналоговые вольтметры.
При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление энергии вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Предпочтительнее является использование электронных вольтметров.
Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора.
В отличие от вольтметров электромеханической группы, электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокое входное сопротивление и чувствительность, и малое потребление тока от измерительной цепи. Электронные, аналоговые и цифровые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.
По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные. Кроме того, выпускаются вольтметры с частотно-избирательными свойствами – селективные.
Важнейшим элементом электронного вольтметра, в значительной мере определяющим его метрологические характеристики, является детектор. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует магнитоэлектрический стрелочный прибор. Соответственно, различают вольтметры средневыпрямленных, амплитудных и среднеквадратических значений. Необходимо, однако, помнить, что шкалу электронного вольтметра обычно градуируют в средних квадратических значениях напряжения синусоидальной формы и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

На шкале каждого электроизмерительного прибора условными знаками указаны необходимые сведения о конструкции и эксплуатации прибора. Например, на шкале вольтметра указано: вольтметр (V) электромагнитной системы; предназначен для измерения переменного напряжения (~) в пределах от 0 до 250 в; при измерениях напряжения прибор следует устанавливать вертикально (⊥); изоляция испытана напряжением 2 кв ; класс точности 1,5; заводской номер 5140; год выпуска 1966; эксплуатационная группа.

 
К электроизмерительным приборам всех систем предъявляются следующие технические требования:


- точность и надежность в работе и низкая стоимость;
- потребление по возможности малой мощности;
- способность не вносить заметных изменений в электрические параметры измеряемой цепи;
- более равномерные деления в пределах рабочей части шкалы;
- способность выдерживать возможно большую перегрузку;
- продолжительный срок службы без ухудшения своих качеств;
- надежная изоляция токоведущих частей от корпуса;
- показания практически не должны зависеть от влияния внешних факторов;
- стрелки приборов должны быстро устанавливаться у соответствующего деления шкалы.