Схема измерения напряжения: Измерение напряжения и тока. Измерение силы тока и напряжения.

Схемы измерения тока – E-core

Почти каждый электронщик рано или поздно сталкивается с необходимостью измерять ток, например при проектировании лабораторного блока питания или зарядного устройства.

В этой статье мы рассмотрим наиболее популярные схемы их преимущества и недостатки.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки

Схема измерения тока в отрицательном полюсе нагрузки наиболее простая и широко распространенная. Данную схему можно встретить как в лабораторных блока питания, так и в схемах управления двигателями, схемах защит и пр.

Если не требуется высокая точность измерения тока, как правило, используется схема 1а, для более точного измерения тока, как правило, используется схема 1б.

Схема 1а

Схема 1б

В схеме 1б резистор R4 подключается к сигнальной аналоговой земле, резисторы R3 и R1 подключаются непосредственно к шунту. Сопротивление резисторов R1 и R3, R2 и R4 должно быть одинаковым.

Преимущества схемы:

• простая реализация;
• низкий уровень синфазного сигнала;
• низкое выходное сопротивление;
• широкий диапазон напряжений питания нагрузки;
• низкая стоимость.

Недостаток у данной схемы один — токоизмерительный резистор (шунт) устанавливается в отрицательном полюсе нагрузки, что накладывает определенные ограничения.

Крутизна выходного сигнала схемы 1а определяется по формуле

(1)  

Крутизна выходного сигнала схемы 1б определяется по формуле

(2)  

В схемах с однополярным питанием когда требуется высокая точность измерений, кроме усиления сигнала с шунта требуется его небольшое смещение. Рассмотрим этот момент поподробнее.

При однополярном питании получить на выходе операционного усилителя (ОУ) нулевой потенциал достаточно сложно, даже при использовании дорогих Rail-to-rail ОУ минимальное напряжение на выходе может составлять десятки и сотни милливольт. Поскольку напряжение на выходе ОУ не опускается до нуля, то мы не может корректно измерять ток при около нулевых значениях, диапазон измерения оказывается «зарезан» на величину минимального выходного напряжения.

На схемах 2а и 2б приведена доработанная схема 1б со смещением выходного сигнала.

Схема 2а

Схема 2б

Вариант 2б сложнее, но дает чуть более высокую точность, кроме того он может оказаться более удобным если в устройстве несколько измерительных каналов, в этом случае ОУ U1B формирует единое смещение на все каналы.

В схемах 2а и 2б  резистор R5 необходимо подключать к источнику опорного напряжения, если он имеется.

Смещение выходного сигнала схемы 2а определяется по формуле

(3)  

Смещение выходного сигнала схемы 2б определяется по формуле

(4)  

В формулах (3) и (4) Uref — это напряжение к которому подключается R5.

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки является более предпочтительным, но это более сложная задача.

Наиболее распространенные схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки приведены ниже.

Схема 3а

Схема 3б

Преимущества схемы 3а:

• измерение тока в положительном полюсе нагрузки;
• выходной сигнал от 0В.

Недостатки схемы 3а:

• высокий уровень синфазного сигнала;
• высокое выходное сопротивление.

Преимущества схемы 3б:

• измерение тока в положительном полюсе нагрузки;
• низкое выходное сопротивление.

Недостатки схемы 3б:

• высокий уровень синфазного сигнала;
• необходимость точного подбора резисторов;
• необходимость смещения выходного сигнала при однополярном питании.

В схеме 3б аналогично схеме 1б, резисторы R1 и R3, R2 и R4 должны быть равны.

Крутизна выходного сигнала схемы 3а и 3б определяется по формуле

(5)  

Общим и существенным недостатком схем 3а и 3б является высокий уровень синфазного сигнала близкий к напряжению на нагрузке, из-за этого диапазон допустимых напряжений на нагрузке ограничен напряжением питания ОУ. Существуют ОУ допустимый уровень синфазного сигнала которых может существенно превышать напряжение питания ОУ, например LT1637, но такие ОУ труднодоступны и дороги.

Высокий уровень синфазного сигнала приводит к существенной погрешности при использовании недорогих ОУ. Типовой уровень ослабления синфазного сигнала недорогих ОУ на уровне 80Дб, что дает погрешность 1мВ на входе ОУ на каждые 10В напряжения на нагрузке, погрешность на входе ОУ усиливается на величину коэффициента усиления схемы (R2/R1).

Для схемы 3б ситуация с ослаблением синфазного сигнала оказывается еще хуже из-за несогласованности сопротивления резисторов, так при использовании 1% резисторов коэффициент ослабления синфазного сигнала находиться на уровне 45Дб, что дает погрешность 56мВ на входе ОУ на каждые 10В напряжения на нагрузке.

Впрочем не все так плохо, данные схемы выпускаются в интегральном исполнении и называются токовые мониторы, например INA225, INA169 и др. В этих микросхемах используются высококачественные ОУ и точная подгонка сопротивления резисторов, благодаря чему коэффициент ослабления синфазного сигнала 100Дб и более, кроме того у них расширен диапазон допустимых синфазных напряжений.

Токоизмерительный резистор (шунт)

Все описанные схемы усиливают сигнал с токоизмерительного резистора (шунта) и естественно, что точность измерения тока зависит и от качества шунта.

Лучше всего для изготовления шунтов подходит манганин (проволока и лента), преимущество манганина в том, что он имеет очень низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС)  на уровне 10-20 ppm/C и низкое значение термоЭДС с медью.

Чуть похуже в плане ТКС константан 30 ppm/C, но он имеет относительно высокое значение термоЭДС с медью, что приводит к дополнительной погрешности при измерении. Погрешность от термоЭДС незначительна и при разрешении системы на уровне 12 бит практически не заметна.

Хуже всего в плане ТКС проволочные резисторы типа KNP ( цилиндрические) и типа SQP (прямоугольные), имеющие ТКС 400 ppm/C и 300 ppm/C соответственно. Даже обычные выводные металлопленочные резисторы лучше и имеют ТКС 100 ppm/C.

Низкий ТКС для шунта важен потому, что при протекании через него большого тока он сильно нагревается, температура перегрева шунта может составлять 20 и более градусов. Если шунт из манганина, то изменение температуры на 20 градусов приведет к изменению сопротивления шунта всего на 0,02-0,04%, изменение сопротивления проволочного резистора составит 0,6-0,8%, металлопленочного 0,2%.

Электрические измерения. Схема измерения величин напряжения, силы тока, сопротивления.

Измерение таких параметров как напряжение, сила тока, сопротивление для систем сигнализации не отличается от методов измерения перечисленных величин в других электрических цепях.

Для дальнейшего рассмотрения темы нам понадобятся:

• схема измерения,
• закон Ома,
• минимальные навыки пользования мультиметром (тестером).

Несколько небольших уточнений:

• рассматриваемые методы измерений применимы к цепям, не содержащим емкостей и индуктивностей,
• измерения электрических величин напряжения, тока, сопротивления производятся для участка цепи, имеющего активное сопротивление, поэтому приемлимы как для постоянного напряжения (тока) так и для переменного,
• сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Вопросы влияния сопротивления соединений на значения параметров электрических цепей рассмотрены на странице “питание сигнализации, видеонаблюдения”.
• участки цепи, обозначенные на схемах как резистор (R), можете рассматривать как отдельный элемент или совокупность элементов электрической цепи, имеющих общее сопротивление R.

Измерение напряжения.

Это измерение производится путем подключения вольтметра (мультиметра в режиме “измерение электрического напряжения”) параллельно измеряемому участку (схема на рис.1). Следует отметить, что измерение между точками 1-5 даст значение напряжения на всей цепи, остальные случаи – для соответствующих участков.

Эту схему мы еще используем, рассматривая вопросы измерения силы электрического тока и сопротивления при помощи вольтметра.

Измерение силы тока.

Используется амперметр или мультиметр (тестер) в режиме “измерение тока”, подключаемые последовательно измеряемой цепи. Значение силы электрического тока измеряется для всей цепи (схема – рис. 2).

Измерение сопротивления.

Наиболее трудоемкий процесс. Во первых, при непосредственном подключении тестера (мультиметра) (схема рис.3) напряжение и ток в цепи должны отсутствовать, во вторых, (схема рис.4) другие элементы (участки) цепи будут оказывать влияние на результат, поэтому их придется отключить, чтобы схема измерения соответствовала рисунку 3.

Выход, однако, есть. Его рассмотрим ниже.

Косвенные измерения электрических величин.

Для этого самое время вспомнить закон Ома. Формула, а также ее производные, которые нам понадобятся выглядят следующим образом:

I=U/R (формула 1),

U=I*R (формула 2),

R=U/I (формула 3), где

I – электрический ток
U – напряжение
R – сопротивление.

Единицы измерения (размерность) указанных величин соответственно:

А – ампер,
В – вольт,
Ом – ом.

На практике (для слаботочных цепей) они не всегда удобны, поэтому можно использовать:

мА – милиампер (1000 мА=1А),
В – вольт,
кОм – килоом. (1000 Ом=1кОм).

Внимание! Одновременно используйте единицы измерения из одного ряда. Если Вы подставляете в формулу закона Ома значения силы тока в мА, то сопротивление получите в кОм и никак иначе.

Как можно видеть из приведенных выше формул, зная значения двух величин, можно вычислить третью.

Рассмотрим практическое применение закона Ома при проведении измерений электрических величин. Из схемы измерения напряжения видно, что оно не требует нарушения электрической цепи, поэтому осуществляется наиболее просто.

Измерение силы тока в последовательной цепи можно произвести один раз поскольку он будет одинаков во всех участках.

Однако, следует быть внимательным, ибо, если схема цепи имеет вид, приведенный на рисунке слева, то суммарный ток распределится по участкам цепи, согласно закона Кирхгофа: I=I1+I2+In.

Завершая тему, продемонстрирую как на практике выглядит применение закона Ома при проведении электрических измерений.

Возьмем схему на рисунке 1. Предположим, что в результате измерений мы получили следующие значения:

Общая сила тока для цепи- I=0,5 A,

Тогда значения сопротивлений будут:

R1=U1/I=10/0,5=20 Ом
R2=U2/I=5/0,5=10 Ом.

Как видите, все просто.

© 2010-2023 г.г.. Все права защищены.
Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов

Как измерить напряжение | Hioki

Как измеряется напряжение? Напряжение легко измерить с помощью тестера.

• (“Тестер” и “мультиметр” часто используются взаимозаменяемо)

Обзор

Поскольку напряжение невозможно увидеть, невозможно проверить, сколько напряжения протекает в цепи, просто взглянув на нее. Однако каждая цепь в электронном устройстве имеет заранее определенное напряжение, необходимое для ее работы, и более высокие напряжения могут привести к повреждению оборудования или телесным повреждениям.
В то же время схемы не будут работать при слишком низком напряжении, поэтому необходимо выяснить, является ли напряжение правильным при неисправности электронного устройства. Эта страница предлагает подробное введение в использование тестеров, которые используются при измерении напряжения, а также некоторые меры предосторожности, касающиеся их использования.

Тестеры необходимы для измерения напряжения.

Вам понадобится измерительный инструмент, если вы хотите что-то измерить. Инструменты используются для точного измерения вещей; например, вам понадобится линейка или измерительная лента, если вы хотите измерить длину, весы или весы, если вы хотите измерить вес, и часы, если вы хотите измерить время. Таким образом, используемый инструмент зависит от того, что измеряется.
То же самое относится и к измерению напряжения. Это особенно верно, поскольку вы не можете увидеть или потрогать напряжение. В отличие от физических свойств, вы не можете сделать приблизительную оценку, просто взглянув на него. Следовательно, вам понадобится тестер для измерения напряжения. Некоторые из целей, для которых используются эти инструменты, включают:

• Проверка безопасности
• Проверка качества
• Прогнозирование на основе измеренных значений
• Решение проблем
• Проверка пригодности

Тестеры позволяют тщательно проверить состояние электрических устройств путем измерения напряжения.

Типы тестеров

Тестер выпускается в различных вариантах. В этом разделе представлено подробное введение в основные типы доступных тестеров.

Аналоговые тестеры

Аналоговые тестеры позволяют делать интуитивные выводы на основе отклонения стрелки на градуированной шкале. Они измеряют простой набор параметров, и их преимущество заключается в простоте использования. С другой стороны, у них есть недостаток, заключающийся в больших потерях инструмента.

Цифровые мультиметры (DMM)

Цифровые мультиметры отображают результаты измерений в числовом виде, что позволяет пользователю получать точные показания. Многие цифровые модели имеют расширенные функции, которые трудно реализовать с помощью аналогового тестера, например расширенные возможности измерения, проверки непрерывности и проверки диодов. Некоторые модели могут даже отправлять данные измерений на компьютер. Кроме того, цифровые модели отличаются низкими инструментальными потерями. Цифровые мультиметры можно классифицировать на основе используемого метода выпрямления.
При выпрямлении среднего значения входной сигнал обрабатывается как синусоида и преобразуется для отображения результатов измерения. Необходима осторожность, так как этот подход подвержен увеличению ошибки измерения, если форма сигнала искажена. Напротив, метод истинного среднеквадратичного значения преобразует и отображает форму волны, включая ее гармонические составляющие, что позволяет прибору отображать значения, характеризующиеся меньшей погрешностью измерения.

Метод истинного среднеквадратичного значения преобразует форму волны, включая ее гармонические составляющие, для отображения с использованием формулы среднеквадратичного значения.
Приборы также можно классифицировать на основе предоставляемых ими функциональных возможностей, например, имеют ли они терминал для измерения тока. Модели высокого класса предлагают большой выбор параметров измерения, в то время как простые модели предоставляют меньше. Высококачественные модели способны выполнять высокоточные измерения в различных областях применения. Однако они и дороже; рекомендуется приобретать инструмент, соответствующий цели, для которой вы планируете его использовать.

Как измерить напряжение тестером

В этом разделе предлагается простая процедура измерения напряжения с помощью цифрового мультиметра.

1. Выберите параметр измерения

Цифровые мультиметры имеют несколько параметров измерения, таких как напряжение, сопротивление, ток и т. д. Сначала установите поворотный переключатель на напряжение. В случае напряжения постоянного тока единица измерения напряжения «В» и метка, обозначающая постоянный ток, отображаются, как показано на рисунке. Для напряжения переменного тока установите параметр, который показывает единицу измерения «В» и отметку, обозначающую переменный ток.

2. Вставьте щупы

Вставьте черный щуп в разъем COM цифрового мультиметра. Также вставьте красный измерительный щуп в клеммы с маркировкой “V” и “mV”. Для обеспечения точности измерений перед измерением рекомендуется выполнить регулировку нуля.

Клемма измерения напряжения

3. Подключить к цепи и считать значение

Если вы измеряете напряжение постоянного тока, красный щуп — положительный, а черный — отрицательный.Если вы измеряете переменное напряжение, провода не имеют положительной или отрицательной связи. измерения напряжения, поместите выводы в контакте с обоими концами измеряемой цепи.Таким образом, вы можете измерить значение напряжения.Если вы используете аналоговый прибор, прочтите положение стрелки на градуированной шкале;если вы используете цифровой прибор, считайте числовое значение с дисплея
Вы можете выбрать диапазон измерения для измерения напряжения. Если вы не уверены, насколько велико измеряемое напряжение, начните с самого высокого диапазона и постепенно переключайтесь на более низкие диапазоны по мере необходимости. Если вы используете цифровой тестер, многие модели могут автоматически выбирать диапазон за вас.

Выберите диапазон

Меры предосторожности при измерении напряжения

При измерении напряжения тестером необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности.

Отодвиньте выводы от тестируемой цепи при изменении диапазона.

Если вам нужно изменить диапазон, сначала отодвиньте измерительные провода от измеряемой цепи. Изменение диапазона, когда выводы находятся в контакте с цепью, может привести к повреждению прибора.

Соблюдайте осторожность при размещении выводов в контакте с тестируемой цепью.

Соблюдайте осторожность, чтобы провода соприкасались только с предполагаемой областью. Неосторожное касание выводов с другими частями цепи может повредить не только прибор, но и электронное устройство, которое вы пытаетесь измерить.

Выберите лучший тестер для вашего приложения

Вам может понадобиться измерить напряжение, чтобы проверить безопасность или качество электронного устройства. Тестеры (мультиметры) необходимы для того, чтобы измерять напряжение. Эти инструменты доступны в аналоговом и цифровом вариантах, и многие из них предлагают ряд удобных функций. Используйте то, что вы узнали здесь, чтобы выбрать тестер, который соответствует вашим потребностям, а затем используйте его для измерения напряжения.

Как использовать

Сопутствующие товары

• HISTESTER 3030-10
• Карта HISTESTER 3244-60
• HISTESTER PENCILE 3246-60
• Цифровой мультиметровый DT4282
• Precision DC Voltmeter DM7276

Learn

? Что такое напряжение? Эта страница предлагает легкое для понимания объяснение того, чем напряжение отличается от тока, единицы измерения, в которых оно измеряется, и другую информацию.

• Как пользоваться цифровым мультиметром Как пользоваться цифровым мультиметром. Обзор преимуществ и недостатков

экспериментальная физика – Как вы физически измеряете напряжение и ток?

$\begingroup$

Краткая версия: Как именно (современные) измерители напряжения/тока измеряют числа, которые они делают, исходя из первых принципов? Ссылки высоко ценятся.

---

Мы измеряем длину линейкой, время часами и массу весами. Все единицы таких величин относятся к какому-то общепринятому стандарту, например, к палке фиксированной длины, определенному интервалу времени, определенному количеству воды при фиксированных условиях и т. д. Нам, людям, относительно легко понять эти величины.

А как насчет напряжения и тока? Я понимаю, как вы можете определить электрические поля экспериментально — получить определенное количество заряда на объекте и измерить силу (отклик), ощущаемую этим заряженным объектом. Аналогично с магнитными полями — пошлите несколько зарядов через магнитное поле и измерьте их реакцию. Чтобы измерить напряжение в двух точках, я полагаю, вы могли бы подключить небольшой «резистор» между двумя точками и измерить, насколько он нагревается при определенных фиксированных условиях (поддерживаемых в вашем измерительном устройстве).

Я уверен, что моя интуиция по поводу всей этой «феноменологии» напряжения и тока основана на оборудовании 19-го века, но это единственное оборудование, которое я когда-либо видел интуитивно сломанным. Современное электрическое оборудование более загадочно (я уверен, из-за присущей ему сложности).

Каждый раз, когда я пытаюсь найти объяснение тому, как мультиметры действительно измеряют напряжение и ток, я встречаю круговые объяснения вроде «Вы измеряете напряжение, подключая параллельно резистор и измеряя падение напряжения на нем или ток, проходящий через него». это» и «Ток измеряется путем последовательного подключения резистора и измерения напряжения на нем». Пожалуйста, я просто хочу интуитивный и прямой ответ. Я также был бы очень признателен за ссылку на какую-то статью/обсуждение по этому поводу.

• экспериментальная физика
• измерения

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Аналоговый амперметр, называемый гальванометром, пропускает ток вблизи стержневого магнита, который физически прикреплен к стрелке индикатора. Магнитное поле окружает ток, сила которого пропорциональна величине тока, поэтому угол наклона стрелки меняется. Умный калибратор рисует метки в разных местах под концом стрелки, соответствующие разным токам в гальванометре.

Я считаю, что все аналоговые счетчики по своей сути являются гальванометрами; Я бы хотел, чтобы меня поправили.

Цифровые счетчики на основе транзистора. Существует множество различных устройств, которые можно назвать «транзисторами», и множество конфигураций одного и того же транзистора, которые могут выполнять разные функции. Обычная конфигурация заключается в том, что транзистор действует как переключатель, управляемый током (для биполярных транзисторов), или как переключатель, управляемый напряжением (для полевых транзисторов), где ток или напряжение на «базовой» клемме транзистора определяет является ли путь между терминалом «эмиттер» и терминалом «коллектор» изолирующим или проводящим. Вы можете использовать набор транзисторов для создания компаратора, цифрового устройства, выход которого «высокий» или «низкий» в зависимости от того, какой из его входов находится под более высоким напряжением, и вы можете использовать серию компараторов с соответствующими опорными напряжениями для построения аналого-цифровой преобразователь.

Я почти уверен, что самые распространенные мультиметры на рынке представляют собой аналого-цифровые преобразователи, построенные на полевых транзисторах, которые по своей сути являются устройствами измерения напряжения.

Для более экзотического подхода вы можете прочитать о «балансе ватт» Kibble.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Краткий ответ: отклонение из-за магнетизма или напряжения оцифровки.

(Большинство) Аналоговые счетчики основаны на механизме Д’Арсоноваля. Это просто гальванометр, который вызывает отклонение из-за тока.

Счетчик D’Arsonoval работает как электродвигатель. Постоянные полюса и железные сегменты образуют подковообразный магнит. Катушка (сделанная из манганиновой или константиновой проволоки, чтобы сделать измеритель нечувствительным к температуре) сформирована вокруг цилиндрического железного сердечника, но не прикреплена к нему.

Ток проходит через подвижную катушку, которая образует магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами, вызывающими отклонение. Чем сильнее течение, тем больше отклонение. Прогиб линейный. Полномасштабный ток вызовет максимальное отклонение. 50%, отклонение на половину шкалы. 200% полного тока, и стрелка будет пытаться пройти туда, как правило, повреждая стрелку.

Характеристики этой подвижной катушки (пример: сопротивление 100 Ом и полный ток 1 мА) позволяют преобразовать движение в любой аналоговый измеритель. Амперметр постоянного тока — шунтирующий резистор, вольтметр постоянного тока — последовательный резистор, омметр — последовательный резистор + батарея и т. д. Для преобразования переменного тока в постоянный ток требуются диоды, но тот же подход.

Все цепи рассчитаны на ограничение тока до 1 мА, полный ток. Добавьте параллельно шунтирующий резистор 0,1001 Ом и соответствующую аналоговую шкалу, и счетчик станет амперметром на 1 А.

Добавьте резистор 119,9 кОм последовательно с механизмом измерителя с соответствующей аналоговой шкалой, и вы превратите механизм, измеряющий ток, в вольтметр на 120 В.

Все аналоговые счетчики имеют погрешность (от 1% до 3%), поскольку они крадут ток из цепи, которую измеряют.

Цифровые счетчики еще проще. По своей сути они имеют аналого-цифровой преобразователь. Вход подается на резистор с высоким импедансом. Входное значение сравнивается с опорным напряжением и преобразуется в цифры. Current использует внутренний шунтирующий резистор для генерации напряжения для преобразования. Погрешности зависят от масштаба и обычно составляют ± последнюю цифру.

$\endgroup$

$\begingroup$

Для прикола, вот совершенно другой тип амперметра: Измеритель максимального потребления:

(моё собственное изображение)

Они работают на тепловом принципе, подобно автоматическому выключателю. Ток, протекающий через спиральный элемент, нагревает его, заставляя его расширяться и перемещать иглу. Эту катушку можно увидеть за желтой ручкой.

Измерители максимальной мощности используются, потому что тепловой элемент оказывает усредняющее действие, позволяя игнорировать кратковременные всплески, такие как лифты или запуск больших двигателей. Приведенное значение больше указывает на то, насколько горячими являются различные компоненты электроустановки, расположенные выше по потоку, что является основным ограничивающим фактором максимального количества потребляемой мощности.

Вторая стрелка, обычно окрашенная в красный цвет, показывает максимальное значение с момента последнего сброса. Это позволяет измерить максимальный спрос, даже если он возникает в то время, когда никого нет.

В этом случае счетчик также включает в себя более типичный счетчик с подвижным железом, который считывает показания по второй шкале снизу направо, с осью вверху слева.

PS: Возможно, эта установка была немного завышена.