При использовании данного метода вольтметр подключают параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке Rв цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивлениеR₀, вольтметр включают параллельно нагрузке (рис. 11.1.).

Если внутреннее сопротивление вольтметра R_V, то относительная погрешность измерения напряжения

,

где U – действительное значение напряжения на нагрузке R до включения вольтметра; U_x – измеренное значение напряжения на нагрузке R .

Отношение сопротивления R/R_V обратно пропорционально отношению мощности потребления вольтметра P_V к мощности цепи Р, поэтому

.

Для уменьшения погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико (R_V ).

Напряжение в цепях постоянного тока можно измерить любым измерителем напряжения, работающим на постоянном токе (аналоговыми магнитоэлектрическим, электродинамическим, электромагнитным, электростатическим, аналоговым и цифровым электронными вольтметрами). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измерения мощный, используют электромеханические вольтметры и мощность потребления ими не учитывается; если же объект измерения маломощный, то мощность потребления нужно учитывать либо использовать электронные вольтметры.

Методы сравнения.

Компенсационный метод (метод противопоставления) обеспечивает высокую точность измерения. Это метод сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсаторами или потенциометрами.

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям нуль-индикатора.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и известным напряжением при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 11.3.

Высокоомный электронный вольтметр V1 с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым U_x и известным U_к напряжениями. Аналоговый магнитоэлектрический или цифровой вольтметр V2 используется для измерения напряжения U_к . Рекомендуется при U_к =0 измерить вольтметром V1 ориентировочное значение U_x , а уж затем установить по вольтметру V2 удобное для отсчета напряжение U_к . Измеряемое напряжение U_x при указанной полярности включения вольтметра V1 определяется как U_x = U_к + DU.

При измерении напряжений в высокоомных цепях входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим. Дифференциальный метод измерения позволяет увеличить входное сопротивление схемы до необходимых значений, которые определяются из следующей формулы:

.

Чем < , тем> .

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего U_к .

Для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10^-8 В) используют гальванометрические компенсаторы.

Измерение постоянного тока.

Прямое измерение тока. Амперметр включается последовательно в разрыв исследуемой цепи.

Последовательное включение амперметра с внутренним сопротивлением R_A в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) приводит к возрастанию общего сопротивления и уменьшению протекающего в цепи тока. Относительная погрешность d _I измерения тока I_x определяется как

,

где I – действительное значение тока в цепи до включения амперметра; I_x - измеренное значение тока в цепи R.

Отношение сопротивлений можно заменить отношением мощностей Р_А и Р потребления соответственно амперметра и самой цепи:

d_I = - (Р_А / P) / (1+ Р_А / P).

Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра Р_А по сравнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т.е. R_A 0.

Диапазон значений постоянных токов, с измерением которых приходится встречаться в различных областях, чрезвычайно велик (от токов 10^-17 А до десятков и сотен тысяч ампер). Поэтому, естественно, методы и средства измерения их различны.

Измерение постоянного тока можно выполнить любым измерителем постоянного тока: аналоговыми магнитоэлектрическими, электродинамическими; аналоговыми и цифровыми электронными амперметрами. При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших тока полного отклонения I_и магнитоэлектрического измерителя, этот измеритель принимают совместно с УПТ.

Токи 10^-9–10^-6А можно измерить непосредственно с помощью высокочувствительных магнитоэлектрических зеркальных гальванометров и гальванометрических компенсаторов.

Косвенное измерение тока.

Кроме прямого измерения тока амперметрами возможно косвенное измерение токов с помощью резисторов с известным сопротивлением R₀, включаемых в разрыв цепи, и высокочувствительных измерителей напряжения. Измеряемый ток определяется как I_x = U₀ / R₀, где U₀ –падение напряжения на резисторе R₀, измеренное вольтметром либо компенсатором постоянного тока.

Для получения минимальных погрешностей измерения тока сопротивление резистора R₀ должно быть много меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток.

Косвенный способ реализован в электронных аналоговых и цифровых измерителях тока.

Измерение напряжения и тока промышленной частоты .

Измерение напряжения и тока промышленной частоты можно выполнить любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц. Когда объект измерения мощный, то измерения выполняют электромагнитными и электродинамическими вольтметрами и амперметрами.

Для измерения напряжений промышленной частоты в таких цепях, в которых включение обычного прибора непосредственной оценки может нарушить режим этой цепи вследствие потребления мощности и тем самым исказить результаты измерений, применяют компенсаторы переменного тока. Чтобы уравновесить измеряемое напряжение компенсирующим напряжением , необходимо выполнение следующих условий: равенство напряжений U_x и U_к по модулю; противоположность их фаз (j_х - j_к = 180^о); равенство частот; одинаковая форма измеряемого и компенсирующего напряжений. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока.

Измерение тока и напряжения в трехфазных системах.

В трехфазных системах ток и напряжение измеряют теми же приборами, что и в однофазных. В симметричной трехфазной системе для контроля линейных токов и напряжений можно использовать один амперметр или вольтметр. В несимметричных системах для контроля линейных напряжений часто применяют один вольтметр с переключателем.

При измерении линейных токов в трехпроводных системах и для изоляции приборов от высоковольтных участков цепи применяют схему с двумя трансформаторами тока

При измерении фазных токов в трехфазных системах для преобразования токов и разделения цепей высокого и низкого напряжений используют три трансформатора тока. Для подключе­ния вольтметров при измерении фазных напряжений в таких систе­мах применяют также три трансформатора напряжения.