Каковы методы измерения высокого напряжения? Какова длительность испытаний при переменном и постоянном напряжении.

Как измерить высокое напряжение мультиметром

Основная сложность измерения высокого напряжения мультиметром – это создание схемы делителя.

Обычно в бытовых поверенных приборах предусматривают возможность измерения напряжения номиналом до 1-2 тысяч вольт. И это оправдано, ведь работа с бОльшими потенциалами опасна для здоровья, а необходимость в таких манипуляциях дома крайне маловероятна.

В каких случаях может пригодиться измерение высоких напряжений

Если исключить ситуации получения нового опыта, саморазвития и т.п., то наиболее вероятными причинами можно назвать следующие:

• Проверка работоспособности специфичных силовых блоков, например: Высокое напряжение на аноде ТДКС (сейчас применение кинескопов в телевизорах – большая редкость);
• Напряжение накала в трансформаторах для СВЧ печей;
• И т.п.

В последних двух случаях следует применять только специальные килоомметры, соответствующие допустимым параметрам измерений.

В быту же особая точность не важна, да и сила тока повышающих трансформаторов часто небольшая.

Поэтому применение делителя при разовых измерениях более чем оправдано.

Как сделать делитель

Основной принцип построения – создание плеча из двух сопротивлений, номинал которых соотносится кратно.

Например: 20 МОм и 2 кОм. Соотношение – 1:10 000.

Принципиальная схема делителя может быть представлена следующим образом.

Рис. 1. Принципиальная схема делителя

В этом случае напряжение U2 будет рассчитываться как U·R2/(R1+R2).

То есть при соотношении R1:R2 как 1:1000 получается U1 = U·1/(1000+1) = U/1001.

При соотношении 1:10000 – U/10001 и так далее.

Единицей в конце в данном случае можно просто пренебречь, так как сами резисторы могут иметь отклонения в номинале, а на погрешности измерений при таких потенциалах это скажется незначительно.

Таким образом, достаточно собрать делитель из доступных сопротивлений, которые будут соотносится с нужным коэффициентом.

Резисторы не обязательно должны быть в одном экземпляре. Можно собрать их последовательно или параллельно, но тогда следует обязательно рассчитать итоговый номинал, а для дополнительной уверенности измерить сопротивление после сборки.

Один из вариантов делителя с последовательной сборкой

Рис. 2. Один из вариантов делителя с последовательной сборкой

Чем выше точность резисторов, тем лучше. Но даже допуск в 1-3% здесь – не проблема.

Меры безопасности

Работа с высокими напряжениями всегда опасна.

Чтобы предотвратить перегрев резисторов, следует использовать модели, предназначенные для работы с высокими напряжениями (например, 30-40 кВ, модели КЭВ или МЛТ-2) и с высоким коэффициентом рассеивания тепла (от 2Вт и выше, а лучше на 8Вт).

Все соединения из составных элементов следует выполнить так, чтобы исключить возникновение тока пробоя. К примеру, резисторы расположить последовательно без пересечения и наложения в плоскости, поместить в стеклянную колбу или внутрь другого материала, обладающего высокой электрической плотностью (полистирол, оргстекло, текстолит и т.п.).

Не меньшую осторожность стоит проявить в процессе самих измерений:

• Проверяемый прибор должен быть отключён при подключении делителя и измерительного прибора.
• Обратите внимание, что в кинескопах (на аноде) может накапливаться заряд.
• После измерений проверяемый прибор снова следует обесточить.

Как производить измерения

Делитель подключается к измеряемому участку цепи. В примере выше – это контакты X1 и X2.

Измерительный прибор подключается одним щупом к контакту COM (он же X2). А вторым – к выводу V (в точке деления).

Полученный числовой результат умножается на коэффициент делителя (он будет зависеть от используемых номиналов и рассчитывается индивидуально).

Автор: RadioRadar

Микросхемы TI со встроенным шунтом для измерения тока

В обширном ассортименте продукции компании Texas Instruments (TI) нашлось место и для измерителей тока со встроенным шунтом. Представляем два типа подобных микросхем, каждая из которых предназначена для решения различных специфических задач. Используя встроенный шунт, микросхемы INA250 и INA260 позволяют измерять двунаправленный ток нагрузки со стороны шины питания или шины заземления.

Интеграция в микросхемы прецизионного резистора для контроля тока обеспечивает высокую точность измерения, сравнимую с калиброванной, и минимальную зависимость характеристик от колебаний температуры. Кроме того, обе микросхемы используют оптимизированное 4-точечное подключение токоизмерительного шунта (схема Кельвина).

INA250

Микросхема INA250 является токоизмерительным усилителем с выходным напряжением, пропорциональным измеряемому току. Прецизионный встроенный резисторный шунт позволяет с высокой точностью измерять ток при синфазном напряжении, которое может изменяться от 0 до 36 В независимо от величины напряжения питания микросхемы.

Семейство INA250 доступно с четырьмя типами шкалы выходного напряжения: 200 мВ/A, 500 мВ/A, 800 мВ/A и 2 В/A. Все микросхемы рассчитаны на номинальный ток до 15 А (10 А – при максимальной температуре 125°C). Однополярное напряжение питания для INA250 составляет 2,7…36 В, а максимальный потребляемый ток достигает 300 мкА. Микросхема работает в расширенном температурном диапазоне -40…125°C и выпускается в 16-выводном корпусе типа TSSOP.

Основные характеристики INA250

• Встроенный прецизионный резисторный шунт сопротивление шунта: 2 мОм
• допустимая погрешность сопротивления шунта: 0,1% (макс.);
• номинальный измеряемый ток: до 15 A при температуре -40…85°C;
• температурный коэффициент: 10 ppm/°C в диапазоне 0…125°C.

INA260

Микросхема INA260 предназначена для контроля тока, мощности и напряжения с использованием встроенного шунтирующего резистора высокой точности. Цифровой выход этого интегрального монитора обеспечивает совместимость с шинами I²C и SMBus™.

Микросхема обеспечивает высокую точность измерений тока и мощности в сочетании с возможностью обнаружения превышения тока в режиме синфазных напряжений, уровень которых может изменяться от 0 до 36 В независимо от напряжения питания. У INA260 можно задать до 16 адресов для работы нескольких микросхем на единой шине I²C. Цифровой интерфейс позволяет программировать критические уровни тока, время преобразования и усреднение аналого-цифрового преобразователя (ЦАП). Для упрощения использования измерителя внутренний множитель обеспечивает прямые отсчеты тока в амперах и мощности в ваттах.

Выполненный в 16-ти выводном корпусе TSSOP интегральный измеритель INA260 работает от источника питания напряжением 2,7…5,5 В при среднем потребляемом токе 310 мкА в диапазоне рабочих температур -40…125°C.

Основные характеристики INA260

• Интегрированный резисторный шунт высокой точности сопротивление шунта: 2 мОм;
• эквивалентная погрешность: не более 0,1%;
• номинальный ток: до 15 A при температуре -40…85°C;
• температурный коэффициент: 10 ppm/°C (0…125°C).

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ

Измерение малых токов и напряжений. Для опреде­ления малых постоянных токов можно использовать как прямые, так и косвенные измерения. В первом случае ток можно измерять зеркальными гальванометрами и стре­лочными магнитоэлектрическими приборами. Наимень­ший ток, который можно измерить зеркальным гальвано­метром, равен приблизительно 10-11 А, а стрелочным маг­нитоэлектрическим прибором—10-6 А.

Еще меньшие токи измеряют косвенно — неизвест­ный ток определяют по падению напряжения на высокоомном резисторе или по заряду, накопленному конденса­тором. В качестве приборов используются баллистичес­кие гальванометры (минимально измеряемый ток К)-12 А) и электрометры (ми­нимально измеряемый ток 10-17 А, при этом через попе­речное сечение проводника проходит всего 62 электрона в секунду).

Электрометрами называют приборы высокой чувствитель­ности по напряжению с очень большим входным сопротивле­нием (порядка 1010—1015Ом). Механизм электрометра представляет собой разновидность механизма электростати­ческого прибора

Рис. 1. Схема устройства квадрант­ного электрометра.

который имеет один подвижный и не­сколько неподвижных электродов, находящихся под раз­ными потенциалами.

Широкое распространение получили квадрантные электрометры (рис. 1), у которых подвижная часть 1 с зеркалом 2

закреплена на подвесе
3
и расположена внутри четырех неподвижных электродов
4
(квадрантов). На рис1 приведена одна из схем соединения электро­дов, обладающая наибольшей чувствительностью. Изме­ряемое напряжение U
х
включается между подвижной частью и общей точкой, а на квадранты от вспомогатель­ных источников подаются постоянные напряжения U
,
значения которых равны, но противоположны по знаку.

Рис. 2. Схемы измерения очень малых токов.

а — электрометром по падению напряжения на резисторе

На рис. 2, а приведена схема измерения тока с по­мощью электрометра Э,

измеряющего падение напряже­ния U
о=1хЯо
на высокоумном резисторе R
о.
Ключ пред­назначен для снятия заряда с конденсатора, образован­ного подвижным и неподвижными электродами электро­метра. Препятствием к измерению очень малых токов яв­ляется нестабильность нулевого положения электромет­ра — медленное одностороннее смещение указателя отсчетного устройства и хаотические колебания указателя около его среднего положения — вследствие флюктуационных помех.

Для измерения малых постоянных напряжений мож­но использовать магнитоэлектрические гальванометр —

можно измерять напряжения порядка 10″~7—10~8
,
потенциометры постоянного тока —

пре­восходят гальванометры по точности и входному сопро­тивлению, но уступают им по чувствительности: они поз­воляют измерять напряжение, начиная от 10~5—10~6 В.

цифровые микровольтметры —

по точности и чувстви­тельности практически не уступают потенциометрам по­стоянного тока. Они позволяют измерять напряжение на­чиная от 10 мкВ с погрешностью 0,3—0,5%.

стрелочные магнитоэлектрические приборы

— ис­пользуются для измерения напряжений от 10-4 В и от­личаются простотой и удобством в эксплуатации

При прямых измерениях ток и напряжение можно из­мерять приборами магнитоэлектрической, электромаг­нитной, электродинамической и ферродинамической сис­тем, а также электронными и цифровыми приборами, Напряжение можно измерять приборами электростатиче­ской системы и потенциометрами постоянного тока.

Постоянные токи от 1 мкА до 6 кА и напряжения от 1 мВ до 1,5 кВ обычно измеряют приборами магнито­электрической системы. В микро- и миллиамперметрах этой системы весь ток протекает через рамку измери­тельного механизма. Этот ток, как правило, не превыша­ет 20—50 мА. Для расширения пределов измерения из­мерительного механизма по току используют шунты, а по напряжению — добавочные резисторы.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической си­стемы успешно сочетают высокую точность с малым по­треблением мощности и имеют равномерную шкалу. Наиболее точные приборы магнитоэлектрической систе­мы, предназначенные для измерения средних токов и на­пряжений, имеют классы точности 0,1; 0,2.

Приборы электродинамической системы предназна­чены для измерения токов от 10 мА до 100 А и напряже­ний от 100 мВ до 600 В. По точности они эквивалентны приборам магнитоэлектрической системы, но потребляют значительно большую мощность и имеют неравномерную шкалу.

Приборы ферродинамической системы применяются для измерения постоянных токов и напряжений очень редко из-за низкой точности и большой потребляемой мощности.

Приборы электромагнитной системы используются для измерения токов от 10 мА до 200 А и напряжений от 1 В до 75 В. Наиболее точные приборы этой системы имеют классы точности 0,2; 0,5. Их главное достоинст­во — низкая стоимость.

Измерение больших токов и напряжений. Шунтиро­вание магнитоэлектрических приборов дает возможность измерять постоянные токи до нескольких тысяч ампер. Отдельные шунты на токи свыше 10 кА не изготовляются вследствие их больших размеров и большой стоимости. Поэтому для измерения больших токов часто используют несколько шунтов, соединенных параллельно.

Несколько одинаковых шунтов подключают в разрыв шины, а проводники от потенциальных зажимов всех шунтов подводят к одному и тому же прибору. При ра­венстве сопротивлений Rшунтов и сопротивлений Rо

по­тенциальных проводников наличие переходных сопротив­лений в местах присоединения шунтов к шинам

Но этот способ не дает возможности отделить цепь прибора от цепи измеряемого тока, что не позволяет при­менять его в цепях высокого напряжения, где требуется заземлять цепь прибора для защиты обслуживающего персонала. При измерении тока в цепях высокого напря­жения рекомендуется использовать трансформатор по­стоянного тока.

Для измерения постоянного напряжения до 6 кВ ча­ще всего применяют магнитоэлектрические вольтметры с добавочными резисторами.

При больших напряжениях использование добавоч­ных резисторов сопряжено с большими трудностями, выз­ванными их громоздкостью и значительной потребляе­мой ими мощностью. В этих случаях применяют электро­статические вольтметры, позволяющие измерять напря­жение до 300 кВ (вольтметр типа С101), или включают обычные вольтметры через измерительные трансформато­ры постоянного напряжения.

Запись постоянных токов и напряжений производится при помощи автоматических потенциометров или самопищущих приборов магнитоэлектрической системы.

Измерение малых токов и напряжений. Для опреде­ления малых постоянных токов можно использовать как прямые, так и косвенные измерения. В первом случае ток можно измерять зеркальными гальванометрами и стре­лочными магнитоэлектрическими приборами. Наимень­ший ток, который можно измерить зеркальным гальвано­метром, равен приблизительно 10-11 А, а стрелочным маг­нитоэлектрическим прибором—10-6 А.

Еще меньшие токи измеряют косвенно — неизвест­ный ток определяют по падению напряжения на высокоомном резисторе или по заряду, накопленному конденса­тором. В качестве приборов используются баллистичес­кие гальванометры (минимально измеряемый ток К)-12 А) и электрометры (ми­нимально измеряемый ток 10-17 А, при этом через попе­речное сечение проводника проходит всего 62 электрона в секунду).

Электрометрами называют приборы высокой чувствитель­ности по напряжению с очень большим входным сопротивле­нием (порядка 1010—1015Ом). Механизм электрометра представляет собой разновидность механизма электростати­ческого прибора

Рис. 1. Схема устройства квадрант­ного электрометра.

который имеет один подвижный и не­сколько неподвижных электродов, находящихся под раз­ными потенциалами.

Широкое распространение получили квадрантные электрометры (рис. 1), у которых подвижная часть 1 с зеркалом 2

закреплена на подвесе
3
и расположена внутри четырех неподвижных электродов
4
(квадрантов). На рис1 приведена одна из схем соединения электро­дов, обладающая наибольшей чувствительностью. Изме­ряемое напряжение U
х
включается между подвижной частью и общей точкой, а на квадранты от вспомогатель­ных источников подаются постоянные напряжения U
,
значения которых равны, но противоположны по знаку.

Рис. 2. Схемы измерения очень малых токов.

а — электрометром по падению напряжения на резисторе

На рис. 2, а приведена схема измерения тока с по­мощью электрометра Э,

измеряющего падение напряже­ния U
о=1хЯо
на высокоумном резисторе R
о.
Ключ пред­назначен для снятия заряда с конденсатора, образован­ного подвижным и неподвижными электродами электро­метра. Препятствием к измерению очень малых токов яв­ляется нестабильность нулевого положения электромет­ра — медленное одностороннее смещение указателя отсчетного устройства и хаотические колебания указателя около его среднего положения — вследствие флюктуационных помех.

Для измерения малых постоянных напряжений мож­но использовать магнитоэлектрические гальванометр —

можно измерять напряжения порядка 10″~7—10~8
,
потенциометры постоянного тока —

пре­восходят гальванометры по точности и входному сопро­тивлению, но уступают им по чувствительности: они поз­воляют измерять напряжение, начиная от 10~5—10~6 В.

цифровые микровольтметры —

по точности и чувстви­тельности практически не уступают потенциометрам по­стоянного тока. Они позволяют измерять напряжение на­чиная от 10 мкВ с погрешностью 0,3—0,5%.

стрелочные магнитоэлектрические приборы

— ис­пользуются для измерения напряжений от 10-4 В и от­личаются простотой и удобством в эксплуатации

При прямых измерениях ток и напряжение можно из­мерять приборами магнитоэлектрической, электромаг­нитной, электродинамической и ферродинамической сис­тем, а также электронными и цифровыми приборами, Напряжение можно измерять приборами электростатиче­ской системы и потенциометрами постоянного тока.

Постоянные токи от 1 мкА до 6 кА и напряжения от 1 мВ до 1,5 кВ обычно измеряют приборами магнито­электрической системы. В микро- и миллиамперметрах этой системы весь ток протекает через рамку измери­тельного механизма. Этот ток, как правило, не превыша­ет 20—50 мА. Для расширения пределов измерения из­мерительного механизма по току используют шунты, а по напряжению — добавочные резисторы.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической си­стемы успешно сочетают высокую точность с малым по­треблением мощности и имеют равномерную шкалу. Наиболее точные приборы магнитоэлектрической систе­мы, предназначенные для измерения средних токов и на­пряжений, имеют классы точности 0,1; 0,2.

Приборы электродинамической системы предназна­чены для измерения токов от 10 мА до 100 А и напряже­ний от 100 мВ до 600 В. По точности они эквивалентны приборам магнитоэлектрической системы, но потребляют значительно большую мощность и имеют неравномерную шкалу.

Приборы ферродинамической системы применяются для измерения постоянных токов и напряжений очень редко из-за низкой точности и большой потребляемой мощности.

Приборы электромагнитной системы используются для измерения токов от 10 мА до 200 А и напряжений от 1 В до 75 В. Наиболее точные приборы этой системы имеют классы точности 0,2; 0,5. Их главное достоинст­во — низкая стоимость.

Измерение больших токов и напряжений. Шунтиро­вание магнитоэлектрических приборов дает возможность измерять постоянные токи до нескольких тысяч ампер. Отдельные шунты на токи свыше 10 кА не изготовляются вследствие их больших размеров и большой стоимости. Поэтому для измерения больших токов часто используют несколько шунтов, соединенных параллельно.

Несколько одинаковых шунтов подключают в разрыв шины, а проводники от потенциальных зажимов всех шунтов подводят к одному и тому же прибору. При ра­венстве сопротивлений Rшунтов и сопротивлений Rо

по­тенциальных проводников наличие переходных сопротив­лений в местах присоединения шунтов к шинам

Но этот способ не дает возможности отделить цепь прибора от цепи измеряемого тока, что не позволяет при­менять его в цепях высокого напряжения, где требуется заземлять цепь прибора для защиты обслуживающего персонала. При измерении тока в цепях высокого напря­жения рекомендуется использовать трансформатор по­стоянного тока.

Для измерения постоянного напряжения до 6 кВ ча­ще всего применяют магнитоэлектрические вольтметры с добавочными резисторами.

При больших напряжениях использование добавоч­ных резисторов сопряжено с большими трудностями, выз­ванными их громоздкостью и значительной потребляе­мой ими мощностью. В этих случаях применяют электро­статические вольтметры, позволяющие измерять напря­жение до 300 кВ (вольтметр типа С101), или включают обычные вольтметры через измерительные трансформато­ры постоянного напряжения.

Запись постоянных токов и напряжений производится при помощи автоматических потенциометров или самопищущих приборов магнитоэлектрической системы.