6. Электроизмерительные приборы

6.1. Виды приборов

В лаборатории используются следующие виды электроизмерительных приборов:

● экранные (осциллографы),

● цифровые (амперметры, вольтметры, мультиметры),

● стрелочные (амперметры, вольтметры, омметры).

Точность цифрового прибора определяется числом разрядов на его табло. Обычно их четыре. Последний разряд считается малодостоверным. Если, например, четырёхразрядный вольтметр показывает число 157,3, то результат следует понимать так: и = 157,3±0,1 В. Таким образом, приборная ошибка Δх_пр – это единица последнего разряда. Если же цифра в последнем разряде нестабильна (например, то 2, то 3, то снова 2), то приборная ошибка увеличивается до единицы предпоследнего разряда: и = 157±1 В.

6.2. Стрелочные электроизмерительные приборы

6.2.1. Ценя деления шкалы прибора

Определение. Приращение измеряемой величины х, соответствующее одному делению шкалы, называется ценой деления шкалы прибора.

Пример 1. Пусть шкала микроамперметра имеет N = 50 делений, а

I_max = 100 мкА. Тогда цена деления α = I_max/N = 2 мкА/дел.

Величина, обратная цене деления, называется чувствительностью прибора. В Примере 1 чувствительность прибора равна 0,5 дел/мкА.

6.2.2. Класс точности прибора

За абсолютную погрешность прибора Δх_пр обычно принимается цена деления его шкалы: Δх_пр = α, хотя в хороших приборах с зеркальной шкалой за Δх_пр часто берётся половина деления шкалы: Δх_пр = α/2.

Величина даётотносительную погрешность прибора в данном месте его шкалы, т. е. там, где находится стрелка. Ясно, что в начале шкалы, где х мало, величина δ велика, а в самом конце шкалы, где х→max, относительная погрешность δ минимальна.

Пример 2. В приборе из Примера 1 минимальная погрешность

δ_min=.

Пример 3. Если Δх = α/2, то δ_min=.

Определение. Величина минимальной относительной погрешности

δ_min =δ₀ в процентах, когда стрелка находится в конце шкалы, называется классом точности данного прибора.

Отсюда следует, что класс точности прибора из Примера 2: δ₀ = 2.0, а прибора из Примера 3: δ₀ = 1.0.

Реально на шкалах стрелочных приборов указывается не абсолютная погрешность Δх_пр, а именно его класс точности δ₀. А уж величина Δх_пр определяется по формуле:

Δх_пр = х_max·δ₀

(здесь δ₀ выражается, конечно же, не в процентах, а в долях единицы).

Промышленностью выпускаются (выпускались) стрелочные приборы следующих классов:

● 0.05, 0.1, 0.2 – прецизионные (высокоточные) приборы,

● 0.5, 1.0, 1.5 – лабораторные приборы,

● 2.0, 2.5, 4.0 – технические приборы.

6.2.3. Многопредельные приборы

Для расширения диапазона измерений одним и тем же прибором в нём делается переключатель пределов, который, изменяя предел х_max, например, в 3, 10, 30, 100 раз, позволяет проводить измерения в разных диапазонах примерно с одинаковой относительной погрешностью δ. Такие приборы называются многопредельными.

Пример 4. Пусть имеется вольтметр класса δ₀ = 1.0 с пределами шкалы и_max= 3 В, 30 В, 300 В. И требуется измерить напряжение и = 15 В.

Ясно, что предел 3 В в этом случае нельзя выставлять вообще, так как стрелка зашкалит и прибор может испортиться.

Выставим предел и_max = 30 В. Тогда абсолютная погрешность шкалы Δи_пр= и_max ·δ₀ = 30·0,01 = 0,3 В. Следовательно, относительная погрешность измерения напряжения и = 15 В будет такой:

δ = 0,02 = 2%.

Выставим теперь предел и_max = 300 В. В этом случае абсолютная погрешность шкалы Δи_пр= и_max ·δ₀ = 300·0,01 = 3 В, а относительная погрешность измерения напряжения и = 15 В теперь будет такой:

δ = 0,2 = 20%,

т. е. в 10 раз больше, чем на пределе 30 В.

Таким образом, предел надо выставлять таким, чтобы при измерении данного напряжения стрелка была по возможности ближе к концу шкалы. Это уменьшает относительную погрешность δ, приближая её к предельно возможной для данного прибора δ_min = δ₀.

Необходимо, однако, помнить, что если измеряемая величина заранее неизвестна даже приблизительно, то, чтобы не испортить прибор, измерения следует начинать с заведомо бóльшего предела, уменьшая его затем до тех пор, пока следующее переключение уже приведёт к зашкаливанию.