5. Электроизмерительные приборы и электрические измерения

Измерение − это процесс сравнения физической величины с принятым за ее единицу значением. К средствам измерений можно отнести: меры, то есть эталонные технические средства для воспроизведения единиц физической величины, измерительные приборы; измерительные преобразователи. Все измерения физических величин разделяют на прямые и опосредствованные (косвенные). При прямом измерении значения физической величины получают непосредственно с замера. При косвенном измерении искомую физическую величину вычисляют по данными прямых измерений других величин.

Принято различать два метода измерения: прямым преобразованием и сравнением с мерой. При использовании метода прямого преобразования измеренную величину определяют непосредственным отсчетом показаний измерительного прибора. Метод сравнения с мерой разделяют на метод дифференциальный и нулевой. При дифференциальном методе измеряемый сигнал оценивают как разность измеренных сигналов от исследуемого объекта и меры. Нулевой метод − это метод сравнения, при котором сравнивают измеряемые сигналы от исследуемого объекта и меры так, что разность между ними становится равной нулю.

Разницу между измеренным х_и и действительным значением х измеряемой величины называют абсолютной погрешностью измерения: . Точность измерения оценивают относительной погрешностью δ, которую определяют как выраженное в процентах отношения абсолютной погрешности к действительному значению измеренной величины:

Для уменьшения относительной погрешности следует выбирать границы измерений прибора так, чтобы его показания находились на последней трети шкалы или избранного диапазона измерения, поскольку абсолютная погрешность для большинства приборов практически не зависит от значения измеряемой величины.

Точность измерительных приборов оценивают приведенными погрешностями, которые определяют в процентах по отношению абсолютной погрешности ∆х к нормальному значению х_N. Приведенную погрешность при нормальных условиях работы, зависящую от самого прибора, называют основной погрешностью прибора. Измерительным приборам, допустимые границы погрешностей которые определяются приведенными погрешностями, присваивают класс точности, который выбирают из ряда чисел 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5 и 6·10ⁿ, где п = +1; 0; -1; -2. Цифра, которая обозначает класс точности, указывает на наибольшее допустимое значение основной погрешности прибора.

По виду измеряемой величины электроизмерительные приборы разделяют на амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии, частотомеры, фазометры и прочие.

Измерительные приборы можно поделить на аналоговые и цифровые. К аналоговым приборам можно отнести все приборы со стрелочным указателем. Цифровые приборы дают показания в цифровой форме. Наибольшее распространение имеют аналоговые показывает приборы прямого отсчета. Все они имеют в своем составе две основных части: измерительный механизм и измерительная цепь.

Перемещение подвижной части измерительного прибора происходит за счет взаимодействия магнитных или электрических полей, результатом которого есть возникновение вращательного момента. Перемещение подвижной части прекращается, если наступает равенство вращательного и противодействующего моментов. Для создания противодействующего момента используют электромагнитные и механические устройства.

Для создания электромагнитного противодействующего момента в измерительном механизме устанавливают специальную обмотку, которая получает питание от одного и того же источника, что и измерительная цепь и перемещается вместе с измерительной обмоткой. Приборы с электромагнитным противодействующим моментом, созданным дополнительной подвижной обмоткой, называют логометрами. Характерной их особенностью есть то, что при отсутствии питания стрелка такого прибора может находиться в произвольном месте шкалы.

Для создания механического противодействующего момента широко используют спиральные пружины из фосфористой бронзы или растяжки. В приборах высокой чувствительности, например в гальванометрах, используют растяжки.

По принципу действия измерительной системы приборы разделяют на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, феродинамические и другие.

В приборах магнитоэлектрической системы вращательный момент создается взаимодействием измеряемого постоянного тока в подвижной катушке, выполненной из тонкого изолированного провода, намотанного на алюминиевую рамку, с полем постоянного магнита. Вращательный момент катушки пропорционален току в измерительной рамке , где С_пр − конструктивная постоянная прибора. Благодаря этому магнитоэлектрические приборы имеют удобную линейную шкалу, а благодаря большому значению магнитной индукции магнита − большую чувствительность. Направление вращательного момента катушки измерительного механизма магнитоэлектрического прибора зависит от направления тока в катушке. Поэтому магнитоэлектрические приборы можно использовать лишь в цепях постоянного тока. В цепях пульсирующего тока магнитоэлектрические приборы показывают среднее значение измеренного тока или напряжения.

Принцип действия приборов электромагнитной системы, основанный на явлении втягивания ферромагнитного сердечника в середину недвижной катушки, магнитное поле которой создает измеряемый ток. Угол поворота подвижной части прибора электромагнитной системы пропорционален квадрату измеряемого тока и изменению индуктивности измерительной катушки вследствие перемещения подвижного сердечника. Если через катушку течет переменный ток, то приложенные к ферромагнитному подвижному сердечнику силы не изменяют своего направления.

Приборы электромагнитной системы простые, надежные и дешевые. К недостаткам приборов электромагнитной системы можно отнести невысокий класс точности измерений, относительно большую потребляемую мощность, неравномерность шкалы, низкую чувствительность особенно при маленьких токах в катушке. Вследствие этого начальная часть шкалы (до 25%) таких приборов не имеет делений и не может быть использована для измерений.

Принцип действия приборов электродинамической системы состоит в силовом взаимодействии двух катушек с токами, одна из которых выполняется неподвижной. Вращательный момент М_вр такого прибора , где І₁ и І₂ токи катушек, М − коэффициент взаимоиндукции, α − угол поворота подвижной катушки. Поэтому шкала электродинамических вольтметров и амперметров квадратичная. Шкала электродинамических ваттметров линейная.

Приборы электродинамической системы потребляют относительно большую мощность. Благодаря отсутствию ферромагнитных сердечников с нелинейными свойствами электродинамические приборы могут иметь класс точности 0,2 и даже 0,1.

Применением ферромагнитных сердечников усиливают собственные магнитные поля катушек и увеличивают вращательный момент приборов, но одновременно уменьшается их точность благодаря явлению гистерезиса и вихревых токов в сердечнике. Такие приборы называют феродинамическими. Их применяют, главным образом, как щитовые ваттметры невысокой точности.

Для расширения пределов измерений амперметра в цепях постоянного тока параллельно нему включают шунт, через который проходит большая часть тока, а в цепях переменных токов используют измерительные трансформаторы тока.

Для расширения пределов измерений вольтметром напряжений до 1000 В в цепях постоянного тока используют прецизионные дополнительные резисторы, которые включают последовательно с вольтметром. Для расширения границ измерений вольтметров в цепях переменного тока с напряжением большее 1000 В используют измерительные трансформаторы напряжения.

При косвенных измерениях сопротивлений резисторов по показаниям амперметра и вольтметра следует включать вольтметр непосредственно к выводам низкоомного резистора. Если же резистор высокоомный − следует включать вольтметр перед амперметром. Более точным есть мостовой метод измерения сопротивлений.

Для измерения сопротивления изоляции используют специальные приборы − мегомметры, с встроенным магнитоэлектрическим генератором постоянного тока с ручным приводом. Вращая ручку генератора, можно получить ЭДС до 2500 В.

Электронные приборы имеют в своем составе усилители, поэтому потребляемая ими в измерительной цепи мощность намного меньше, а входные сопротивления, например электронных вольтметров, значительно большие чем вольтметров с электромеханическим измерительным механизмом. Кроме того, электронные приборы дают возможность представить измеренное значение в цифровой форме, фиксировать время и измеренную величину во внутренней памяти, передавать эти данные на компьютер для обработки данных измерений и создания протокола испытаний.

Электронно-лучевой осциллограф позволяет визуально наблюдать на люминесцентном экране кривые, характеризующие быстропротекающие переходные процессы. Важнейшая часть электронного осциллографа − электронно-лучевая трубка, которая имеет в своем составе электронный прожектор, отклоняющую систему и экран. Электронный прожектор создает узкий электронный луч. С помощью отклоняющего устройства измеряемое напряжение руководит движением электронного луча, который играет роль практически безинерционной подвижной части измерительного прибора. Луч попадает на покрытый слоем люминофора экран, на котором получается световое пятно. При отклонениях луча пятно передвигается по экрану и изображает кривую исследуемого процесса.