Классификация измерительных приборов и погрешности измерений

Электрические измерения

1. Классификация измерительных приборов и погрешности измерений.

2. Приборы магнитоэлектрической системы.

3. Приборы электромагнитной системы.

4. Приборы электродинамической и ферродинамической систем.

5. Однофазный индукционный счетчик электрической энергии.

6. Омметры и мегаомметры.

7. Термоэлектрические приборы.

8. Цифровые измерительные приборы.

9. Измерение неэлектрических величин электрическими методами. Датчики.

Приборы электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого измеряемым током, со стальным сердечником, помещенным в это поле (рис. 5).

При протекании измеряемого тока через катушку 1 в ее плоской щели 2 создается магнитное поле. Вне катушки на агатовых подпятниках установлена ось 3 с эксцентрично укрепленным сердечником 4 из магнитомягкой (с малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью) стали и стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его внутрь, поворачивая тем самым ось со стрелкой прибора. Этому повороту препятствует закручивающаяся спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент.

В отличие от приборов магнитоэлектрической системы у приборов электромагнитной системы угол отклонения стрелки пропорционален квадрату тока

α = с I2

(7)

где с — постоянная для данного прибора величина, поэтому шкала электромагнитного прибора неравномерна (рис. 6).

Меняя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить почти равномерную шкалу, начиная с 20 % от верхнего предела измерений. При меньших значениях измеряемой величины электромагнитные приборы недостаточно чувствительны и начальная часть шкалы считается нерабочей.

Направление отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока одновременно меняется направление вектора магнитной индукции внутри катушки и в сердечнике, а характер их взаимодействия (притяжение) остается прежним. Этот же вывод следует из выражения (7), в которое значение тока входит в квадрате. Следовательно, эти приборы пригодны для измерений в цепях и постоянного, и переменного тока . В цепи переменного тока они измеряют действующее значение. Электромагнитные приборы применяются и как амперметры, и как вольтметры. В последнем случае обмотка выполняется большим числом витков тонкой медной проволоки.

Внешние магнитные поля оказывают значительное влияние на показания электромагнитных приборов из-за относительно слабого собственного магнитного поля. Для ослабления этого влияния измерительный механизм защищают стальным экраном или применяют астатические измерительные механизмы.

Астатическое устройство — совокупность двух измерительных механизмов, подвижные системы которых объединены в одном приборе и воздействуют на одну и ту же ось со стрелкой. При этом измерительные механизмы расположены так, что под действием внешнего поля вращающий момент одного из них увеличивается, а другого на столько же уменьшается, при этом общий вращательный момент, действующий на всю подвижную систему прибора, остается неизменным.

Достоинствами электромагнитных приборов являются простота конструкции, невысокая стоимость, пригодность для постоянного и переменного тока, способность выдерживать большие перегрузки, возможность непосредственного включения амперметров на большие токи, а также пригодность для применения в качестве щитовых приборов. Недостатки: неравномерность шкалы, низкая чувствительность, сравнительно большое собственное потребление энергии, высокая чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.

Омметры и мегаомметры

Сопротивления различных элементов электрических цепей изменяются в очень широком диапазоне. Сопротивления условно можно разделить на малые (до 1 Ом), средние (от 1 Ом до 100 кОм) и большие (более 100 кОм). Для измерения сопротивлений используют следующие методы: косвенный (с помощью амперметра и вольтметра, с последующим вычислением сопротивления), непосредственной оценки и сравнения (с помощью мостов и потенциометров). Для непосредственного измерения сопротивлений применяют омметры — приборы, у которых шкала проградуирована в омах. Обычно омметр — прибор, объединяющий в одном корпусе миллиамперметр магнитоэлектрической системы, источник питания (батарейку) и добавочный резистор R, ограничивающий ток (рис. 14).

Так как малому сопротивлению соответствует большой ток (и наоборот), то для нахождения положения нулевого деления на шкале замыкают ключ К и перемещением движка резистора R добиваются наибольшего отклонения стрелки. Это положение стрелки соответствует нулевому делению шкалы. Затем, подключая известные сопротивления, градуируют шкалу в омах. Отсчет по такой шкале ведется справа налево, а так как по закону Ома между током и сопротивлением существует обратно пропорциональная зависимость, то шкала омметра неравномерна (рис. 15). Она сильно сжата у конца, соответствующего большим сопротивлениям.

Для измерения больших сопротивлений (сопротивления изоляции электрических машин, аппаратов, приборов и электрической сети напряжением до 1000 В) применяются мегаомметры (рис. 16). Омметры с электроизмерительным механизмом позволяют измерять сопротивления, не превышающие нескольких тысяч МОм. Для измерения больших сопротивлений используются электронные омметры (тераомметры).

Термоэлектрические приборы

Термоэлектрический измерительный прибор представляет собой сочетание термоэлектрического преобразователя и электроизмерительного механизма постоянного тока. Применяется для измерения силы и напряжения (реже мощности) электрического тока. Особенно часто применяется при измерении несинусоидальных токов и на повышенных частотах.

На рис. 14 изображена схема термоэлектрического амперметра. Измеряемый ток проходит через подогреватель П (обмотка с большим удельным сопротивлением) и нагревает его. Спай термопары Т прикреплен к подогревателю или находится вблизи него. ЭДС термопары создает ток, проходящий через магнитоэлектрический прибор. Таким образом, показания термоэлектрического прибора пропорциональны мощности, расходуемой на нагревание подогревателя (т. е. квадрату действующего значения тока в нем). Поэтому шкала такого прибора почти квадратична и градуируется в единицах действующего значения тока (в случае вольтметра — действующего значения напряжения).

Показания термоэлектрического измерительного прибора слабо зависят от частоты (поэтому они применяются в цепях как постоянного, так и переменного тока) и формы кривой тока или напряжения. В наиболее точных приборах (до 100-150 мА) для ограничения потерь тепла подогреватель вместе с термопарой помещают в вакуумный стеклянный баллон.

Электрические измерения

1. Классификация измерительных приборов и погрешности измерений.

2. Приборы магнитоэлектрической системы.

3. Приборы электромагнитной системы.

4. Приборы электродинамической и ферродинамической систем.

5. Однофазный индукционный счетчик электрической энергии.

6. Омметры и мегаомметры.

7. Термоэлектрические приборы.

8. Цифровые измерительные приборы.

9. Измерение неэлектрических величин электрическими методами. Датчики.

Классификация измерительных приборов и погрешности измерений

Для контроля режима электрических цепей приходится измерять ряд физических величин: ток, напряжение, мощность, энергию. В цепях переменного тока помимо этого измеряют также частоту, сдвиг по фазе и контролируют форму кривой напряжения и тока.

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Технические средства, которые служат для измерения электрических величин, называются электроизмерительными приборами. Во многих отраслях техники электроизмерительными приборами пользуются также для измерения и контроля неэлектрических величин.

От измерительных приборов, применяемых в электрических цепях, прежде всего требуется, чтобы они не вносили заметных искажений в режим цепи. Поэтому электроизмерительные приборы должны потреблять минимальную мощность и не оказывать существенного влияния на сопротивление цепи.

Приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называют аналоговыми (в них отсчет значения измеряемой величины производится по шкале). Измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и дающие показания в цифровой форме, называют цифровыми.

На практике часто применяют суммирующие приборы, в которых значения измеряемой величины суммируются по времени или по другой независимой переменной, например счетчик электрической энергии. Суммирующие измерительные приборы дают значения суммы двух или нескольких величин, подводимых по различным каналам, например, ваттметр, суммирующий мощность нескольких электрических генераторов

Полученное из опыта значение измеряемой величины может отличаться от ее действительного значения. Это может быть обусловлено конструктивными недостатками прибора, несовершенством технологии его изготовления, а также влиянием различных внешних факторов. Разность между показанием прибора X и истинным значением измеряемой величины X₀ называется абсолютной погрешностью измерительного прибора:

(1)

Относительная погрешность измерения δ определяется обычно в процентах к истинному значению X₀, но так как отклонения X от X₀ сравнительно малы, то можно считать, что

(2)

Поскольку величина X при измерении может принимать любые значения в пределах от 0 до X_N, где X_N - верхний предел диапазона измерения прибора (номинальное значение), то оценить качество прибора по значению абсолютной или относительной погрешности невозможно. Поэтому было введено понятие приведенной погрешности

(3)

Значение приведенной погрешности, выраженное в процентах: определяет класс точности прибора. По степени точности даваемых показаний электроизмерительные приборы делятся на классы, обозначаемые соответственно числами: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4, определяющими максимальную погрешность прибора в процентах при полном отклонении указателя.

Электроизмерительные приборы классифицируют по целому ряду признаков. Здесь приведены лишь некоторые из них:

1. По виду измеряемой величины. Классификация в этом случае производится по наименованию единицы измеряемой величины. На шкале прибора пишут полное его наименование или начальную латинскую букву единицы измеряемой величины, например, амперметр - A , вольтметр - V , ваттметр - W и т. д. К условной букве наименования прибора может быть добавлено обозначение кратности основной единицы: миллиампер - mA , киловольт kV , мегаватт MW ит. д.

2. По физическому принципу действия измерительного механизма прибора, т. е. по способу преобразования электрической энергии в механическое действие подвижной части прибора (табл. 1).

Таблица 1 – Условные обозначения, указывающие принцип действия измерительного механизма прибора

3. По роду измеряемого тока. Эта классификация позволяет определить, в цепях какого тока можно применять данный прибор (табл. 2).

Таблица 2 – Условные обозначения, указывающие род тока, для которого предназначен прибор

На приборах переменного тока указывают номинальное значение частоты или диапазон частот, на которые они рассчитаны, например, 120 Гц, 45-550 Гц. Если на приборе не указан диапазон рабочих частот, значит, он предназначен для работы в установках с частотой 50 Гц.

4. По классу точности. Класс точности прибора является его обобщенной характеристикой. Допускаемая относительная погрешность меньше в точках шкалы, ближайших к номинальному значению.

На шкале электроизмерительного прибора отмечаются измеряемая им физическая величина, класс точности прибора, род тока, для которого прибор предназначен, рабочее положение (вертикальное или горизонтальное), величина напряжения, при котором испытывалась изоляция прибора, система прибора. Например, прибор М42101, изображённый на рис. 2, представляет собой килоамперметр постоянного тока класса точности 1,5, вертикального расположения, изоляция испытана напряжением 2 кВ, магнитоэлектрической системы (таблица 4):

Таблица 4 – Обозначения на шкале измерительного прибора, изображённого на рис. 2