Тема 1.3. Измерительные приборы.

Тема 1.3. Измерительные приборы.

Приборы для измерения электрического сопротивления, напряжения, тока, линейных и угловых перемещений. Назначение, устройство и принцип действия.

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.

Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:

· амперметры — для измерения силы электрического тока;

· вольтметры — для измерения электрического напряжения;

· омметры — для измерения электрического сопротивления;

· мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы

· частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока;

· магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений;

· ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока;

· электрические счётчики — для измерения потреблённой электроэнергии

· и множество других видов

Измерение электрического сопротивления

По своей физической природе все вещества по-разному реагируют на протекание через них электрического тока. Одни тела хорошо его пропускают и их относят к проводникам, а другие очень плохо – это диэлектрики.

Свойства веществ противодействовать протеканию тока оценивают численным выражением - величиной электрического сопротивления. Принцип его определения предложил Георг Ом. Взаимосвязь между электрическим сопротивлением вещества, приложенным к нему напряжением и протекающим электрическим током принято называть законом Ома.

Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае: R = U/I

Омметр

Омметр – это измерительный прибор специализированного назначения, предназначенный для определения сопротивления электрического тока.

Сопротивление выражается в Омах (Ом).

Омметр – это прибор непосредственного отсчета. Основная функция – определение активных сопротивлений электрического тока.

Как правило, омметр, прежде, чем выполнять измерения, преобразует переменный ток в постоянный. Некоторые модели могут измерять сопротивление переменного тока, без его преобразования.

Омметры подразделяются:

По диапазону проводимых измерений:

- микроомметры, для определения очень малых сопротивлений, меньше 1 миллиома;

- миллиомметры – единица измерения миллиом (х100);

- омметры;

- мегаомметры – единица измерения сотни мегаом;

- гигаомметры – более 1 ГОм;

- терраомметры – для измерения сотен терраом.

По принципу применения (исполнения):

- переносные устройства.

- лабораторные или стационарно-закрепленные (щитовые).

По принципу действия (наиболее важное классификационное определение):

– приборы с магнитоэлектрической системой (имеющие магнитоэлектрический измеритель). Прибор подключают в измеряемую электрическую цепь последовательно. Диапазон измерений от сотен ом до нескольких мегаом. Действие омметров подобного типа основано на опосредованном измерении сопротивления через измерение силы тока, идущего через измеряемое сопротивление от источника питания с постоянным напряжением. В зависимости от сопротивления, стрелка прибора отклоняется, указывая величину проводимых измерений.

– приборы, имеющие магнитоэлектрический логометр. Эта категория включает в себя, в основном, мегаомметры. Эти приборы тоже имеют магнитоэлектрическую систему, но измерителем служит логометр. Принцип работы: к логометру подключаются резисторы и измеряемое сопротивление. Резисторы, в зависимости от величины измерения, могут подключаться в различных комбинациях. Прибор высчитывает соотношение сопротивлений в резисторах, и выдает искомое значение, которое и отображается на шкале. Такие приборы, в качестве источника энергии, используют источник тока с постоянным напряжением (генератор).

Электронные омметры по типу отображения информации:

- аналоговые (стрелочные). Принцип работы основан на преобразовании сопротивления в напряжение, прямо ему пропорциональное. Преобразованием величин занимается особое устройство – операционный усилитель. В результате, на линейной шкале прибора отображается измеряемая величина сопротивления.

- цифровые. Прибор, по сути, представляет собой измерительный мост, с автоматически управляемым уравновешиванием. В зависимости от измеряемого сопротивления, происходит автоматический подбор (уравновешивание) резисторов, после чего информация отображается на цифровом дисплее.

Мегаомметры

Обычные омметры работают от энергии батарейки или аккумулятора — источника напряжения небольшой мощности. Его энергии достаточно для того, чтобы создать слабый электрический ток, который надежно проходит через металлы, но ее мало для создания токов в диэлектриках.

По этой причине обычным омметр не может выявить большинство дефектов, возникающих в слое изоляции. Для этих целей специально создан мегаомметр.

Внешний вид

Приборы этого типа тоже бывают стрелочными и цифровыми. В качестве примера можно продемонстрировать мегаомметр марки М4100/5.

Его шкала состоит из двух поддиапазонов:

1. МΩ — мегаомы;

2. KΩ — килоомы.

Электрическая схема

Работает по тем же самым принципам, основанным на применении закона Ома.

В качестве источника напряжения выступает генератор постоянного тока, ручку которого необходимо равномерно вращать с определенной скоростью порядка 120 оборотов в минуту. От этого зависит уровень высоковольтного напряжения, выдаваемого в схему. Эта величина должна пробить слой дефектов с пониженной изоляцией и создать сквозь нее ток, который отобразится перемешением стрелки по шкале.

Переключатель режима измерения МΩ—KΩ коммутирует положение групп резисторов схемы, обеспечивая работу прибора в одном из рабочих поддиапазонов.

Отличием конструкции мегаомметра от простого омметра является то, что на этом приборе используются не две выходные клеммы, подключаемые к измеряемому участку, а три: З (земля), Л (линия) и Э (экран).

Клеммами земля и линия пользуются для измерения сопротивдения изоляции токоведущих частей относительно земли или между разными фазами. Клемма экрана призвана устранить воздействие создаваемых токов утечек через изоляцию на точность работы прибора.

У большого количества мегаомметров других моделей клеммы обозначают немного по-другому: «rx», «—», «Э». Но суть работы прибора от этого не меняется, а клемма экрана используется для тех же целей.

Цифровые мегаомметры

Современные приборы измерения сопротивления изоляции оборудования работают по тем же принципам, что их стрелочные аналоги. Но они отличаются значительно большим количеством функций, удобством в измерениях, габаритами.

Выбирая цифровые приборы для постоянной эксплуатации следует учитывать их особенность: работу от автономного источника питания. На морозе батарейки быстро теряют работоспоосбность, требуют замены. По этой причине работа стрелочными моделями с ручным генератором остается востребованной.

Измерение напряжения

Основной единицей измерения электрического напряжения является вольт. В зависимости от величины напряжение может измеряться в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 1000 В), милливольтах (1 мВ = 0,001 В), микровольтах (1 мкВ = 0,001мВ = 0,000001 В). На практике, чаще всего, приходится сталкиваться с вольтами и милливольтами.

Существует два основных вида напряжений – постоянное и переменное. Источником постоянного напряжения служат батареи, аккумуляторы. Источником переменного напряжения может служить, например, напряжение в электрической сети квартиры или дома.

Для измерения напряжения используют вольтметр. Вольтметры бывают стрелочные (аналоговые) и цифровые.

Вторые более удобны в эксплуатации. Если при измерении стрелочным вольтметром показания напряжения приходится вычислять по шкале, то у цифрового результат измерения сразу высвечивается на индикаторе.

Есть некоторые процессы, которые цифровым прибором увидеть нельзя, поэтому стрелочные больше применяются на промышленных предприятиях, лабораториях, ремонтных мастерских и т.п.

Схемы измерения напряжения

Рис. 2: Rдоп — дополнительное сопротивление; ИТН — измерительный трансформатор напряжения

На электрических принципиальных схемах вольтметр обозначается кружком с заглавной латинской буквой «V» внутри. Рядом с условным обозначением вольтметра указывается его буквенное обозначение «PU» и порядковый номер в схеме. Например. Если вольтметров в схеме будет два, то около первого пишут «PU 1», а около второго «PU 2».

При измерении постоянного напряжения на схеме указывается полярность подключения вольтметра, если же измеряется переменное напряжение, то полярность подключения не указывается.

Напряжение измеряют между двумя точками схемы: в электронных схемах между плюсовым и минусовым полюсами, в электрических схемах между фазой и нулем. Вольтметр подключают параллельно источнику напряженияили параллельно участку цепи — резистору, лампе или другой нагрузке, на которой необходимо измерить напряжение:

Рассмотрим подключение вольтметра: на верхней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и одновременно на источнике питания GB1. На нижней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и резисторе R1.

Перед тем, как измерить напряжение, определяют его вид и приблизительную величину. Дело в том, что у вольтметров измерительная часть рассчитана только для одного вида напряжения, и от этого результаты измерений получаются разными. Вольтметр для измерения постоянного напряжения не видит переменное, а вольтметр для переменного напряжения наоборот, постоянное напряжение измерить сможет, но его показания будут не точными.

Знать приблизительную величину измеряемого напряжения также необходимо, так как вольтметры работают в строго определенном диапазоне напряжений, и если ошибиться с выбором диапазона или величиной, прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения вольтметра составляет 0…100 Вольт, значит, напряжение можно измерять только в этих пределах, так как при измерении напряжения выше 100 Вольт прибор выйдет из строя.

Помимо приборов, измеряющих только один параметр (напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота), существуют многофункциональные, в которых заложено измерение всех этих параметров в одном приборе. Такой прибор называется тестер (в основном это стрелочные измерительные приборы) или цифровой мультиметр.

В основной своей массе мультиметры могут измерять два вида напряжения в пределах 0…1000 Вольт. Для удобства измерения оба напряжения разделены на два сектора, а в секторах на поддиапазоны: у постоянного напряжения поддиапазонов пять, у переменного — два.

У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 200m, 2V, 20V, 200V, 600V. Например. На пределе «200V» измеряется напряжение, находящееся в диапазоне 0…200 Вольт.

Ппроцесс измерения.

Измерение силы тока

Ток или силу токаопределяют количеством электронов, проходящих через точку или элемент схемы в течение одной секунды. Так, например, через нить накала горящей лампы накаливания карманного фонаря ежесекундно проходит около 2 000 000 000 000 000 000 (два триллиона) электронов. Однако на практике измеряется не количество электронов, а их движение, выраженное в амперах (А).

Ампер – это единица электрического тока, которую так назвали в честь французского физика и математика А. Ампера изучавшего взаимодействие проводников с током. Экспериментально установлено, что при токе в 1А через точку или элемент схемы проходит около 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Помимо ампера применяют и более мелкие единицы силы тока: миллиампер(мA), равный 0,001 А, и микроампер (мкA), равный 0,000001 А или 0,001 мА. Следовательно: 1 А = 1000 мА = 1 000 000 мкА.

Как и напряжение, ток бывает постоянный и переменный. Приборы, служащие для измерения тока, называют амперметрами, миллиамперметрами и микроамперметрами. Так же, как и вольтметры, амперметры бывают стрелочными и цифровыми.

На электрических схемах приборы обозначаются кружком и буквой внутри: А(амперметр), мА (миллиамперметр) и мкА (микроамперметр). Рядом с условным обозначением амперметра указывается его буквенное обозначение «PА» и порядковый номер в схеме. Например. Если амперметров в схеме будет два, то около первого пишут «PА1», а около второго «PА2».

Для измерения тока амперметр включается непосредственно в цепь последовательно с нагрузкой, то есть в разрыв цепи питания нагрузки. Таким образом, на время измерения амперметр становится как бы еще одним элементом электрической цепи, через который протекает ток, но при этом в схему амперметр никаких изменений не вносит. На рисунке ниже изображена схема включения миллиамперметра в цепь питания лампы накаливания.

Также надо помнить, что амперметры выпускаются на разные диапазоны (шкалы), и если при измерении использовать прибор с меньшим диапазоном по отношению к измеряемой величине, то прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения миллиамперметра составляет 0…300 мА, значит, силу тока измеряют только в этих пределах, так как при измерении тока свыше 300 мА прибор выйдет из строя.

Схемы измерения тока

Рис. 1: R_ш — сопротивление шунта; ИТТ — измерительный трансформатор тока

Вторая и четвертая схемы применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования:

I_ист = I_изм k_пр

где I_ист — истинное значение тока, I_изм — измеренное значение тока, k_пр — коэффициент преобразования.

Тема 1.3. Измерительные приборы.

Приборы для измерения электрического сопротивления, напряжения, тока, линейных и угловых перемещений. Назначение, устройство и принцип действия.

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.

Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:

· амперметры — для измерения силы электрического тока;

· вольтметры — для измерения электрического напряжения;

· омметры — для измерения электрического сопротивления;

· мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы

· частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока;

· магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений;

· ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока;

· электрические счётчики — для измерения потреблённой электроэнергии

· и множество других видов