Общие сведение об электроизмерениях и электроизмерительных приборах

Электрические измерения являются частью метрологии — науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единст­ва и способах достижения требуемой точности. Поэтому изучение электрических измерений начнем с рассмотрения некоторых вопросов, относящихся ко всем видам измерений.

Сведения об измерениях. Во всех случаях измерений опытным путем определяют какую-либо физическую величину. Физиче­ская величина — это свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам или физическим систе­мам, их состояниям или происходящим в них процессам. Примеры физических величин: электрический ток, магнитная индукция, мас­са, время, сила, площадь и др.

В количественном отношении физические величины, как правило, не совпадают для разных объектов, могут быть различны для одного объекта в разное время. Поэтому их измеряют, приме­няя общепринятые единицы. В СССР с I января 1963 г. введена Международная система единиц (СИ).

Измерением называют операцию сравнения измеряемой физической величины с величиной такого же рода, принятой за единицу. Измерения невозможны без соответствующих техниче­ских средств. К средствам измерений, в частности, относятся: ме­ры, измерительные приборы, измерительные преобразователи.

Меры — средства измерений, предназначенные для вос­произведения физической величины заданного размера. Разли­чают меры однозначные, многозначные, наборы мер, а по назначе­нию — меры рабочий и образцовые. Однозначная мера воспроиз­водит физическую величину одного размера (гиря, нормальный элемент— мера э.д.с, конденсатор постоянной емкости и др.). Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин разного размера (линейка с делениями, конденсатор переменной емкости и др.).

Набор мер — специально подобранный комплект мер, при­меняемых отдельно или в различных сочетаниях (набор гирь, магазин сопротивлений и др.).

Рабочие меры применяют в повседневной практике для выпол­нения рабочих измерений; образцовые служат для проверки по ним рабочих мер и измерительных приборов.

Измерительные приборы — средства измерений для выработ­ки сигнала измерительной информации в форме, доступной для не­посредственного восприятия наблюдателем.

В практике применяют измерительные приборы непосред­ственной оценки и приборы сравнения. Приборы непосред­ственной оценки имеют шкалу, предварительно проградуированную в единицах измеряемой величины (часы, амперметр, вольт­метр и др.). Приборы сравнения предназначены для сравнения из­меряемой величины с мерой (весы с коромыслом, измерительный мост, потенциометр и др.).

Различают измерения прямые и косвенные. Прямые измерения дают результат (измеряемую величину) непосредственно из опы­та. Для примера можно назвать измерения массы на весах, темпе­ратуры термометром, электрического сопротивления омметром.

Косвенные измерения непосредственно измеряемой величины не дают. Ее находят вычислением, используя результаты прямых измерений вспомогательных величин, с которыми искомая величи­на связана известной зависимостью. Например, мощность в элек­трической цепи постоянного тока можно найти по показаниям ам­перметра и вольтметра (P—U1).

Погрешности измерений. По ряду причин результат измерения всегда в той или иной степени отличается от самой измеряемой ве­личины. Поэтому для точного определения измеряемой величины А надо к результату измерения А_и прибавить некоторую величину δА, называемую поправкой: А= А_и + δА.

Разность между результатом измерений и самой измеряемой величиной называют абсолютной погрешностью: ∆A=Аи — А.

Поправка и абсолютная погрешность равны по величине, но противоположны по знаку. Для оценки точности измерения определяется относительная погрешность — отношение абсолют­ной погрешности к измеряемой величине: γ % = 100∆А/А.

Стрелочные электроизмерительные приборы имеют по всей шкале величину АА, близкую к средней абсолютной погрешности, поэтому относительная погрешность в начале шкалы значительно больше, чем в конце. Для оценки точности приборов определяют относительную приведенную погрешность — отношение абсолют­ной погрешности к верхнему пределу измерения по шкале прибора: γ_пр%=100∆А/A_пр.

По этой величине устанавливают класс точности прибора (табл. 6.1), который означает наибольшую допускаемую приведенную погрешность и указан на его шкале.

Сведения об электроизмерительных приборах. В практике электрических измерений применяют много разнообразных прибо­ров, которые классифицируют по различным признакам (табл. 6.1).

Признак классификации

Тип приборов

По способу отсчета измеряе­мой величины   По роду измеряемой вели чины     По роду тока     По принципу действия   По степени точности   По защищенности от внешних полей   По условиям эксплуатации     По устойчивости к механическим воздействиям     По характеру применения   По защищенности кожухами     По габаритным размерам

Приборы: непосредственной оцен­ки; сравнения   Приборы: амперметр; вольтметр; ваттметр; счетчик кило­ватт-часов; счетчик ам­пер-часов; фазометр; час­тотомер; омметр; генри-метр; фарадометр   Приборы: постоянного тока; пере­менного тока; постоянно­го и переменного токов   Системы см. табл. 6.2   Классы точности (для приборов не посредственной оценки): 0,05; 0,1;0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4   Категории: I; II   Группы приборов для работы: А — в сухих отапливаемых помещениях; Б — в закрытых не отапливаемых помещениях; В — в полевых и морских условиях; Г — в условиях тропического климата   Приборы: обыкновенные; тряскопрочные; вибропрочные; ударопрочные; тряскоустойчивые; виброустойчивые   Приборы: стационарные; переносные   Кожухи: пыленепроницаемые; водонепроницаемые; герметические   Приборы: миниатюрные (до 50 мм); малогабаритные (от 50 до 100 мм); средние (от 100 До 200 мм); большие (свыше 200 мм)

Для изображения электроизмерительных приборов в электри­ческих схемах применяют условные обозначения, которые позволяют различать их по роду измеряемой величины (рис. 6.1) и принципу действия (табл. 6.2). Эти обозначения помещают на самих приборах вместе с другими данными, характеризующими прибор. В числе этих характеристик: единица измеряемой вели­чины, класс точности, род тока, испытательное напряжение изо­ляции, рабочее положение прибора (горизонтальное, вертикальное, под углом), товарный знак предприятия-изготовителя, по­рядковый номер и др.

Общие узлы и детали электроизмерительных приборов. При­знаки классификации (см. табл. 6.1) свидетельствуют о большом разнообразии конструкций электроизмерительных приборов. Вместе с тем меются узлы и детали, похожие по назначению и устройству. К ним относятся: детали установки подвижной части (опоры, пружины, растяжки, подвесы и др.), отсчетные приспособ­ления, успокоители, корректоры.

Для примера на рис. 6.2, а показана подвижная часть магнитоэлектрического прибора. Под действием враща­ющего момента М_вр, который возникает при подаче в прибор изме­ряемой величины, подвижная часть поворачивается и стрелка ухо­дит с нулевой отметки.

При любой величине М_вр стрелка 3 уйдет за пределы шкалы 4, если нет противодействия повороту. Противодействующий момент М_пр создают пружины 2 (их обычно две), один конец 8 которых за­креплен на оси, а другой на неподвижной части прибора. Пружины закручиваются при отклонении стрелки в сторону увеличения показаний. М_пр увеличивается пропорционально углу отклонения α:М_пр=k_пр α, где k_пр — коэффициент пропорциональности. Пред­положим, что вращающий момент пропорционален измеряемому току (току в катушке I_к) М_вр = k_вр I_к, как у прибора магнитоэлек­трической системы. Подвижная часть прибора останавливается и стрелка показывает измеряемую величину при равенстве моментов М_вр = М_пр, т. е. k_вр I_к = k_пр α. Отсюда следует, что угол отклонения стрелки зависит (в данном случае пропорцио­нально) от измеряемой

(6.1)

Величину S называют чувствительностью прибора, а величину, обратную ей,— постоянной прибора С= 1/S; I= Сα. Начальное закручивание пружин 2 можно в небольших пре­делах изменять с помощью корректора (винт Ю и поводок 9). Это предусмотрено для коррекции положения стрелки, т. е. установки ее на нулевую отметку, если она по какой-либо причине с нуля смещена при разомкнутой измерительной цепи прибора. Если в изме­рительную цепь входит элемент, расположенный на подвижной части прибора, то пружины 2 используются для подведения к нему электрического тока.

Опора (рис. 6.2, а, б) в данном случае состоит из оси 7 и под­шипника 1. Ось — легкая алюминиевая трубочка со стальными кернами 6 на концах, на ней укреплена алюминиевая пластина 5. Керны опираются на подшипники 1 из твердого материала (агат, корунд, сталь и др.). Назначение других деталей опоры (стойка 11, винт подшипника 13, стопорный винт 12) не требует по­яснений.

Трение в опорах снижает чувствительность прибора и создает погрешность измерений. Поэтому подвижную часть в современных приборах часто устанавливают на растяжках (рис. 6.3) — упру­гих металлических лентах или нитях 2, прикрепленных одним кон­цом к подвижной части, а другим — к плоским пружинам 1, создающим натяжение. Растяжки выполняют все те же функции, что и пружины 2 (см. рис. 6.2, а). При установке на растяжках тре­ние практически отсутствует и вместе с тем увеличивается устойчивость против тряски и вибрации.

В приборах особо чувствительных и точных (например, в зер­кальных гальванометрах) применяют свободную подвеску подвижной части на тонкой упругой нити, закрепленной на одном конце. Такие приборы устанавливают строго вертикально (по уров­ню), они имеют световой указатель вместо стрелки. При воздейст­вии на подвижную часть вращающего и противодействующего мо­ментов стрелка не сразу устанавливается на нужной отметке, а ко­леблется около нее, затрудняя отсчет. С целью уменьшения време­ни отсчета применяют успокоители.

В магнитоиндукционный успокоитель (рис. 6.4) входит постоянный магнит 2 и алюминиевая пластинка 1, укрепленная на оси 3 подвижной части прибора (см. рис. 6.2, а). Пластинка нахо­дится в постоянном магнитном поле, поэтому при движении в ней индуктируются вихревые токи. Силы, противодействующие движе­нию, создаются, согласно правилу Ленца, в результате взаимо­действия того же магнитного поля с вихревыми токами.

Для действия воздушного успокоителя (рис. 6.5) на оси 2 под­вижной части укреплено легкое алюминиевое крыло 1, которое движется в закрытой камере 3. Зазор между краями крыла и стен­ками камеры очень маленький, поэтому при движении крыла повы­шается давление воздуха в одной части камеры и уменьшается в другой и так создается тормозное усилие.

Действие одного из жидкостных успокоителей поясняет (рис. 6.6), где показаны два металлических диска, а между ними в зазоре около 0,1 мм находится вязкая жидкость 2, которая не выливается в любом положении. Диск / укреплен на подвижной, а диск 3 на неподвижной части прибора. Взаимному движению дисков препятствуют силы сцепления жидкости с дисками.

Измерение тока и напряжения

В повседневной практике для технических измерений электри­ческих токов и напряжений применяют чаще всего стрелочные приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.

Магнитоэлектрический измерительный механизм. Работа магнитоэлектрического измерительного механизма основана на взаимодействии постоянного магнитного поля и электрического тока. Одна из конструктивных схем показана на (рис. 6.7.)

В магнитную цепь прибора входят: сильный постоянный маг­нит 1, ярмо 2, полюсные наконечники 3, сердечник 4. В воздушных зазорах между полюсными наконечниками и сердечником создает­ся равномерное радиальное магнитное поле. Этого достигают пу­тем соответствующего оформления и тщательной обработки полюсных наконечников. Вокруг оси 6 и сердечника в пределах уг­ла 90° может поворачиваться катушка 5, т. е. обмотка из медного изолированного провода на легком алюминиевом каркасе в виде рамки.

Если в катушке имеется ток 1_к, тона каждый ее проводник дли­ной l со стороны магнитного поля действует электромагнитная си­ла F_м = BI_Kl [см. формулу (3.24)].

Относительно оси рамки создается вращающий момент М_вр = = NSBI_к, где N — число витков обмотки; S—площадь рамки; В — магнитная индукция — величины, постоянные для данного прибора. Поэтому М_вр=k_врI_к Противодействующий момент M_пр = k_прα создается пружинами.

Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую чув­ствительность, малое собственное потребление энергии, малую за­висимость показаний от внешних магнитных полей. Эти преимущества обеспечиваются тем, что постоянный магнит созда­ет сильное магнитное поле, а магнитопровод является одновремен­но магнитным экраном; подвижная часть механизма очень лег­кая.

Вместе с тем направление вращающего момента зависит от на­правления тока в катушке, а это значит, что магнитоэлектрические приборы можно использовать только в цепях постоянного тока. Легкая конструкция подвижной части не допускает механической и электрической перегрузок.

Для использования преимуществ магнитоэлектрического измерительного механизма в цепях переменного тока его соединя­ют с выпрямителем на полупроводниковых вентилях. При этом со­храняются высокая чувствительность, малое потребление энер­гии, но точность значительно снижается из-за несовершенства вы­прямителя.

Электромагнитный измерительный механизм. Подвижный ферромагнитный сердечник в магнитном поле перемещается в та­кое положение, при котором магнитный поток в электромагнитном устройстве будет наибольшим.

Это лежит в основе действия электромагнитного изме­рительного механизма, одна из конструктивных схем которого показана на рис. 6.8.

Ток I_к в неподвижной катушке 1 создает магнитное поле, под действием которого подвижный сердечник 4 в форме лепестка из магнитомягкого ферромагнетика, укрепленный эксцентрично на оси 5, втягивается в узкую щель внутрь катушки. Ось поворачива­ется и поворачивает укрепленную на ней стрелку.

При более подробном рассмотрении вопроса можно доказать, что вращающий момент в данном случае пропорционален квадра­ту тока в катушке M_вp=k_2вpI²_к , а противодействующий момент пружины 6 M_пр=k_2вpα.

Направление вращающего момента в приборах электро­магнитной системы не зависит от направления тока, так как при любом знаке тока момент положительный. Отсюда следу­ет, что электромагнитные приборы можно изготовлять для измере­ния в цепях постоянного и переменного тока.

Однако в цепи постоянного тока электромагнитный прибор может давать разные показания (до 2%) при одной и той же измеряемой величине, что связано с влиянием магнитного гистере­зиса.

При переменном токе на точность электромагнитных приборов отрицательно влияют потери от гистерезиса и вихревых токов в сердечниках. К недостаткам электромагнитной системы надо от­нести также значительное влияние внешних магнитных полей на показания приборов, относительно большое собственное потребле­ние энергии, неравномерность шкалы.

Несмотря на отмеченные недостатки, электромагнитные приборы — простые по устройству, дешевые, устойчивы к пере­грузкам, широко применяются, особенно в качестве технических щитовых приборов в цепях переменного тока.

Измерение тока и напряжения. Предположим, что измеряемой величиной является ток I. Этот ток или некоторая часть его направляется в катушку измерительного механизма (токI_к) .Зави­симость угла поворота стрелки магнитоэлектрического прибора от величины тока в катушке получена ранее [см. формулу (6.1)]. При измерении больших токов в цепь измеряемого тока включают шунт — резистор, имеющий малое, но постоянное сопротивление R_ш, параллельно которому присоединена катушка измерительного механизма (рис. 6.9).

В этом случае подвижная часть измерительного механизма от­клоняется в соответствии со значением тока в катушке I_к, но на шкале прибора, отградуированной на измеряемый ток, стрелка по­казывает величину измеряемого тока, который пропорционален току в катушке: I=I_к (1 + R_к/R_ш), где R_к — сопротивление цепи катушки, R_ш — сопротивление шунта.

Выразим отсюда ток I_к и подставим в формулу (6.1), получим уравнение, непосредственно определяющее зависимость угла поворота подвижной части прибора от измеряемого тока, где чувствительность прибора по току (постоянная величина).

α= S_1тI (6.2)

Электроизмерительный прибор, шкала которого отградуирована по уравнению (6.2), измеряет значение тока, т. е. является амперметром.

Для электромагнитного измерительного механизма зависи­мость a = f (I_к) получается аналогично из равенства М_вр=М_пр или k_2вpI²_к= k_2пр α:

Электромагнитные амперметры применяют обычно без шун­тов, т. е. большие токи (до 200 А) пропускают непосредственно по катушке измерительного механизма. Такое решение возможно по­тому, что катушка неподвижна и может быть изготовлена из провода различной, в том числе большой, толщины в зависимости от предела измерения тока и конструкции подвижной части прибо­ра. Например, катушка на номинальный ток 100 А имеет всего один виток из толстой медной шины. При равенстве I_к = I зависимость a = f (I_к) для электромагнитного амперметра имеет вид:

a = S_2TI². (6.3)

Амперметр включается последовательно в цепь измеряемого тока. Для того чтобы амперметры возможно меньше влияли на значение измеряемого тока, их изготовляют с малым собственным сопротивлением (обычно доли Ома).

Магнитоэлектрические и электромагнитные измерительные механизмы можно использовать для измерения электрического напряжения. С этой целью последовательно с катушкой измери­тельного механизма (сопротивление R_к) соединяют добавочный резистор, имеющий относительно большое и постоянное сопротивление R_д (рис. 6.10).

Такую измерительную цепь включают параллельно участку цепи, на котором предполагается измерить напряжение U. В этом случае ток в катушке измерителя I_K=U/(R_к+R_д).

Подставив это выражение в (6.2) и (6.3), получим уравнения, выражающие зависимость угла поворота подвижной части измерителя от напряжения на его зажимах: для магнитоэлектриче­ского прибора α=S_1нU, для электромагнитного прибора α=S_2нU² - постоянные величины (S_H — чувствительность прибора по напряжению).

Электроизмерительный прибор, отградуированный согласно тому или другому из этих уравнений, измеряет величину электрического напряжения, т. е. является вольтметром.

Вольтметры изготовляют с большим собственным сопротивле­нием (обычно десятки или сотни ом). Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше он изменяет общее сопротивление участка цепи, параллельно которому подключен, т. е. тем меньше изменяет величину измеряемого напряжения. Для расширения пределов измерения применяют также внешние добавочные резисторы к вольтметрам и шунты к магнитоэлектрическим ампер­метрам.

В электрических цепях переменного тока для измерения боль­ших токов и напряжений применяют измерительные транс­форматоры тока и напряжения. При измерениях в сетях высо­кого напряжения они служат не только для расширения пределов измерения, но и в целях безопасности обслуживания электроизмерительных приборов.