Основные структурные схемы электрических измерительных приборов
Тема 4. Методы электрических измерений
Лекция.7. Классификация методов электрических измерений
Измерение любого вида электрических величин может быть осуществлено различными методами в зависимости от условий измерения, требуемой точности и т.д.
В практике электрических измерений используются в основном метод непосредственной оценки и метод сравнения в равновесном и неравновесном режимах.
Метод непосредственной оценки позволяет получать результат измерения непосредственно по показанию прибора, шкала которого градуирована в единицах измеряемой величины. При этом образцовая мера как вещественное воспроизведение единицы измерения в самом измерении прямого участия не принимает. Однако при градуировке приборов, работающих по методу непосредственной оценки, используются образцовые меры.
Таким образом, метод непосредственной оценки предполагает лишь косвенное использование образцовых мер, поэтому точность измерения этим методом относительно невелика.
Метод сравнения заключается в том, что в процессе измерения измеряемая величина сравнивается с образцовой мерой либо с той же физической величиной, либо косвенно с мерой другой величины.
Чаще всего используется метод сравнения в равновесном режиме, когда разность между измеряемой величиной и мерой или разность между эффектами, вызываемыми измеряемой величиной, и мерой, сводится к нулю. В этом случае метод сравнения обычно называют нулевым методом. Типичным примером нулевого метода является измерение массы на весах. Примером нулевого метода в электрических измерениях являются равновесные мостовые и компенсационные методы, когда о равновесии судят по отсутствию тока или напряжения в определенном участке цепи. Так как отсутствие тока или напряжения может быть отмечено с большой точностью с помощью весьма чувствительных нулевых приборов, то метод сравнения в равновесном режиме обеспечивает значительно большую точность измерения, чем метод непосредственной оценки.
Метод сравнения в неравновесном режиме сводится к получению результата измерения путем измерения разности между измеряемой величиной и заведомо известной величиной (мерой) методом непосредственной оценки. Если эта разность значительно меньше, чем измеряемая величина, то результат измерения может быть получен с большей точностью, чем точность непосредственного измерения величины.
Так, если разность
a = X – A,
в 10 раз меньше, чем измеряемая величина X (A — известная величина), то погрешность в измерении a вызовет в 10 раз меньшую погрешность измерения X. Таким образом, в отношении точности измерения метод сравнения в неравновесном режиме занимает промежуточное положение между методом непосредственной оценки и нулевым методом. Метод сравнения в неравновесном режиме также называют дифференциальным методом.
Основные структурные схемы электрических измерительных приборов
Любой электрический измерительный прибор можно рассматривать как цепочку преобразователей, в которых происходит последовательное преобразование измеряемой величины в показание отсчетного устройства. Поэтому под прибором следует понимать всю совокупность этих преобразователей, независимо от того, объединены они конструктивно в единое целое или выполнены в виде нескольких отдельных блоков.
Структурные схемы современных электрических измерительных приборов весьма разнообразны и иногда являются сложными. Эти структурные схемы можно классифицировать по двум признакам:
1по роду измеряемой величины (электрическая или неэлектрическая);
2по используемому методу измерения (рис. 4.1).
Структурные схемы электрических приборов для измерения электрических величин. Простейшей структурной схемой электрического прибора для измерения электрической величины является схема, изображенная на (рис. 4.1 а). Этот прибор состоит только из преобразователя измеряемой электрической величины — Xэ в показание отсчетного устройства измерительного механизма ИМ.
Угол поворота измерительного механизма α, являющийся функцией Xэ, чаще всего отсчитывается по положению стрелки, укрепленной на оси подвижной части и перемещающейся над шкалой. Шкала измерительного механизма обычно проградуирована непосредственно в единицах измеряемой электрической величины.
Однако в большинстве случаев возможности измерительного механизма не могут удовлетворить всем условиям измерения, например в отношении предела измерения, требуемой мощности, защиты персонала от цепи высокого напряжения и т.д.
В этом случае измеряемая электрическая величина Xэ, предварительно подвергается преобразованию в преобразователе Пээ (см. рис. 4.1 б] в электрическую величину Yэ, которая соответствует параметрам измерительного механизма.
К таким преобразователям электрической величины в электрическую относятся: измерительные трансформаторы, шунты, ДН и добавочные резисторы, преобразующие переменный ток в постоянный (см. гл. 3). Приборы со структурными схемами (см. рис. 4.1 а и б) работают только по методу непосредственной оценки и называются приборами непосредственной оценки.
Структурная схема прибора, работающего по методу сравнения в неравновесном режиме, представлена на (рис. 4.1 в). Измеряемая электрическая величина Xэ или эффект, ею вызываемый, компенсируется на некотором участке цепи, однородной с Xэ величиной Xэ.к постоянного значения, получаемой от вспомогательного источника питания — Uвсп через преобразователь, который обычно именуют измерительной цепью ИЦ.
Если величина Xэ.к компенсирует измеряемую величину Xэ, не полностью, то разность ∆Xэ = Xэ ‒ Xэ.к поступает в измерительный прибор непосредственной оценки Г, и отсчет по прибору будет функцией ∆Xэ.
Измерительный прибор непосредственной оценки в случаях использования его на выходе приборов сложной структуры будем в дальнейшем называть измерителем.
Если же прибор работает по методу сравнения в равновесном режиме, т.е. по нулевому методу, то его структурную схему можно изобразить согласно (рис. 4.1 г). В этом случае величина Xэ.к изменяется до тех пор, пока она не уравновесит измеряемую величинуXэ, о чем будут свидетельствовать отсутствие тока и показание нулевого указателя НУ.
Если равновесия нет, то разность ∆Xэ = Xэ ‒ Xэ.к будет обнаружена по показанию нулевого указателя. Тогда производят изменение того или иного параметра измерительной цепи до тех пор, пока не наступит равновесие, т.е. равенство Xэ = Xэ.к.
Отсчетным устройством, градуированным в единицах измеряемой величины, в этих приборах является та часть измерительной цепи, параметр которой регулировался для получения равновесия. В данной схеме уравновешивание производится вручную путем изменения Uвсп.
В приборе, работающем по схеме, показанной на (рис. 4.1 д), уравновешивание производится автоматически. Разность сигналов ∆Xэ = Xэ ‒ Xэ.к, возникающая при отсутствии равновесия, поступает в усилитель Ус, на выходе которого включен реверсивный двигатель РД, механически связанный с движком потенциометра, являющегося частью измерительной цепи. Двигатель перемещает движок потенциометра в таком направлении и до тех пор, пока не наступит равновесие, т.е. равенство Xэ = Xэ.к. При этом ∆Xэ станет равным нулю и реверсивный двигатель остановится.
Одновременно реверсивный двигатель перемещает стрелку по шкале. Таким образом, каждому значению измеряемой величины соответствует определенное положение движка потенциометра и стрелки на шкале. Основными измерительными цепями приборов сравнения являются компенсационные и мостовые цепи.
Структурные схемы электрических приборов для измерений неэлектрических величин. Эти схемы аналогичны схемам, рассмотренным ранее, и отличаются от них лишь наличием преобразователя для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую.
Структурная схема, изображенная на (рис. 4.1 б), при измерении неэлектрической величины превращается в схему, представленную на (рис. 4.2 а), где измеритель (Г) объединяет преобразователь Пээ и измерительный механизм ИМ. Схема (рис. 4.1 в) превращается в схему (рис. 4.2 б), а схема (рис. 4.1 г-в) схему (рис. 4.2 в).
Контрольные вопросы
1Чем отличается метод непосредственной оценки от метода сравнения? Какой метод точнее и почему?
2Каков принцип работы приборов для измерения электрических величин? Нарисуйте и объясните их структурные схемы.
3Каков принцип работы приборов для измерения неэлектрических величин? Нарисуйте и объясните их структурные схемы.
4Чем отличаются структурные схемы приборов для измерений неэлектрических величин?