Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительные приборы подразделяются на аналоговые (с непрерывным измерительным сигналом – шкальные со стрелочным указателем значений) и цифровые (дискретным измерительным сигналом в виде мигающих цифровых значений).

Аналоговые электромеханические измерительные приборы применяют для измерения напряжения, тока, мощности и других электрических величин в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты. Название электроизме­рительного прибора определяется его назначением. Различают вольтметры, ам­перметры, ваттметры, омметры, фазометры и комбинированные приборы - ам­первольтметры, вольтомметры и другие.

По принципу действия электромеханические измерительные приборы де­лятся на приборы магнитоэлектрической, электродинамической, ферродинамической, электромагнитной, электростатической, индукционной и некоторых других систем, используемых реже.

Принцип действия большинства электромеханических измерительных приборов основан на повороте подвижной части измерительного механизма под действием вращающего момента М_ВР. Вращающийся момент М_ВР создается в результате преобразования энергии электромагнитного поля Wm, сосредото­ченной в измерительном механизме, в механическую энергию углового пере-

мещения подвижной части отсчетного устройства и равен скорости изменения этой энергии при повороте подвижной части на угол а :

М_ВР = dA/dα=dW_M/dα (l)

dA - работа, совершаемая при повороте рамки на угол dα;

dW_M - изменение запаса энергии магнитного поля;

α - угол отклонения подвижной части.

Если бы на подвижную часть измерительного механизма воздействовал только вращающий момент, то она повернулась бы до упора при любом значе­нии измеряемой величины X. Поэтому в каждом электроизмерительном меха­низме создается противодействующий момент М_ПР, пропорциональный углу поворота α и направленный противоположно вращающему моменту:

M_ПР = W · α (2)

где W - удельный противодействующий момент, зависящий от геометри­ческих размеров и материала пружины (растяжек).

В зависимости от способа создания противодействующего момента все аналоговые электромеханические измерительные приборы можно разделить на две группы:

1) Приборы с механическим противодействующим моментом, который
создается с помощью упругих элементов (пружины, подвесы или растяжки),
закручиваемых при повороте подвижной части, причем

М_ПР = k_П · α(3)

где k_П - модуль упругости пружины или нити;

2) Приборы, в которых противодействующий момент создается тем же
способом, что и вращающий (логометры).

Типичными представителями аналоговых механических измерительных приборов, широко используемых в технике, являются приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.

Приборы магнитоэлектрической системы условно обозначаются следующим образом: и схема прибора:

1-подвижная катушка,2-неподвижный центрированный цилиндр,3-полюсные наконечники, 4-пост. магнит, ось, спиральные пружины, стрелка жестко закреплена на оси, противовесы, шкала.

Принцип действия: взаимодействие между проводником с током и постоянным магнитом. В этих приборах используется специально подобранные калиброванные пружины. Магнитная цепь образуется сильным постоянным магнитом с 2-мя полюсными наконечниками. Взаимодействие проводников катушки обтекаемых измеряемым током, создает вращающий момент. Под действием этого момента катушка стремится повернуться на некий угол . Чем больше ток, тем больше угол поворота. Уравнение шкалы:

B₀ = магнитная индукция в зазоре между магнитными наконечниками;

N = число витков катушки;

S = площадь поперечного сечения витка;

W = удельный противодействующий момент, создаваемый пружиной;

I = измеряемый ток.

Пружины могут быть использованы для подведения измеряемого тока.

Из формулы следует, что шкала прибора равномерная.

Приборы магнитоэлектрической системы являются одними из самых точных приборов, используются в качестве эталонных СИ, используются в качестве гальванометров, амперметров, вольтметров, логометров. Эти приборы обладают рядом достоинств: - высокая чувствительность; - высокий класс точности (γ до 0,05) γ – приведенная погрешность; - равномерная шкала; - слабо влияют внешние магнитные поля.

Недостатки: - влияние температуры окружающей среды; - приборы измеряют только постоянный ток; - плохая устойчивость к механическим нагрузкам (удары, вибрация); - со временем изменяется жесткость пружин и свойство постоянного магнита.

Приборы электромагнитной системы

Приборы электромагнитной системы обозначают:

В приборах электромагнитной системы используется взаимодействие магнито-мягкого подвижного сердечника с магнитным полем катушки. Через эту катушку протекает измеряемый электрический ток. Измеряемый ток проходит по катушке и создает магнитное поле, сердечник намагничивается и стремится привести подвижную систему в равновесие. Сердечник втягивается в катушку с силой тем больше, тем больше ток. Сила, действующая на сердечник пропорциональна напряженности магнитного поля и степени намагниченности сердечника. Такие приборы позволяют измерять постоянные и переменные токи. Намагниченность сердечника сама пропорциональна напряженности. Отклоняющий момент пропорционален квадрату напряженности и квадрату тока:

Шкала прибора (неравномерная) квадратичная. У этих приборов диапазон измерений не равен диапазону показаний, т.к. в начале шкалы не обеспечивается нормируемая погрешность. Нелинейность шкалы является недостатком прибора, но важным достоинством является то, что он измеряет и постоянный, и переменный ток. Прибор измеряет действующее значение тока.

Приборы этой системы распространены в лабораториях и на производстве.

Недостатки: погрешности связанные с магнитным гистерезисом подвижного сердечника, влияние внешних магнитных полей, влияние температуры окружающей среды.

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, «автоматически вырабатывающее дис­кретные сигналы измерительной информации, показания ко­торого представлены в цифровой форме» (ГОСТ 16263—70).

В отличие от аналоговых приборов в ЦИП обязательно автоматически выполняются следующие операции: кванто­вание измеряемой величины по уровню; дискретизация ее по времени; кодирование информации.

Представление измерительной информации в виде кода обеспечивает удобство ее регистрации и обработки, возмож­ность длительного хранения в запоминающих устройствах (полупроводниковых, магнитных) без потерь, передачу на значительные расстояния без искажений практически по любым каналам связи, непосредственный ввод в ЭВМ для обработки, а также исключает вносимые оператором при отсчете субъективные погрешности.

В современной науке и технике цифровые измеритель­ные приборы и преобразователи используются главным об­разом для точных измерений электрических и некоторых неэлектрических величин (например, перемещений) и в ка­честве промежуточных измерительных преобразователей аналоговых величин в цифровой код в ИИС и автоматизи­рованных системах контроля и управления с цифровой об­работкой информации.

Преимуществами ЦИП перед аналоговыми являются: удобство и объективность отсчета; высокая точность результатов измерения, практически недостижимая для аналоговых приборов; широкий динамический диапазон при высокой разреша­ющей способности; высокое быстродействие за счет отсутствия подвижных электромеханических элементов; возможность автоматизации процесса измерения. недостатки схемная слож­ность и высокая стоимость.