Электроизмерительные приборы это устройство, предназначенное для сравнения измеряемой величины с единицей измерения или с мерой, называют измерительным прибором. Меры и приборы, предназначенные для практических измерений, считаются рабочими. Меры и приборы, предназначенные для хранения или воспроизводства единиц, а также для поверки и градуировки приборов, носят название образцовых.
Электроизмерительные приборы и измерения
Измерением называют процесс сравнения измеряемой величины с величиной того же рода, условно принятой за единицу измерения.
Материальный образец единицы измерения, ее дробного или кратного значения называется мерой.
Результат всякого измерения несколько отличается от действительного значения измеряемой величины. Действительное значение измеряемой величины это значение, определяемое при помощи образцовых приборов (образцовых мep).
Разность между измеренным и действительным значением величины составляет абсолютную погрешность измерения. Выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному или измеренному значению представляет собой относительную погрешность, которая применяется для оценки качества измерения.
Пример 7-1. При измерении тока найдено I1 = 41 а. Действительное значение тока I = 40 а.
Абсолютная погрешность измерения
∆I=I1 — I=41— 40 =Ia. Относительная погрешность
γизм = (∆I/I) • 100% = (1/40 ) • 100% = 2,5%
Классификация электроизмерительных приборов
Электроизмерительные приборы делятся на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения.
К приборам непосредственной оценки, например, относятся: амперметр, ваттметр, счетчик, т. е. приборы, дающие численное значение измеряемой величины по их отсчетному приспособлению.
Прибор сравнения применяется для сравнения измеряемой величины с мерой, например мост для измерения сопротивлений.
При технических измерениях чаще применяют приборы непосредственной оценки, как более простые, дешевые и требующие мало времени для измерения.
Приборы сравнения используются для более точных измерений и для измерения неэлектрических величин.
В табл. дано деление электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины. В табл. дано деление приборов по их системам, т. е. по принципу их устройства и действия.
Разнообразие систем измерительных приборов обладающих различными свойствами, вызвано разнообразием условий и требований при измерении электрических величину.
По степени точности электроизмерительные приборы непосредственной оценки (ГОСТ 1845-59) делятся на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. На шкалах приборов число класса точности пишется внутри окружности.
Число класса точности прибора обозначает основную, допустимую, приведенную погрешность прибора. Основной допустимой приведенной погрешностью называется выраженное в процентах отношение наибольшей допускаемой по стандарту абсолютной погрешности прибора (∆x), находящегося в нормальных условиях эксплуатации, к номинальной величине (xи) прибора.
Электроизмерительные приборы и их условные обозначения
| Род измеряемой величины | Название приборов | Условное обозначение |
| Ток | Миллиамперметр, амперметр, килоамлерметр | ma, A, kA |
| Напряжение | Милливольтметр, вольтметр, киловольтметр | mV, V, kV |
| Электрическая мощность | Ваттметр, киловаттметр | W, kW |
| Электрическая энергия | Счетчики активной и реактивной энергии | Wh, VARh |
| Сдвиг фаз | Фазометр | φ |
| Частота | Частотомер | Hz |
| Электрическое сопротивление | Омметр, мегомметр | Ω, MΩ |
Прибор находится в нормальных условиях, если установлен в положение, указанное на шкале прибора, находится в среде с нормальной температурой (+20° С) и не подвергается действию внешнего магнитного поля (кроме земного).
Номинальной величиной измерительного прибора называется верхний предел измерения его. Следовательно, приведенная погрешность прибора
γприб = (∆x/xи) • 100%
Погрешность может быть положительной или отрицательной.
Относительной погрешностью при измерении прибором величины х1 называют выраженное в процентах отношение наибольшей возможной абсолютной погрешности прибора ∆х к измеренному значению величины
x1, т.е.
γx1 = (∆x/x1) • 100%.
Умножив и разделив последнее выражение на номинальную величину прибора, получим:
γx1 = (∆x/x1) • 100%(xн/xн) = ∆x/xн • 100%(xн/x1) = γприбxн/x1
Таким образом, погрешность измерения равна погрешности прибора, умноженной на отношение номинальной величины прибора, к измеренному значению.
Пример измерения амперметром
Пример Амперметром с номинальным током Iн = 25 а, класса точности 1,5 измерен ток I1 = 15 а. Определить погрешность при измерении тока.
Наибольшая возможная погрешность при измерении тока
γI1 = γA(Iн/I1) = ± 1,5%(25/15) = 2,5%
Чем меньше измеряемая величина по сравнению с номинальной величиной прибора, тем больше погрешность измерения этой величины; следовательно, измеряемая величина должна иметь значение не меньше половины номинальной величины прибора.
Гальванометры
Действие магнитного поля на ток в проводнике положено в основу устройства наиболее чувствительных электрических измерительных приборов — гальванометров.
Если в однородное магнитное поле поместить прямоугольную рамку из проводника, обтекаемую током, то силы F1uF2, действующие на стороны ab и cd рамки (на стороны ас и bd, параллельные силовым линиям, поле не действует), образуют пару, стремящуюся повернуть рамку и установить ее в плоскости, перпендикулярной силовым линиям поля.
Зеркальный гальванометр (рис. 3, а) состоит из сильного подковообразного магнита М, между полюсами которого на упругой нити П подвешена рамка К, намотанная из тонкой медной проволоки (рис. 3, б). Для усиления и создания равномерного поля внутри рамки помешен железный сердечник С. Ток к рамке подводится через нить П и неупругую спираль В, соединенные с клеммами А прибора. Под действием тока рамка будет поворачиваться, пока действующая на нее пара сил, прямо пропорциональная силе тока, не уравновесится противодействующим моментом сил упругости, образующимся при закручивании нити, на которой рамка подвешена.
Поэтому по углу поворота рамки можно судить о силе тока в ней. Для суждения об угле поворота рамки к ней прикрепляют легкое зеркальце 3.
При измерениях гальванометр должен быть укреплен на массивном основании для предупреждения возможности его сотрясения Осветитель О посылает пучок лучей на зеркальце В гальванометра Отраженные лучи падают на шкалу К, образуя на ней световое пятно, перемещающееся при повороте рамки гальванометра. Чувствительность зеркальных гальванометров доходит до 10~10 а на одно деление шкалы.
Шлейфовый гальванометр
Для наблюдения колебательных электрических процессов применяют приборы, называемые шлейфовыми гальванометрами, или шлейфовыми осциллографами. Шлейфовый гальванометр состоит из сильного постоянного магнита М, между полюсами которого расположена петля П из тонкого провода, по которой пропускается исследуемый ток (или к которой подводится исследуемое напряжение). На петле, называемой шлейфом, укреплено легкое зеркальце 3 .
При прохождении тока вследствие взаимодействия его с полем магнита проводники, составляю щие шлейф, смещаются в противоположные стороны и зеркальце поворачивается на некоторый угол. Если ток, проходящий по шлейфу, периодически изменяется по силе и направлению, соответственно будет изменяться и угол поворота зеркальца, т. е. колебания зеркальца повторят характер колебаний тока. Колебания зеркальца регистрируются путем световой записи Для этого луч от осветителя О направляют на зеркальце, отражаясь от которого, он падает на движущуюся фотопленку или фотобумагу Л.
Применяется также зеркальный гальванометр с поляризованной магнитной системой, называемый вибрационным гальванометром. Гальванометр имеет Ш-образный сердечник, рама М которого представляет постоянный магнит, а средний стержень — ненамагниченный сердечник. На этом сердечнике находится катушка К, по которой проходит исследуемый переменный ток. В зазоре сердечника на нити Н из немагнитного материала подвешена пластинка П из мягкого железа, на которую наклеено зеркальце (рис. 256,б) На рисунке показан простейший гальванометр из электрокардиографа ЭКП-5; на рис. 256, в показан корпус гальванометра с окошком О для светового луча.
Магнит М-М создает постоянный магнитный поток Ф 0, замыкающийся через пластинку П . Катушка на сердечнике создает переменный поток Фк, колебания ∆Ф которого обусловлены колебаниями тока в катушке К Поток Фк замыкается параллельными ветвями через края пластинки П и сердечника М—М. При этом в одном из воздушных промежутков около краев пластинки эти потоки имеют одинаковое направление и складываются:
Ф‘ =Ф0 + ∆Ф,
в другом — они имеют обратные направления и вычитаются:
Ф«= Ф0 — ∆Ф.
Пластинка П поворачивается в сторону, где поток сильнее. При изменении направления тока в катушке К изменится направление потока Фк и пластинка повернется в противоположную сторону. Таким образом, под действием колебаний тока в катушке К пластинка П с зеркальцем будет совершать колебания, по форме повторяющие колебания тока. Колебания зеркальца регистрируются, как указано выше.
Если поток Фк имеет пульсирующий характер (колебания его ∆Ф не меняют направления), то пластинка П с помощью поворота нити Н предварительно устанавливается под углом к тому из концов сердечника М—М, в котором потоки Ф0 и ∆Ф вычитаются.
Устройство стрелочного измерительного прибора, который в зависимости от чувствительности может быть назван стрелочным гальванометром (чувствительность на 10-7— 10-8 а), микроамперметром (10-6 а), миллиамперметром (10-3 а) или просто амперметром. Прибор состоит из подковообразного постоянного магнита М, между полюсами которого вокруг цилиндрического сердечника С вращается на оси рамка К прибора. Рамка удерживается в нулевом положении двумя спиральными пружинами П. На рамке укреплена стрелка Т с противовесом Р. Ток к рамке от зажимов прибора подводится по пружинам П.
Приборы с постоянным магнитом являются весьма чувствительными и точными, но непосредственно могут применяться только для измерений в цепях постоянного тока.
Прибор для измерения тока (гальванометр, микроамперметр и т. д.) включается в цепь последовательно. При этом через него можно пропускать ток по силе, не превышающий крайнее деление шкалы. Для расширения пределов измерения применяется включение к прибору одного или нескольких шунтов, т. е. сопротивлений определенной величины, подключенных параллельно рамке прибора.
В некоторых случаях применение шунтов позволяет пользоваться более чувствительным прибором. Например, в аппарате для гальванизация необходимо измерять силу тока в пределах от 0 до 50 ма Если взять прибор на 50 ма, то чувствительность его будет так низка, что измерить малые токи порядка 1-2 ма, применяемые при некоторых процедурах, будет затруднительно. Поэтому в аппарате установлен прибор для измерения в пределах 0—5 ма. Для измерения больших токов к прибору включают шунт, который дает возможность измерять токи, в 10 раз большие.
Шунт (или шунты) обычно помещается внутри прибора, и прибор снабжается переключателем. В этих случаях прибор имеет или две (несколько) отдельные шкалы, или одну, цена деления которой должна умножаться на соответствующий коэффициент.
При помощи гальванометра (миллиамперметра) можно измерять также и напряжение. По закону Ома ток в приборе, а следовательно, и угол отклонения стрелки прямо пропорциональны напряжению на зажимах прибора Поэтому шкалу прибора можно градуировать в вольтах. Прибор включают в цепь параллельно. Для того чтобы при этом через прибор не проходил большой ток, последовательно с рамкой прибора включают дополнительное сопротивление необходимой величины, которое обычно помещается внутри корпуса прибора. Такие приборы называются вольтметрами.
Статья на тему Электроизмерительные приборы