Основные методы измерений

Современные методы измерений принято делить на метод непосредственной оценки и метод сравнения

При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения вольтметром, силы тока — амперметром). Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым на практике, хотя точность измерения обычно ограничена.

Метод сравнения — метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС эталонного элемента.

В отличие от приборов непосредственной оценки, удобных для получения оперативной информации, приборы сравнения обеспечивают большую точность измерений.

Различают следующие разновидности метода сравнения:

нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой;

дифференциальный метод, когда измеряется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной (например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста); этот метод сравнения используют тогда, когда практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от некоторого номинального значения (уход частоты, отклонение напряжения и т.д.);

• метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается образцовой.

Нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. Его разновидностями являются:

• компенсационный метод, при котором действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой;

• мостовой метод, когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор (обычно нуль-индикатор).

Измерение сопротивлений.

Для измерения сопротивлений применяют совместное включение амперметра и вольтметра, а также омметры, мостовые и компенсационные схемы.

Используя косвенный метод амперметра — вольтметра, измеряемое сопротивление Rx определяют из соотношения:

Rx = U / I,

где U и I, — показания вольтметра и амперметра.

Для измерения малых сопротивлений используют схему, показанную на (рис. 147а), так как вольтметр обладает большим сопротивлением. При из­мерении средних сопротивлений приборы включают в цепь так, как показано на (рис. 147, б), так как амперметр обладает малым сопротивлением.

Рис.147. Схемы намерения сопротивле­ний методом амперметра—вольтметра

Для прямых измерений сопротивлений используют стрелочные приборы омметры. На рис, 148 приведена схема для намерения с помощью простейшего омметра, состоящего из магнитоэлектрического измерительного прибора, добавочного резистора R_Д и батареи эдс.

Ток в цепи измерительного прибора I = Е / (Rи + Rд + Rx). Прибор градуируют в единицах сопротивления. Нулевому значению тока при разомкнутых выходных зажимах со­ответствует деление шкалы, нулевое значение шкалы соответствует току I = E / (Rи+Rд ).

Рис. 148. Схема для измерений электрического сопротивления омметром

Для измерения сопротивления изоляции используют мегаомметры (рис. 149). Мегаомметр состоит из логометрического измерительного прибора (логометра) и встро­енного магнитоэлектрического генератора с напряжением 500 и 100В, приводимого в действие вручную. При изме­рении мегаомметром образуются две параллельные ветви, получающие питание от генератора Г: ветвь тока I₁, в которую включены первая рамка логометра (сопротивле­нием R₁), неизвестное сопротивление Rx, добавочное со­противление R_Д1; ветвь тока I_2, в которую включены вто­рая рамка логометра (сопротивлением R₂) и добавочное сопротивление R_Д2 .

Рис. 149. Схема мегаомметра.

Благодаря использованию логометра показания прибора не зависят от скорости вращения рукоятки привода генератора.

Схема логометра представлена на (рис. 150).

Подвижная система логометра состоит из двух скре­щенных под острым углом и жестко связанных между собой рамок первая рамка логометра (сопротивле­нием R₁), и вто­рая рамка логометра (сопротивлением R₂), свободно вращающихся на одной оси в каменных под­пятниках. Рамки размещены в зазоре между цилиндрическим сер­дечником 2 и полюсными башмаками 3 постоянного магнита 1. На каждой из рамок намотано одинаковое число витков тонкой медной проволоки.

В отличие от магнитоэлектрических милливольтметров в логометрах зазоры увеличиваются от центра полюсных башма­ков к их краям. В связи с этим магнитное поле, в котором помещены рамки, неравномерно, так как его напряженность уменьшает­ся от центра к краям полюсных башмаков.

К рамкам ток подводится через пружинки 4 из тонких серебряных ленточек. Эти пружинки возвращают стрелку 5 прибора в исходное положение при снятии напряжения. Ток разветвляется в точке С и проходит в двух направлениях: через постоянный резистор R_Д1 и первую рамку и через резистор R_Д2 и вто­рую рамку. В случае равенства сопротивлений в обеих цепях токи в рамках будут одинаковы, тогда подвижная система займет симметричное положение относительно линии NS, проходящей через точки с максимальной магнитной индукцией в обоих зазорах.

Угол поворота подвижной системы зависит от отношения токов, проходящих в рамках.

Так как ток в первой цепи определяется:

I₁ = U/ (R_Д1+R_X);

а во второй цепи: I₂ = U/R_Д2;

то через вторую рамку логометра пойдет ток большей величины, и система будет поворачиваться в сторону большего диаметра.

Таким образом, при повороте подвижной системы рамка, по которой течёт ток большей величины, переходит в место, где поле более слабое, и момент, действующий на эту рамку, уменьшится.

Одновременно другая рамка, поворачиваясь в том же направлении, войдёт в более сильное поле и ёё вращающий момент увеличится.

Угол отклонения стрелки будет пропорционален величине сопротивления R_X, что дает возможность градуировать шкалу логометра оммах.

Рис. 150. Общий вид (а) и схема (6) логометра:

1 - постоянный магнит; 2 - сердечник; 3 -полюсные башмаки; 4 пружинки; 5 -стрелка; 6 - шкала; 7 - панель резисто­ров; А, В – измерительные рамки; Б - источник тока; R1,R2, R3 - постоянные резисторы плеч мос­та; R4, R5 - резисторы для температур­ной компенсации; Rt - сопротивление термопреобразователя; R_У - уравнительный резистор; R_Э - эталонный резистор

Для измерений сопротивлений методом сравнения используют измерительные мосты (рис. 151).

Мост со­стоит из четырех плеч и двух диагоналей. В одно плечо моста включают неизвестное сопротивление Rx, а в дру­гое резисторы Rl, R2, R3 с сопротивлениями R₁, R₂, R₃. В одну из диагоналей включают источник эдс Е₀, в другую — нуль-индикатор НИ.

Рис. 151. Схема одинар­ного уравновешенного мо­ста постоянного тока

Мост находится в равновесии при нулевом отклонении указателя нуль - индикатора (НИ). Это имеет место, если соблюдается уравнение равновесия моста:

R_xR₂ = R₁R₃ или:

R_{x =} (R₁R₃) / R₂

Добившись равновесия моста регулированием сопро­тивлений резисторов в плечах, записывают их значения вычисляют искомое значение Rx. Точность измерений измерительными мостами определяется высокой чувствительностью нуль-индикатора (магнитоэлектрического гальванометра).

С большой точностью малые и средние сопротивления измеряют методом сравнения с образцовым сопротивле­нием.

На рис. 152 приведена схема измерительной цепи, состоящая из источника питания Е, образцового резистора R₀, измеряемого сопротивления R_Х.

Ппереключатель П на две позиции подключает к вольтметру поочерёдно R₀ или R_Х , амперметра А, регулировочного резисто­ра R_Р и прибора для измерения напряжения.

Рис. 152. Схема для измерения малых сопротивлений.

Измерить напряжение можно по­тенциометром — при­бором высокой точно­сти (компенсационный метод).

При двух положе­ниях переключателя при одном и том же, значении тока в R₀ и R_Х, определяют U₁ = R_ХI и U₂ = R₀I.

За­тем вычисляют:

R_X = R₀(U1/U2).

На практике часто требуется измерить сопротивление заземле­ния. На рис. 153 пред­ставлена схема, пред­назначенная для этих целей (методом ампер­метра А и вольтметра В).

Испытуемый А и вспомогательный В заземлители соединены с соединены с вторичной обмоткой силового трансформатора.

Измерив ток амперметром, а напряжение вольтметром, соединенным с заземлителем А и зондом ЗН, который расположен в зоне (потенциал зоны равен нулю), определяют сопротивление заземлителя А:

Вольтметр при этом должен обладать большим по сравнению с зондом сопротивлением

Рис 152. Схема для измерения сопротивления заземлення амперметром и вольтметром