Вимірювальні прилади і методи вимірювань

3.1. Особливості вимірювальних приладів

Вимірювальним приладом називають механізми і пристрої, що мають рухомі частини і елементи, розміщення, форма і стан яких змінюється відповідно із зміною вимірюваної величини, утворюючи візуально при цьому число. Всі вимірювальні прилади можна поділити на два види: самопоказуючі і з ручним наведенням (компаруючі). Показуючі (самопоказуючі) прилади у робочому стані, неперервно, без участі людини показують на шкалі значення вимірюваної величини; прилад змінює покази при зміні вимірю­ваної величини, а спостерігач тільки читає готовий результат. Приклади: амперметр, манометр. Приладами з наведенням нази­ваються такі, при використанні яких вимагається ряд допоміжних (ручних) дій спостерігача, крім того у комплект такого приладу обов'язково входять міри. Наприклад: настільні гирьові ваги.

Показуючий вимірювальний прилад — це механізм, положен­ня рухомої частини якого залежить від значення вимірюваної величини. Переміщення рухомих частин будь-яких механізмів, у тому числі і рухомих частин електровимірювальних приладів, може відбуватися тільки під дією відповідної механічної сили із затратою певної роботи на подолання тертя і на зміну запасу потенціальної енергії у даній механічній системі. Тому у кожному показуючому електровимірювальному приладі повинно відбува­тися створення механічних сил і роботи за рахунок енергії електричного і магнітного поля. Це може бути здійснено різними способами. Залежно від характеру явища, що використовується для створення необхідної механічної сили, різні види електро­вимірювальних приладів отримали назви, які характеризують принцип дії приладу. Наприклад, прилад, який використовує механічну взаємодію поля постійного магніту з електричним стру­мом називають магнітоелектричним приладом; прилад, який використовує тепловий ефект при проходженні струму через опір, називають приладом теплової системи і т.д.

У деяких випадках прилад оснащується додатковим пристроєм-перетворювачем для перетворення підведеного до приладу струму чи напруги у струм, величина і рід якого більш зручні для використання у вимірювальному механізмі. Наприклад у термо­перетворювачах змінний струм перетворюється у постійний. Вимірювальні (аналогові) прилади відрізняються простотою і високою надійністю і випускаються з класами точності до 0,05 включно. За конструктивним виконанням прилади поділяються на електромеханічні та електронні. Електромеханічний прилад складається з вимірювального кола (схеми), вимірювального механізму і додаткових елементів.

Вимірювальним механізмом називають електромеханічний прилад, положення рухомих частин якого функціонально зале­жить від підведених до нього електричних струмів або напруг; призначенням вимірювального механізму є перетворення підведе­ної до нього електричної енергії у механічну енергію, яка необхідна для переміщення рухомої частини механізму і зв'язаного з нею вказівника (стрілки).

Вимірювальною схемою називають сукупність активних і реактивних опорів, які служать для перетворення вимірювальної величини (напруга, струм, потужність, опір і т.д.) у струм або напругу, що підводяться до вимірювального механізму.

Тобто вимірювальне коло (схема) перетворює вимірювану електричну величину у пропорціональну їй величину, яка безпо­середньо діє на вимірювальний механізм. Наприклад, у вольтметрі вимірювальне коло складається з котушки вимірювального механізму і додаткового резистора. При постійності опору вимірювального кола струм у вимірювальному механізмі вольт­метра пропорційний вимірюваній напрузі. Один і той самий вимірювальний механізм у поєднанні з різними вимірювальними колами може служити для вимірювання різних величин.

В амперметрі за схемою (рис. 3.2, а) вимірювальна схема (коло) відсутня. Обмотка рухомої рамки приладу має деякий активний та індуктивний опір і є елементом електричного кола, але вона складає конструктивну частину самого вимірювального механізму.

Рис. 3.2. Вимірювальні схеми: а — амперметра; б — вольтметра

А — обмотка механізму {амперметра);R_q додатковий досить великий опір; V — вольтметр; R_р — опір рамки приладу

У вольтметрі за схемою (рис. 3.2, б) крім вимірювального механізму з обмоткою його рухомої рамки, є вимірювальна схема у вигляді великого активного опору К , який служить для перетво­рення вимірювальної напруги U у пропорційну йому величину — струм І_v.

Вимірювальна схема сучасного електровимірювального приладу може бути дуже складною і включати у себе активні опори, ємності, індуктивності як з лінійними, так і з нелінійними характеристиками. Деколи до складу вимірювальної схеми входять також контактні комутуючі пристрої.

У загальному вигляді суть роботи показуючого електро­вимірювального приладу можна ілюструвати структурною схемою (рис. 3.1). Вимірювальні величина X, наприклад, напруга, подається до деякої вимірювальної схеми, в якій відбувається або зміна вимірювальної величини за розмірами (зменшення, збільшення) або перетворення її у деяку іншу величину Y (у вольтметрі напруга перетворюється у струм). Величина Y зв'язана у строгій функціо­нальній залежності з величиною X, тобто Y = F(Х). Далі величина У подається до вимірювального механізму, в якому вона створює обертовий момент, що викликає відхилення рухомої частини вимірювального механізму на деякий кут а.

(3.1)

де W — питомий протидіючий момент пружинок.

Тобто у вимірювальному механізмі електрична енергія пере­творюється у механічну енергію переміщення рухомої частини, звичайно у кутове переміщення. До допоміжних елементів відносяться стрілка, шкала, корпус приладу та інші пристрої. За принципом дії і конструкції електромеханічні вимірювальні механізми поділяють: магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, електростатичні, індукційні, теплові, термо­електричні, випрямні.