Основные средства измерения электрических величин

Вольтметр – прибор для измерения электрического напряжения (разности потенциалов) (постоянного или переменного в зависимости от режима работы).

Амперметр – прибор для измерения силы электрического тока (постоянного или переменного в зависимости от режима работы).

Омметр – прибор для измерения электрического сопротивления.

Авометр – комбинированный прибор, включающий в себя вольтметр, амперметр и омметр (ампер–вольт–ом–метр).

Мультиметр – комбинированный прибор для измерения различных электрических параметров (например, напряжения, силы тока, сопротивления, емкости и т.п.)

Тестер – мультиметр или авометр в компактном исполнении.

Магазин сопротивлений – устройство, позволяющее изменять выходное сопротивление в значительном диапазоне с высокой точностью.

Генератор сигналов – источник переменного напряжения (напряжения переменного тока) с возможностью изменения формы сигнала, его амплитуды, частоты и смещения.

Осциллограф – измерительный прибор для записи и наблюдения функциональной связи двух величин. Чаще всего осциллограмма изображает изменение электрического сигнала во времени, по ней можно определить форму электрического сигнала, его амплитуду, период, полярность.

Лабораторная работа №4. Определение класса точности средств измерения цели работы

1. Ознакомление с принципом действия аналоговых вольтметров.

2. Изучение методов расчета погрешностей измерения напряжения постоянного тока.

3. Экспериментальное определение погрешностей измерения напряжения постоянного тока аналоговыми вольтметрами.

4. Получение практических навыков работы с тестером и цифровым вольтметром.

Основные сведения Принцип действия аналоговых вольтметров

Основным элементом аналоговых электромеханических вольтметров и электронных вольтметров является измерительный механизм, в котором энергия электромагнитного поля преобразуется в механическую энергию и происходит перемещение подвижной части измерительного механизма (рамки, подвижного магнита и т.п.).

Наиболее широко используются измерительные механизмы магнитоэлектрической системы, состоящие (см. рис. 4.1) из постоянного магнита (1) с магнитопроводом (2) и подвижной рамки (3).

(1- постоянный магнит, 2- магнитопровод, 3- рамка, 4- токопроводящие пружины)

Рис. 4.1. Измерительный механизм магнитоэлектрической системы

При протекании по рамке тока в активных участках рамки, находящихся в магнитном поле, возникает сила, пропорциональная току (I), магнитной индукции (В) и длине проводника (а). Момент, стремящийся повернуть рамку, зависит от силы, плеча (b/2), на котором действует сила, и числа активных витков рамки (N):

,

где B – индукция в зазоре, Тл;

– площадь рамки, мм²;

N – число витков рамки;

При повороте рамки на угол возникает противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами (4), одновременно служащими токопроводами,

,

где W – жесткость противодействующих пружин,

Отсюда, угол поворота рамки пропорционален току

Таким образом, измерительный механизм представляет собой миллиамперметр. Если известно сопротивление рамки (R_P), то измерительный механизм может служить милливольтметром.

Для расширения пределов измерения напряжения постоянного тока последовательно с измерительным механизмом включают добавочное сопротивление R_д (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Вольтметр магнитоэлектрической системы

Номинал добавочного сопротивления выбирают так, чтобы ток через измерительный механизм при предельном значении напряжения не превышал тока , который называется током полного отклонения. При протекании по рамке тока I₀ она отклоняется на максимальный угол ₀.

Таким образом, в вольтметрах магнитоэлектрической системы сопротивление между входными клеммами зависит от предела измерения U_пр и тока полного отклонения.

.

Для измерения малых напряжений используют электронные вольтметры, в которых входной сигнал усиливается с помощью усилителя постоянного тока (УПТ) (см. рис. 4.3), а затем поступает на измерительный механизм. Входное сопротивление электронных вольтметров определяется входным сопротивлением электронного усилителя и мало зависит от предела измерения вольтметра.

Рис. 4.3. Электронный вольтметр

Для расширения пределов измерения амперметров рамка шунтируется малым сопротивлением так, чтобы при максимальном измеряемом токе I_пр в рамке протекал ток полного отклонения I₀, а составной ток (I_пр–I₀) протекал по шунту (см. рис. 4.4).

;

.

Рис. 4.4. Амперметр магнитоэлектрической системы

Чем больше предел измерения амперметра I_пр, тем меньше сопротивление шунта.

При измерении напряжения возникают методические и инструментальные погрешности. Для их оценки необходимо знать методические характеристики вольтметра.

Если амперметр или вольтметр не являются постоянными элементами электрической схемы, а включаются в нее только на время измерений, то возникает методическая погрешность, связанная с потреблением измерительным прибором электрической энергии и возможным изменением в этой связи режима работы схемы.

Так, амперметр, подключенный последовательно с нагрузкой, увеличивает общее сопротивление цепи, уменьшая ток в ней. При подключении вольтметра параллельно с нагрузкой сопротивление цепи уменьшается, ток, потребляемый от источника сигнала, возрастает, что приводит к увеличению падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника и соответственно к уменьшению падения напряжения на нагрузке.

По теореме об эквивалентном генераторе вся схема кроме выделенного элемента может быть представлена в виде источника ЭДС Е, равной напряжению между точками подключения элемента при разомкнутой цепи R_х (см. рис. 4.5), и внутренним сопротивлением R_эг, равным сопротивлению между точками подключения цепи R_х.

Рис. 4.5. Схема подключения вольтметра

Если измерительные приборы не подключены, то падение напряжения на сопротивлении

.

При подключении вольтметр покажет меньшее напряжение и возникнет методическая погрешность:

;

, (4.1)

где – сопротивление схемы между точками 1 и 2, к которым подключен вольтметр. Если R_х и R_эг отличаются на порядок, то R определяется меньшим из них.

Таким образом, важной метрологической характеристикой вольтметра является его входное сопротивление. Для уменьшения методических погрешностей это сопротивление должно быть большим.

Сопротивление вольтметра зависит от тока полного отклонения измерительного механизма и предела измерения. Для сравнения вольтметров между собой вводят понятие нормированного сопротивления вольтметра:

;

, (4.2)

где – нормированное сопротивление, Ом/В;

– предел измерения вольтметра, В;

– ток полного отклонения измерительного механизма, А.

Таким образом, для уменьшения методических погрешностей надо использовать прибор на большом пределе измерения. Но при этом возрастает относительная инструментальная погрешность. Общая относительная погрешность измерения напряжения вольтметром определяется по формуле

, %, (4.3)

где I_н, U_н – нормирующие значения I и U соответственно.

При измерениях в маломощных цепях выбор типа измерительного прибора и пределов измерения следует производить, учитывая одновременно и методическую, и инструментальные погрешности в соответствии с приведенными формулами.

При экспериментальных исследованиях в авиаприборостроении широко используются комбинированные электроизмерительные приборы (тестеры, авометры), в которых один и тот же измерительный механизм магнитоэлектрической системы совместно с набором встроенных шунтов, добавочных сопротивлений и других элементов служит для измерения постоянных и переменных токов, напряжений, сопротивлений, емкостей, индуктивностей, параметров транзисторов и т.п. Наиболее важными характеристиками комбинированных приборов, определяющими преимущественную область применения каждого типа авометра, является их входное сопротивление и класс точности. Приборы с большим входным сопротивлением имеют меньшую погрешность и предназначены для измерений в электронных схемах, когда допускается малое потребление мощности измерительным прибором. При выборе типа авометра и предела измерений следует принимать во внимание как инструментальные, так и методические погрешности прибора в соответствии с формулой (4.3).

Основным элементом комбинированного прибора является высокочувствительный измерительный механизм магнитоэлектрической системы. Этот механизм включается в схемы для измерения тока, напряжения, сопротивления и т.п.

При отклонении условий от нормальных возникают дополнительные погрешности: температурные, от действия электрических и магнитных полей, из-за изменения формы кривой под влиянием гармоник основного сигнала, при выходе частоты за границы нормальной области и т.п. При одновременном действии нескольких влияющих факторов соответствующие погрешности складываются.