III. Електровимірювальні прилади і методи вимірювання

3.1. Загальні поняття

Призначення. Електровимірювальні прилади служать для контролю режиму роботи електричних установок, їх випробування і обліку електричної енергії. Відповідно до призначення електровимірювальні прилади поділяють на амперметри, вольтметри, ватметри, омметри, частотоміри, лічильники електричної енергії і ін. (табл. 3.1)

Таблиця 3.1. Умовні позначення електричних приладів

Вимірювана величина	Назва приладу	Умовні позначення приладу
Струм Напруга і е.р.с. Електричний опір Електрична потужність Електрична енергія Частота змінного струму Кут зсуву фаз Електрична ємність Магнітний потік Малі величини струмів і напруг	Амперметр, міліамперметр, мікроамперметр Вольтметр, кіловольтметр, мілівольтметр Омметр, кілоомметр, мегомметр Ватметр, кіловатметр, варметр (вимірювач реактивної потужності) Лічильники активної і реактивної енергії Частотомір (герцметр) Фазометр Фрадометр Веберметр (флюксметр) Гальванометр

Типи приладів. Залежно від способу відліку прилади поділяють на прилади безпосереднього відліку (безпосередньої оцінки) і прилади порівняння.

Приладами безпосереднього відліку називаються такі, які дозволяють проводити відлік величини, що вимірюється безпосередньо на шкалі. До них відносяться амперметри, вольтметри, ватметри і ін. Основною частиною кожного такого приладу є вимірювальний механізм. При впливі електричної величини (струму, напруги, потужності і ін.) на вимірювальний механізм приладу, встановлена на його осі стрілка повертається на деякий кут, за яким па шкалі приладу визначають значення величини, що вимірюється.

У електровимірювальних приладах порівняння вимірювання здійснюють шляхом порівняння величини, що вимірюється з якою-небудь зразковою мірою (еталоном). До них відносяться мости для вимірювання опорів і компенсаційні вимірювальні пристрої (потенціометри).

Дія електровимірювальних приладів безпосередньої оцінки заснована на різних проявах електричного струму (магнітному, тепловому, електродинамічному і ін.). Залежно від принципу дії електровимірювальні прилади відносяться до магнітоелектричної, електромагнітної, електродинамічної, термоелектричної, випрямляючої, індукційної і електростатичної систем. Кожна з цих систем має умовне позначення (табл. 3.2).

При вимірюваннях за допомогою електровимірювальних приладів вірогідна деяка погрішність, зумовлена недосконалістю приладів і ряду інших неконтрольованих причин.

Відрізняють абсолютну і відносну похибки приладів. Абсолютною похибкою А приладу називають різницю між показами приладу А_вим і дійсним значенням вимірюваної величини А_д:

(3.1)

Величину, обернену абсолютній похибці, називають поправкою

(3.2)

Звідси дійсне значення виміряної величини

Таблиця 3.2. Класифікація електровимірювальних приладів за системами

Наймену-вання системи	Умовне позна-чення приладів		Принцип дії системи	Призначення системи
	З протиді-ючою ме-ханічною силою	Без проти-діючої сили (типу логометра)
Магніто-електрична Електро-магнітна Електроди-намічна (без сталі) Електродинамічна із ста-ллю (феро-динамічна) Індукційна Термоелект-рична (з ізо-льованим пе-ретворюва-чем) Детекторна (з напівпро-відниковим детектором) Електронна Електроста-тична			Взаємодія магнітних потоків постійного магніту і рухомої котушки із струмом Втягування феро-магнітного осердя Взаємодія двох котушок з струмом Те саме Взаємодія магнітних полів котушок з інду-ктивними в диску струмами Виникнення е.р.с. в результаті термоеле-ктричного ефекекту і вимірювання її магнітоелектричним приладом Випрямлення змінно-го струму з наступ-ним вимірюванням його магнітоелектри-чним приладом Те ж саме Взаємодія електрич-них зарядів	Гальванометри, міліампер-метри амперметри, міліво-льтметри, вольтметри, мегомметри Щитові і переносні ампер-метри і вольтметри, фазо-метри, частотоміри Міліамперметри, мілівольт-метри змінного струму, ла-бораторні амперметри, во-льтметри, фазометри, синх-роноскопи, лічильники в колах постійного струму Ватметри змінного струму, самопишучі амперметри, вольтметри і ватметри змінного струму Лічильники в колах однофазного і трифазного струмів, щитові ватметри Міліамперметри, омметри і ватметри в колах змінного струму високої частоти Міліамперметри, ампермет-ри, вольтметри, ватметри і герцметри в колах підвище-ної частоти, універсальні багатограничні прилади Вольтметри і герцметри в колах високої частоти Вольтметри і кіловольтметри постійного і змінного струмів

Величину поправки визначають під час перевірки робочого приладу по зразковому. Отже, за дійсне значення вимірюваної величини приймають величину, виміряну зразковим приладом.

Абсолютна похибка не дає повного уявлення точності вимірювання. Наприклад, якщо вимірюваний струм близько десятків ампер, то абсолютна похибка в один ампер не є істотною, в той час як вимірювання струму в один ампер з тією ж абсолютною похибкою буде дуже неточним. Тому на практиці для оцінки точності вимірювань користуються відносною похибкою, вираженою у відсотках,

(3.3)

Підкреслимо, що відносна похибка залежить від вимірюваної величини. Наприклад, при вимірюванні струму в 10 А з абсолютною похибкою у 0,5 А відносна похибка

При вимірюванні струму в 100 А з абсолютною похибкою у 0,5 А відносна похибка

Отже, відносна похибка на початку шкали значно більша, ніж у кінці. Тому на практиці намагаються вимірювання проводити в другій половині шкали.

Для оцінки похибки приладу по всій шкалі згідно з стандартом введено так звану основну зведену похибку, що є відношенням найбільшої абсолютної похибки даного приладу до його граничного (номінального) значення, виражену в відсотках,

(3.4)

Для приладів з двосторонньою шкалою А_Т, дорівнює сумі верхньої і нижньої границь вимірювання.

Залежно від величини основної зведеної похибки електровимірювальні прилади поділяють на вісім класів точності: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Клас точності наносять на шкалу зазначеними цифрами. Наприклад 1,5, які вказують на найбільшу допустиму зведену похибку приладу, виражену у відсотках від номінального значення при нормальних умовах зазначених на шкалі.

Прилади класів 0,05; 0,1; 0,2 відносять до лабораторних, а решту — до технічних, найбільш поширених у техніці.

Здатність приладу реагувати на малі зміни вимірюваної величини визначається його чутливістю; це відношення лінійного переміщення показника приладу, виражене в поділках шкали, до вимірюваної величини:

(3.6)

Обернену величину 1/S називають сталою приладу, або ціною поділки С.

Рис. 3.1. Шкала вимірювального приладу:

1 — умовне позначення типу приладу; 2 — товарний знак заводу (ЗИП — завод измерительных приборов); 3 — заводський номер приладу і рік виготовлення; 4 — група приладу за умовами експлуатації; 5 — категорія захисту від дії зовнішніх магнітних полів; 6 — клас точності; 7 — позначення положення приладу при вимірюванні; 8 — номер Держстандарту, якому відповідають електричні характеристики приладу; 9 — рід вимірюваного струму; 10 — система приладу; 11 — напруга, якою випробовувалася ізоляція приладу; 12 -— позначення роду вимірюваної величини

Для правильного застосування електровимірювального приладу слід додержувати технічних особливостей, указаних на шкалі приладу (табл. 3.3 і рис. 3.1).

За умовою експлуатації прилади, шунти і додаткові опори поділяють на три групи: А — прилади, призначені для роботи при температурі навколишнього повітря від +10 до +35°С і відносної вологості — 80%; Б — температура повітря від -20 до +50°С, відносна вологість — 80%; В — температура повітря від -40 до +60°С, відносна вологість — 98%.

Таблиця 3.3. Позначення технічних особливостей

Технічні особливості

Умовні позначення

Постійний струм Однофазний змінний струм Трифазний змінний струм Постійний і змінний струми Одиниці вимірювання ампер, вольт, ват, герц, коефіцієнт потужності, Ом Клас точності приладу Прилад працює при частоті Ізоляція приладу випробувана під напругою, наприклад 2 кВ Прилад не підлягає випробуванню ізоляції Прилад працює нормально: у вертикальному положенні; під кутом 600 до горизонту, у горизонтальному положенні Ступінь захисту від впливу зовнішніх полів: а) магнітних; б) електричних. Для І категорії додаткова похибка не повинна перевищувати 0,5%, для ІІ – 1%, для ІІІ – 2,5%

~ A,V,W,Hz, cos ,  0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 50 Гц a б