2.7 Технические средства метрологии.

2.7 Технические средства метрологии.

Как уже отмечалось во введении к данному курсу, любое измерение требует проведение опытов, для проведения которых требуются особые технические средства – средства измерений, приводимые во взаимодействие с материальными объектами. Согласно классификации средств измерений они подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности. Рассмотрим некоторые из них.

2.7.1. Электромеханические приборы.

Электромеханические приборы включают в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство. Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой электрической величины Х в другую электрическую величину, Х, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части.

На каждый прибор наносят условные обозначения. Как правило, на приборе обозначают: единицу измеряемой величины, класс точности, род тока, используемое положение прибора. На шкале прибора указывают также условное обозначение типа измерительного механизма.

Под воздействием Х в измерительном механизме возникает вращающий момент М, который уравновешивается противодействующим моментом М_пр, создаваемым механическими пружинами, растяжками или подвесами. Вращающий момент определяется соотношением , где: W_e - энергия электромагнитного поля, используемая в создании М,  - угол поворота указателя. Противодействующий момент определяется соотношением М_пр = W, где W – удельный противодействующий момент. При остановке подвижной части М = М_пр или , откуда получается уравнение шкалы прибора .

Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током. Уравнение шкалы имеет вид , где B –индукция в зазоре постоянного магнита, S и w – площадь и число витков катушки, I_ср – среднее значение тока за период (постоянная составляющая). Это соотношение можно записать  = S_I I_ср, где S_I = BSw/W – чувствительность измерительного механизма к току. Величина, обратная чувствительности, называется постоянной прибора (ценой деления) C_I, т.е. C_I = 1/S_I. Для расширения пределов измерения по току параллельно измерительному механизму включается шунт. Сопротивление шунта рассчитывается по формуле R_ш = R_p / (n-1), где R_p сопротивление рамки механизма, n = I_x/I_p – коэффициент шунтирования; I_x – измеряемый ток, I_p – ток, протекающий по рамке механизма. Для расширения пределов измерений по напряжению используется добавочное сопротивление, подключаемое последовательно с измерительным механизмом. Добавочное сопротивление рассчитывается по формуле R_доб = R_p (n-1), где n = U_x/U_p (U_x – измеряемое напряжение, U_p – падение напряжения на рамке измерительного механизма). Магнитоэлектрические приборы применяются для измерения постоянных токов и напряжений и средних значений в цепях переменного тока. Условное обозначение на шкале , М.

Вращающий момент в измерительном механизме электромагнитного прибора возникает в результате взаимодействия ферромагнитного сердечника подвижной части и магнитного поля катушки, по которой протекает ток. Уравнение шкалы имеет вид , где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, I – действующее значение тока. Область применения: измерение постоянных и действующих значений переменного тока и напряжения, частота в диапазоне 45 Гц  8кГц. Расширение пределов измерения осуществляется секционированием обмотки и использованием измерительных трансформаторов тока и напряжения. Условное обозначение на шкале , Э.

Вращающий момент в электродинамических и ферродинамических измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижных катушек с токами. Уравнение шкалы имеет вид , где М_1,2 – взаимная индуктивность неподвижных и подвижных катушек,  - угол сдвига фазы между токами. Область применения электродинамических приборов: измерение постоянных и действующих значений переменного тока и напряжения, активной мощности, частоты, cos  в диапазоне 10 Гц  20 кГц. Расширение пределов осуществляется аналогично с электромагнитными приборами. Условное обозначение на шкале , Д.

Вращающий момент в измерительном механизме электростатического прибора возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной. Уравнение шкалы имеет вид , где С – электрическая емкость между подвижными и неподвижными пластинами, зависящая от положения подвижных пластин относительно неподвижных, U – действующее значение напряжения. Область применения: измерение постоянных и переменных напряжений в диапазоне 5 Гц  35 МГц. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью емкостных делителей напряжения. Условное обозначение на шкале , С.