2.3 Электроизмерительные приборы

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

методу измерения;

роду измеряемой величины;

роду тока;

степени точности;

принципу действия.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Различают прямые, косвенные и совместные виды измерений. При прямых измерениях искомую величину получают в результате эксперимента путём сравнения её с эталоном (мерой) или с помощью прибора, проградуированного в единицах измерения (измерение длинны метром, тока-амперметром) . При косвенных измерениях искомую величину получают в результате вычисления по формуле, в которую входят величины, определённые путём прямых измерений (измерение сопротивления постоянному току методом вольтметра-амперметра через уравнение связи ). В зависимости от применяемых технических средств различают методы непосредственной оценки (по шкале прибора или эталонной меры) и сравнения (с мерой, не имеющей шкалы). Наиболее просты и удобны методы непосредственной оценки.

Для измерения различных электрических величин, например тока или напряжения, наибольшее распространение имеют методы непосредственной оценки и метод сравнения.

Непосредственная оценка. Проводят с помощью амперметров и вольтметров - приборов со стрелочным или цифровым способом отсчета.

Амперметры включают в разрыв цепи с измеряемым током I_ИЗМ. Их собственное сопротивление R_A и потребляемая мощность Р=R_аI²_ИЗМ должны быть незначительными по сравнению с полным сопротивлением и мощностью измеряемой цепи.

Вольтметры подключают к точкам цепи, разность электрических потенциалов U между которыми следует определить. Чтобы не исказился режим работы цепи, входное сопротивление вольтметра R_V должно быть большим, а потребляемая мощность P=U²/R_V малой.

Наиболее высокую точность измерений получают в цепях постоянного тока. На переменном токе точность зависит от частоты и с повышением ее снижается.

Метод сравнения. Позволяет измерять напряжение и ЭДС с более высокой точностью. Этот метод используют в компенсационных схемах и электронных вольтметрах. Компенсационный принцип измерения напряжения позволяет косвенным путем измерять ток с высокой точностью. Суть метода сравнения состоит в том, что измеряемая величина, например напряжение, сравнивается в приборе с напряжением высокостабильного источника, и в момент их равенства производится индикация полученного значения.

В настоящее время широкое распространение получили электронные цифровые вольтметры - приборы с цифровым отсчетным устройством и аналого-цифровым преобразователем, в котором измеряемая физическая величина (напряжение, ток, сопротивление и т.д.) автоматически преобразуется в числовой код. Такие вольтметры имеют ряд преимуществ по сравнению со стрелочными приборами. Они обладают широким диапазоном измеряемых напряжений – от единиц мкВ до 1000 В, быстродействием - от одного измерения в 2-3 с до нескольких тысяч в 1 с, а также позволяют проводить измерения с малыми погрешностями (0,01...0,005), так как принцип действия этих приборов, как правило, основан на методе сравнения, а цифровой отсчет исключает погрешность считывания.

Распространены два метода измерения:

1) метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величина;

2) метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов.

По роду измеряемой величины различают электроизмерительные приборы: для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры); для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры); для измерения мощности (ваттметры); для измерения энергии (электрические счётчики); для измерения угла сдвига фаз (фазометры); для измерения частоты тока (частотомеры); для измерения сопротивлений (омметры), и т.д.

В зависимости от рода измеряемого тока различают приборы постоянного, переменного однофазного и переменного трёхфазного тока.

приборов. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Существуют следующие основные системы приборов: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, индукционная.

По способу представления информации (показывающие или регистрирующие)

Показывающий измерительный прибор — измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний значений измеряемой величины

Регистрирующий измерительный прибор — измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация значений может осуществляться в аналоговой или цифровой формах. Различают самопишущие и печатающие регистрирующие приборы

По методу измерений

Измерительный прибор прямого действия — измерительный прибор, например, манометр, амперметр в котором осуществляется одно или несколько преобразований измеряемой величины и значение её находится без сравнения с известной одноимённой величиной

Измерительный прибор сравнения — измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно

По форме представления показаний

Аналоговый измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого или выходной сигнал являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины

Цифровой измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме

По другим признакам

Суммирующий измерительный прибор — измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам

Интегрирующий измерительный прибор — измерительный прибор, в котором значение измеряемой величины определяются путём её интегрирования по другой величине

по способу применения и конструктивному исполнению (стационарные, щитовые, панельные, переносные);

по принципу действия учётом конструкции (с подвижными частями и без подвижных частей);

для приборов с механической частью также по способу создания противодействующего момента (механическим противодействием, магнитным или на основе электромагнитных сил);

по характеру шкалы и положению на ней нулевой точки (равномерная шкала, неравномерная, с односторонней, двухсторонней (симметричной и несимметричной), с безнулевой шкалой);

по конструкции отсчётного устройства (непосредственный отсчёт, со световым указателем — световым зайчиком, с пишущим устройством, язычковые — вибрационные частотомеры, со шкалой на оптоэлектронном эффекте — люминофор, ЖК, СИД);

по точности измерений (нормируемые и ненормируемые — индикаторы или указатели);

по виду используемой энергии (физическому явлению) — электромеханические, электротепловые, электрокинетические, электрохимические;

по роду измеряемой величины (вольтметры, амперметры, веберметры, частотомеры, варметры и т. д.)[1].

Параметры измерительных приборов

Для измерительных приборов характерен следующий ряд параметров:

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, на который рассчитан прибор при его нормальном функционировании (с заданной точностью измерения).

Порог чувствительности — некоторое минимальное или пороговое значение измеряемой величины, которое прибор может различить.

Чувствительность связывает значение измеряемого параметра с соответствующим ему изменением показаний прибора.

Точность — способность прибора указывать истинное значение измеряемого показателя (предел допустимой погрешности или неопределённость измерения).

Стабильность — способность прибора поддерживать заданную точность измерения в течение определенного времени после калибровки. Классификация

Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:

амперметры — для измерения силы электрического тока;

вольтметры — для измерения электрического напряжения;

омметры — для измерения электрического сопротивления;

мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы

частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока;

магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений;

ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока;

электрические счётчики — для измерения потреблённой электроэнергии

и множество других видов

Кроме этого существуют классификации по другим признакам:

по назначению — измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства;

по способу представления результатов измерений — показывающие и регистрирующие ( в виде графика на бумаге или фотоплёнке, распечатки, либо в электронном виде);

по методу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

по способу применения и по конструкции — щитовые (закрепляемые на щите или панели), переносные и стационарные;

по принципу действия:

электромеханические; магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические; электростатические; ферродинамические; индукционные; магнитодинамические; электронные; термоэлектрические; электрохимические.

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Приборы этой системы содержат постоянный магнит - 1, к которому крепятся полюса - 2. В межполюсном пространстве расположен стальной цилиндр - 3 с наклеенной на него рамкой - 4. Ток в рамку подаётся через две спиральные пружины -5. Принцип действия прибора основан на взаимодействии тока в рамке с магнитным полем полюсов.

Это взаимодействие вызывает вращающий момент, под действием которого рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол .

Спиральная пружина, в свою очередь, вызывает противодействующий момент.

Так как вращающий момент пропорционален току, , а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин , то можно написать:

где k и D - коэффициенты пропорциональности. Из написанного следует, что угол поворота рамки:

а ток в катушке:

Где - чувствительность прибора к току, определяемая числом делений шкалы, соответствующая единице тока; C_I - постоянная по току, известная для каждого прибора.

Следовательно, измеряемый ток можно определить произведением угла поворота (отсчитывается по шкале) и постоянной по току C_I.

К достоинствам этой системы относят высокую точность и чувствительность, малое потребление энергии.

Из недостатков следует отметить сложность конструкции, чувствительность к перегрузкам, возможность измерять только постоянный ток (без дополнительных средств).