5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ

Измерительная техника играет важную роль в научнотехническом прогрессе. Уровень ее развития определяет совершенство технологических процессов, качество изделий и достижения в научных исследованиях.

Без высококачественных электроизмерительных приборов невозможны проведение научных исследований на современном уровне, разработка и внедрение электронных вычислительных машин, систем автоматического контроля и управления. Электроизмерительные приборы выполняют функции не только измерения, но и сигнализации, контроля и управления. Дальнейшее развитие получают цифровые измерительные приборы, разрабатываются измерительные следящие системы, обеспечивающие осуществление массовых измерений, получение потока измерительной информации, обработку результатов на ЭВМ.

Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: ток, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т. д.

Электроизмерительные устройства широко применяются и для измерения неэлектрических величин (температуры, давления, концентрации, перемещения и т. д.), которые для этой цели преобразуются в зависящие от них электрические величины, т. е. производят

электрические измерения неэлектрических величин. Применение электрических методов измерений дает возможность относительно просто передавать показания приборов на дальние расстояния (телеизмерения), управлять машинами и аппаратами (автоматическое регулирование), выполнять автоматически математические операции над измеряемыми величинами, записывать ход контролируемых процессов и т. д.

По типу отсчетного устройства различают аналоговые и цифровые приборы. В аналоговых приборах измеряемая или пропорциональная ей величина непосредственно воздействует на положение подвижной части, на которой расположено отсчетное устройство. В цифровых приборах подвижная часть отсутствует, а измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, регистрируемый цифровым индикатором.

53

Микропроцессоры позволяют существенно повысить производительность и точность измерительных приборов, придавая им дополнительные функции обработки результатов измерений. Для исследования сложных объектов применяются автоматические измерительные системы, представляющие собой совокупность датчиков, измерительных и регистрирующих приборов, устройств их сопряжения (интерфейс) и управления.

5.1. Основные понятия. Виды и методы измерений

Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем эксперимента измеряемой физической величины с некоторым ее значением, принятым за единицу.

Взависимости от способа получения результата, измерения делятся на прямые и косвенные.

Прямые измерения – искомое значение физической величины определяют непосредственно по показанию прибора, например измерение тока амперметром.

Косвенные измерения – искомое значение физической величины находят на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений, например измерение сопротивления электрической цепи при измерении напряжения вольтметром и тока амперметром.

Взависимости от способа применения приборов и мер разли-

чают метод непосредственной оценки; метод сравнения и дифференциальный метод.

При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяется по показаниям отсчетного устройства измерительного прибора прямого действия (например, амперметр и др).

При методе сравнения измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. При измерении этим методом значение образцовой величины регулируется до равенства со значением измеряемой величины, которое фиксируется измерительным прибором. Прибор должен быть высокой чувствительности, он называется нулевым прибором или нуль-индикатором. Важнейшие среди методов сравнения – мостовые и компенсационные.

54

Самая большая точность достигается при дифференциальном методе измерений. В этом методе измеряемая величина уравновешивается известной величиной не до полного равновесия, а путѐм прямого отсчета измеряется разность измеряемой величины и известной. Дифференциальный метод применяется для сравнения двух, мало отличающихся величин.

Средства электрических измерений – это технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики (рис. 44).

Средства электрических измерений

Рис.44

Меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного значения (эталоны, образцовые меры, рабочие меры).

Электроизмерительные приборы служат для выработки сиг-

налов измерительной информации в доступной для восприятия форме (амперметры, вольтметры, ваттметры и т. д.).

Измерительные преобразователи предназначены для выра-

ботки сигнала измерительной информации, передачи его, дальнейшего преобразования, обработки и хранения. Существуют преобразователи электрической величины в электрическую (например: шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы) и неэлектрической величины в электрическую (термопары, терморезисторы, тензорезисторы и т. д.).

55

Электроизмерительная установка – это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, служащих для выработки сигналов измерительной информации, расположенных в одном месте.

Измерительные информационные системы (ИИС) – совокуп-

ность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации от ряда источников в форме, удобной для обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.

5.2. Погрешности измерения и классы точности

Погрешность средств измерений – это разность между значением физической величины, обозначенной на приборе, и ее истинным значением.

Погрешности разделяются

–по характеру проявления – на систематические и случайные;

–по зависимости от изменения во времени – на статические и динамические;

–по зависимости от условий возникновения – на основные и дополнительные;

–по способу числового выражения – на абсолютные, приведенные и относительные.

Абсолютная погрешность – это разность между показанием прибора А и действительным значением измеряемой величины Ад

= А – Ад.

Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины А, выраженное в процентах

А Д 100%.

Приведенная погрешность γпр – это отношение абсолютной погрешности к максимальному значению по шкале прибора, выраженное в процентах

56

Обобщенной характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый приведенной погрешностью.

Для электромеханических измерительных приборов по ГОСТу устанавливается 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4.

Принадлежность прибора к определѐнному классу указывает, что основная погрешность прибора на всех делениях шкалы не превышает значения, определяемого классом точности этого прибора.

Кроме понятия погрешности приборов пользуются понятиями:

– чувствительность прибора – отношение перемещения указателя (стрелки) к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение

Sd α – (дел /А; дел / В; дел / Вт и т. д.) ; d x

–постоянная прибора (цена деления) – величина, обратная чувствительности. Она показывает, какому изменению измеряемой величины соответствует отклонение указателя на одно деление:

С= 1 / S – (А /дел; В /дел; Вт /дел. и т. д.).

Погрешности измерения возникают вследствие несовершенства метода измерения, ограниченной точности средств измерения, индивидуальных особенностей наблюдателя. Они делятся на методические, обусловленные несовершенством метода измерения; инструментальные, связанные с погрешностью самих средств измерения; субъективные, зависящие от особенностей органов чувств наблюдателя.

Численно погрешности измерения выражаются так же, как и погрешности средств измерения: абсолютные, относительные.

5.3.Показывающие измерительные приборы

сэлектромеханическими преобразователями

Структурная схема электромеханических приборов имеет следующий вид

57

где x – измеряемая величина; y – промежуточная электрическая величина; – угол перемещения подвижной части; ИЦ – измерительная цепь прибора – преобразователь одной электрической величины в другую электрическую величину; ИМ – измерительный механизм – совокупность деталей, образующих подвижную и неподвижную части прибора.

В электромеханических приборах имеются подвижная и неподвижная части. На каждой или на одной из них располагаются обмотки и соответствующие зажимы, через которые к прибору подводится ток или напряжение; oни, в свою очередь, создают механические силы, действующие на подвижную часть и вызывающие ее перемещение, пропорциональное значению измеряемой величины.

Преобразование y = f (x) – осуществляется в измерительной цепи прибора, а преобразование = f (y) – в его измерительном механизме.

В зависимости от физических явлений, положенных в основу создания вращающего момента различают следующие измерительные системы приборов (их условные обозначения указываются на шкалах приборов):

– магнитоэлектрические (МЭ)

– электродинамические (ЭД)

– ферродинамические (ФД)

и другие.

Всего существует 12 систем электромеханических приборов. Наиболее часто встречаются системы, перечисленные выше. Очень кратко остановимся на некоторых из них.

58