10.1.3 Классификация приборов

Приборы, измеряющие силу тока и напряжение, могут быть разделены на

электромеханические, электронные аналоговые и электронные цифровые.

Электромеханические приборы классифицируют по типу измерительного механизма: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и электростатические.

Условные обозначения приведены в таблицах10.1-10.3.

Таблица10.1- Электромеханическая группа приборов

Таблица10.2- Условные обозначения на шкале прибора

Род измеряемой величины	Название прибора	Условное обозначение
Ток	Амперметр Миллиамперметр Микроамперметр	A mA µA
Напряжение	Вольтметр Милливольтметр	V mV
Электрическая мощность	Ваттметр Киловаттметр	W kW
Электрическая энергия	Счетчик киловатт-часов	kWh
Сдвиг фаз	Фазометр	φ
Частота	Частотомер	Hz
Электрическое сопротивление	Омметр Мегаомметр	Ω MΩ

Таблица10.3- Условные обозначения на шкале прибора

Магнитоэлектрическая система (рис. 10.1). Механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита. Под воздействием тока рамка вращается в магнитном поле. Угол поворота ограничивается специальной пружинкой.

На основе магнитоэлектрического механизма конструируются вольтметры, амперметры, миллиамперметры. Такие приборы обладают хорошими техническими характеристиками (высокая точность, малое потребление энергии из измерительной цепи, высокая чувствительность), но они работают только на постоянном токе.

Принцип устройства магнитоэлектрической системы

Рис 10.1

Электромагнитная система (рис. 10.2). Измерительный механизм состоит из воздушной катушки, в которую втягивается ферромагнитный сердечник при любой полярности тока. Прибор данной системы может работать только на переменном токе.

Принцип устройства электромагнитной системы

Рис 10.2

Достоинством приборов данной системы является их конструктивная простота, надежность, возможность измерения действующего значения. Недостатками являются ограниченный частотный диапазон, большое потребление мощности от измерительной цепи, низкая чувствительность.

Электродинамическая система (рис. 10.3). Измерительный механизм содержит две измерительные катушки – подвижную и неподвижную, электромагнитные поля которых взаимодействуют, создавая вращательный момент:

,

где : M_вр -вращающий момент; I₁ - ток через неподвижную катушку; I₂ – ток через подвижную катушку; θ – фазовый сдвиг между синусоидальными токами.

Принцип устройства электродинамической системы

Рис. 10.3.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. Их достоинство – высокая точность на переменном токе, они используются как образцовые лабораторные измерительные приборы.

Электростатическая система (рис. 10.4). Принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников.

Принцип устройства электростатической системы

Рис. 10.4

Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Ограничение движения механизма осуществляется за счет пружинки.

Достоинством этих приборов является широкий частотный диапазон, малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы являются вольтметрами и измеряют действующее значение напряжения.

Электронные аналоговые приборы представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерении практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т. д.

Благодаря применению электронных устройств удается расширить функциональные возможности средств измерений и обеспечить высокий уровень их метрологических характеристик: это, в первую очередь, относится к высокой чувствительности приборов, широкому диапазону измерений, малой потребляемой мощности от измеряемой цепи, широкому частотному диапазону и др.

В настоящее время широкое признание получили такие приборы, как электронно-лучевые осциллографы, электронные вольтметры, омметры, анализаторы спектра и др. В то же время некоторые аналоговые приборы, например частотомеры и фазометры, вытесняются соответствующими цифровыми приборами, что обусловлено относительной простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.

Весьма разнообразен перечень выпускаемых промышленностью электронных измерительных преобразователей электрических величин с аналоговым выходным сигналом. Такие преобразователи имеют, как правило, унифицированный выходной сигнал, в частности, в виде напряжения постоянного тока 0—10В или постоянного тока 0—5 мА. Эти преобразователи широко используются в измерительных информационных системах.

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 МОм), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц). Эти достоинства обусловили широкое распространение электронных вольтметров.

Наиболее часто в электронных вольтметрах применяют схемы с прямым преобразованием сигналов. В этом случае аналоговые электронные узлы могут вносить значительные погрешности. Особенно это сказывается при измерении малых напряжений или напряжений высоких частот. Поэтому электронные вольтметры обычно имеют относительно невысокие классы точности (1—6). Вольтметры с уравновешивающим преобразованием, как правило, имеют более высокие классы точности (0,2—2,5), но они более сложны и менее удобны в эксплуатации.

В настоящее время выпускается множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Электронные цифровые приборы автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме. В цифровых приборах в соответствии с размером измеряемой величины образуется код, а затем в соответствии с кодом значение измеряемой величины представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме, Применительно к цифровым приборам код — условные сигналы (обычно электрические). Код может подаваться в цифровое регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства.

Неавтоматические лабораторные компенсаторы и мосты с декадными магазинами сопротивлений по существу являются цифровыми приборами (неавтоматическими), так как в них положение ручек декадных магазинов сопротивления после уравновешивания (оператором) образует код и результат выражается в цифровой форме. Развитие электроизмерительной техники, а также других смежных областей привело к созданию автоматических цифровых приборов.

Цифровой прибор включает в себя два обязательных функциональных узла: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины, а цифровое отсчетное устройство отражает это значение в цифровой форме.

АЦП являются не только составной частью ЦИП, они также используются в измерительных информационных, управляющих и других системах. АЦП выпускаются промышленностью и в качестве автономных устройств. Автономные АЦП в отличие от ЦИП не имеют десятичного отсчетного устройства, т. е. они дают на выходе только код; обычно они выполняются более быстродействующими, чем ЦИП, но менее точными; чаще всего они имеют один диапазон для одной измеряемой величины.

Кроме АЦП, к цифровым преобразователям относят цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), предназначенные для преобразования кода в аналоговую квантованную величину. ЦАП применяют не только как узел ЦИП и АЦП, но и как автономное устройство. В настоящее время промышленность выпускает АЦП и ЦАП не только в виде автономных средств измерений, но и в виде интегральных микросхем.

Кроме АЦП и ЦОУ, ЦИП может содержать предварительные аналоговые преобразователи, преобразующие измеряемую величину в другую величину, более удобную для преобразования в код. Например, аналоговыми преобразователями могут быть делители напряжения, усилители, преобразователи и т. п.

В настоящее время получили применение аналого-дискретные измерительные приборы (АДИП). В отличие от ЦИП в этих приборах используют квазианалоговые отсчетные устройства, т. е. устройства, в которых роль указателя выполняет светящаяся полоса или светящаяся точка, меняющие дискретно свою длину (полоса) или положение (точка) относительно шкалы. Квазианалоговые отсчетные устройства управляются кодом. Такие приборы сочетают в себе достоинства аналоговых приборов (аналоговые отсчетные устройства) и цифровых приборов (код на выходе).

При рассмотрении вопросов, общих для ЦИП, АЦП и АДИП, вводится понятие цифровое измерительное устройство (ЦИУ), под которым понимается любое из указанных средств измерений.

Для образования кода непрерывная измеряемая величина в ЦИУ дискретизируется во времени и квантуется по уровню.

Дискретизацией непрерывной во времени величины х (t) называется операция ее преобразования в прерывную во времени, т. е. величину, значения которой отличны от нуля и совпадают с соответствующими значениями х (t) только в определенные моменты времени. Промежуток между двумя соседними моментами времени дискретизации называют шагом дискретизации, который может быть постоянным или переменным.