01 Измерительная / 001 Введение / 06 электрические измерения

Электрические измерения

Электрические величины, такие как сила тока, напряжение, сопротивление, эдс и т.п., непосредственно наблюдателями не воспринимаются. Поэтому в электроизмерительных приборах исследуемая величина преобразуется в другую, связанную с ней определенной функциональной зависимостью и доступную для непосредственного восприятия наблюдателем. Электроизмерительные приборы весьма разнообразны по своему принципу действия и конструкции. Сначала мы рассмотрим приборы с электромеханическим преобразованием.

1. Общий принцип действия таких приборов (обычно это приборы со стрелочным отсчетом) состоит в том, что в приборе имеются два элемента: токонесущая часть в виде катушки, по которой течет исследуемый электрический ток, и измерительный механизм, который взаимодействует с катушкой и в котором измеряемая величина преобразуется в механическую - в угловое перемещение (поворот). Эта вторая часть тоже может быть катушкой. Один из этих двух элементов делается подвижным. Угол поворота подвижной части и является, как говорят, сигналом, несущим информацию об измеряемой величине..

По типу взаимодействующих элементов и по характеру их взаимодействия электроизмерительные приборы с электромеханическим преобразованием делятся на ряд систем, из которых мы рассмотрим только три наиболее распространенные.

Приборы магнитоэлектрической системы. В приборах этого типа исследуемый ток пропускается через легкую подвижную катушку, помещенную между полюсами неподвижного постоянного магнита. Известно, что на катушку с током в магнитном поле действует сила, поворачивающая катушку (создающая вращающий момент). Если бы этот момент был единственным, то при любом токе в катушке она повернулась бы на один и тот же угол - либо на 90⁰, либо на максимальный угол, допускаемый конструкцией прибора (до "упора"). Измерение было бы в таком случае невозможно. Поэтому в измерительном механизме прибора (на подвижной его части) помещается какое-либо устройство, создающее противодействующий вращающий момент, пропорциональный углу поворота катушки. При этих условиях угол поворота катушки  оказывается пропорциональным силе тока I, протекающего по ней, то есть  ~ I.

При изменении знака I (т.е. направления тока) изменится и направление отклонения подвижной части прибора. Поэтому приборы магнитоэлектрической системы могут применяться только для измерений в цепях постоянного тока. С катушкой, скрытой в корпусе прибора, связана стрелка, скользящая по циферблату, на котором нанесены деления. Иногда к ней прикреплено зеркальце и наблюдается отклонение отраженного от него света, скользящего по шкале. На циферблате приборов магнитоэлектрической системы ставится символ «» и знак «▬», указывающий на то, что прибор предназначается для измерений в цепи постоянного тока.

Приборы электромагнитной системы. В этих приборах используется взаимодействие токонесущей катушки, на этот раз неподвижной, с железным стержнем (сердечником), который намагничивается в магнитном поле катушки и втягивается в нее. Стержень и является подвижной частью прибора. С ним связана стрелка, поворачивающаяся при движении. Угол отклонения стрелки в приборах электромагнитной системы пропорционален току в катушке и намагниченности стержня. Но сама намагниченность стержня пропорциональна току в катушке. Поэтому угол поворота стрелки пропорционален квадрату тока в катушке. Благодаря этому смена направления тока не приводит к изменению направления отклонений стрелки, и приборы электромагнитной системы пригодны для измерений в цепях переменного и постоянного тока. Так как  ~ I ², шкала приборов электромагнитной системы неравномерная: расстояние между делениями шкалы в начале меньше, чем в середине и в конце. На циферблатах приборов этой системы ставится символ «» и знак «», указывающий на то, что эти приборы можно включать в цепи постоянного и переменного тока.

Приборы электродинамической системы. Здесь используется электромагнитное взаимодействие двух последовательно соединенных катушек, через которые проходит исследуемый ток. Одна из них подвижна, другая неподвижна. При прохождении тока подвижная катушка поворачивается в магнитном поле неподвижной катушки. Вместе с ней поворачивается соединенная с ней стрелка. К подвижной катушке приложен противодействующий момент, благодаря которому угол поворота стрелки оказывается пропорционален току в каждой из катушек, т.е. квадрату тока. Ясно, что и приборы электродинамической системы пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока. На циферблатах приборов электродинамической системы ставится символ «» и знак «».

Для описанных выше приборов характерно то, что их показания являются непрерывной функцией измеряемой величины: любому значению измеряемой величины соответствует определенные показания прибора. При непрерывном изменении измеряемой величины непрерывно изменяется и показание прибора. Электроизмерительные приборы, показания которых обладают таким свойством, называются аналоговыми приборами. Такими являются электроизмерительные приборы с электромеханическим преобразованием.

2. Электроизмерительные приборы всех перечисленных систем изготовляются для измерения различных электрических величин - силы тока, напряжения, мощности, сопротивления. Не отличаясь друг от друга принципом действия, они различаются, прежде всего, значением сопротивления токонесущей части прибора и градуировкой шкалы. Рассмотрим подробнее приборы для измерения напряжения и силы тока. Первые называются вольтметрами, вторые - амперметрами. Эти названия и значатся на циферблатах (иногда вместо слова "вольтметр" ставят букву V, а вместо слова "амперметр" - букву A). Приборы, предназначенные для измерения малых токов, называются миллиамперметрами или микроамперметрами, на что указывают соответствующие слова на циферблатах или обозначения - mA и A. Аналогично обозначаются милли- и микровольтметры. Амперметры, как и вольтметры, реагируют на ток, текущий в катушках их измерительных механизмов.

Если требуется измерять силу тока на каком-то участке электрической цепи, то амперметр должен быть подключен последовательно с этим участком, потому что при последовательном соединении проводников сила тока в них одинакова. Однако ясно, что включение амперметра в исследуемый участок не должно заметно изменять силу тока в нем, так как эта величина подлежит измерению. Поэтому нужно, чтобы сопротивление амперметра было намного меньше сопротивления того участка цепи, в который он включен. В этом и состоят особенности амперметров и их включения (см. рис.1а).

В ольтметры, назначения которых измерять напряжение (разность потенциалов) должны, наоборот, включаться параллельно тому участку цепи, на концах которого нужно измерить напряжение (рис.1б), потому что при параллельном соединении проводников напряжение на их концах одинаково. Но и здесь очевидно требование, чтобы включение прибора не изменяло по возможности измеряемое напряжение. Для этого необходимо, чтобы включение вольтметра не изменяло заметным образом силу тока в исследуемом участке: ведь напряжение равно IR_X, где I - сила тока, а R_X - сопротивление участка. Поэтому вольтметр должен иметь сопротивление намного большее сопротивления соответствующего участка цепи. В наиболее точных вольтметрах на каждую единицу измеряемого напряжения сопротивление составляет от нескольких сотен до тысяч Ом.

Если указанные выше требования не выполнены, то при измерениях это должно быть учтено, и в результатах измерений необходимо сделать соответствующие поправки. На некоторых приборах значения их внутренних сопротивлений указаны прямо на циферблатах. У других эти данные приведены в паспортах, прилагаемых к приборам.

Вольтметры и амперметры часто имеют несколько пределов измерений (многопредельные приборы). Это достигается параллельным включением (внутри корпуса) дополнительных сопротивлений в амперметре и последовательным в вольтметре с токонесущими катушками измерительных механизмов. Для перехода от одного предела измерений к другому служат либо рычажные переключатели, либо специальные клеммы. На тех и других ставятся соответствующие надписи.

3. Для получения результата измерения физической величины в принятых единицах (обычно в системе СИ) обязательно должен участвовать эталон (мера). Однако в электромеханических приборах мера измеряемой величины в процессе измерения не используется. Такие приборы заранее градуируются в единицах измеряемой величины, то есть мера используется раньше, в процессе изготовления прибора.

Существуют приборы, которые предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Эти электроизмерительные приборы называют приборами сравнения. Примерами приборов сравнения являются мосты постоянного и переменного тока и потенциометры. Они широко применяются для измерения таких величин, как сопротивление, индуктивность, эдс и др.

В приборах сравнения используется тот факт, что в случае отсутствия тока в каком-либо участке цепи (мосты) или равенства напряжений на каких-либо участках цепи (потенциометры), существует определенное соотношение между значениями измеряемой величины и меры. Для установления отсутствия тока или равенства напряжений применяются приборы, получившие название нуль-индикаторов. Когда показание этого прибора равно нулю, говорят, что "мост уравновешен", а "потенциометр скомпенсирован".

Приборы, в которых процессы уравновешивания или компенсации проводится автоматически, называются соответственно автоматическими мостами или автоматическими потенциометрами. Эти приборы позволяют изображать изменение измеряемых величин во времени на диаграммной бумаге. Они применяются также для управления различными процессами.

Автоматические потенциометры и мосты относятся к самопишущим измерительным приборам. Однако они могут производить запись лишь медленно изменяющихся величин. Параметры процессов, происходящих с большой скоростью, могут быть измерены и записаны лишь с помощью электронных осциллографов.

Подробно принципы действия мостов, потенциометров и электронных осциллографов будут приведены ниже в описаниях отдельных лабораторных работ.

4. В настоящее время широко применяются цифровые измерительные приборы. В этих приборах измеряемая величина преобразуется в прерывистые (дискретные) сигналы, несущие информацию об измеряемой величине, которые, в свою очередь, преобразуются в электрический код. В соответствии с этим кодом измеряемая величина представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме.

Самым важным звеном цифрового измерительного прибора является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Вариантов АЦП существует достаточно много, их принцип действия будут рассмотрены в соответствующих курсах. Основные блоки цифрового измерительного прибора и их взаимодействие показаны на рис.2

В ходной сигнал усиливается усилителем настолько, насколько это необходимо для надежной работы АЦП. Благодаря этому достигается высокая чувствительность прибора. Помимо входного усилителя цифровые приборы содержат и другие усилители, прежде всего, в самом АЦП, а также в других звеньях.

Генератор импульсов необходим для выработки носителя промежуточного сигнала и для управления программой работы. Для этого необходимы также коммутационные и логические устройства. Создаваемые АЦПУ "кванты" или "цифровые единицы" подсчитываются счетчиком, и их число делается видимым с помощью отчетного устройства.

5. Одной из основных метрологических характеристик средств измерения является погрешность. Абсолютная погрешность прибора есть разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины. (Так как истинное значение измеряемой величины неизвестно, пользуются термином "действительное" значение).

Пределы погрешностей средств измерения указываются в виде абсолютных, относительных или приведенных погрешностей.

Абсолютная погрешность выражается в тех же единицах, что и измеряемая величена. Предел абсолютной погрешности представляется либо одним значением   a , либо в виде линейной зависимости,   a+bX, где a и b - постоянные величины, а X - показания прибора.

Для средств измерения, погрешность которых выражается в виде относительной или приведенной погрешностей, установлен следующий ряд чисел, который применяется для обозначения класса точности:

(0.5; 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 4;5; 6)10 ⁿ, где n = 1,0,-1,-2,-3,-4... и т.д.

Класс точности является обобщенной метрологической характеристикой средства измерения.

С использованием чисел этого ряда применяются условные обозначения классов точности. Классы точности стрелочных электроизмерительных приборов обычно приводятся на панели прибора. Если цифра на шкале прибора из приведенного выше ряда обведена кружком, например, то это число устанавливает относительную погрешность прибора, выраженную в процентах. То есть обозначение говорит о том, что абсолютная погрешность составляет 1,5% от измеряемой величины. Если на шкале прибора просто указывается число  из приведенного ряда, то это означает что, абсолютная погрешность вычисляется по формуле   X_n, где X_n - так называемое нормирующее значение, которое для всех приборов в данных работах равно пределу измерения. В случае, когда число  из приведенного ряда подчеркнуто углом, например , то это значит, что абсолютная погрешность измерения также определяется по формуле   X_n, но X_n здесь равно длине шкалы. Длина шкалы обычно приводится в паспорте прибора.

Для цифровых приборов относительная погрешность в процентах выражается следующей формулой:

,

где X - показания прибора, X _k - конечное значение диапазона измерений, а c и d - постоянные числа, выбираемые из вышеуказанного ряда. Иногда класс точности таких приборов обозначается как c/d. Формулы, определяющие погрешности цифровых приборов, обычно приводятся в паспорте прибора.

-10-