5. Электрические измерения

5.1. Методы измерения. Погрешности измерения и классы точности

Существует два основных метода электрических измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения. В методе непосредственной оценки измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора, отградуированной по эталонному прибору в единицах измеряемой величины. Недостаток метода – сравнительно невысокая точность измерения.

В методе сравнения измеряемая величина сравнивается с эталоном или мерой. В этом случае точность измерения значительно выше непосредственной оценки.

Точность измерения характеризуется погрешностями измерения, которые подразделятся на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешность – это разность между измеренным и действительным А значениями измеряемой величины:

. (5.1)

Например, амперметр показывает , а действительное значение , следовательно, .

Точность измерения оценивается не абсолютной, а относительной погрешностью – выраженным в процентах отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

. (5.2)

Для приведенного примера измерения тока относительная погрешность .

Для оценки точности прибора служит приведенная погрешность, – выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности показания к максимальному значению шкалы прибора :

. (5.3)

Если в рассмотренном примере , то приведенная погрешность электроизмерительного прибора определяет класс точности 1. Обозначение классов точности соответствует ряду: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

5.2. Приборы магнитоэлектрической системы

Приборы магнитоэлектрической системы применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока. Магнитоэлектрические приборы состоят из основных частей: постоянного магнита и катушки. Между полюсами постоянного магнита и неподвижного стального цилиндра имеется воздушный кольцевой зазор, в котором создается однородное магнитное поле и располагается подвижная катушка, намотанная тонким проводом на алюминиевой рамке. На оси катушки установлена стрелка с противовесами, предназначенными для уравновешивания подвижной системы прибора. Противодействующий момент создается с помощью двух спиральных пружин, через которые на катушку проводится электрический ток.

При включении прибора по катушке проходит ток и возникает механическая сила, которая в соответствии с правилом левой руки, поворачивает рамку с катушкой на некоторый угол. Величина этой силы зависит от магнитной индукции В, силы тока в катушке I, числа витков ω и активной длины проводника l: . Так как параметры B, l, ω постоянны, то угол поворота стрелки с катушкой будет пропорционален силе тока, проходящего по катушке прибора. Вследствие этого приборы магнитоэлектрической системы имеют равномерную шкалу.

Успокоителем измерительного механизма является алюминиевый каркас катушки. При повороте катушки с током в магнитном поле в алюминиевом каркасе будут возбуждаться индукционные токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создает тормозящий механический момент, который устраняет колебания подвижной системы.

При измерении силы тока, амперметр включается последовательно с нагрузкой, и его сопротивление не должно влиять на измеряемый ток в цепи. Сопротивление катушки прибора должно быть малым по сравнению с сопротивлением приёмника энергии.

Включение вольтметра также не должно влиять на измеряемое напряжение, поэтому сопротивление вольтметра должно быть большим по сравнению с сопротивлением приемника, параллельно которому он включен.

Для измерения токов и напряжений, превышающих верхний предел измерения прибора, применяют при постоянном токе шунты и добавочные сопротивления.

При измерении тока параллельно амперметру подключают шунт, выполненный из манганина или константана. Сопротивление этих металлов практически не зависит от температуры.

Если сопротивление шунта в 9 раз меньше сопротивления катушки амперметра, то 0,9 тока пройдет через шунт и только 0,1 – через прибор. При этом предметы измерений прибора расширяются в 10 раз.

Сопротивление шунта определяют по формуле

, (5.4)

где – сопротивление шунта, – сопротивление катушки амперметра,

n – число, показывающее, во сколько раз расширяются пределы измерения прибора.

В тех случаях, когда вольтметром, рассчитанным на измерение небольших напряжений, требуется измерить большую величину, последовательно с вольтметром включают добавочный резистор .

Если добавочное сопротивление будет в 9 раз превышать сопротивление обмотки вольтметра, то 0,9 общего напряжения будет приходиться на добавочное сопротивление и только 0,1 – на сопротивление катушки вольтметра . При этом пределы измерений прибора расширяются в 10 раз.

Расчет сопротивления добавочного резистора производят по формуле

, (5.5)

где n – число, показывающее, во сколько раз расширяются пределы измерения прибора.

На шкалах приборов с расширением пределов измерения необходимо поставить множитель (в рассматриваемых случаях 10).