1.3. Методы и средства электрических измерений

Электромеханические измерительные приборы

Структурную схему аналогового электромеханического при­бора в общем виде можно представить так (рис. 1.3).

Рис.1.3. Структурная схема аналогового электромеханического прибора

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электри­ческой величины X в промежуточную электрическую величи­ну У, функционально связанную с величиной X и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом. Измерительный механизм — основная часть прибора, пред­назначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота α.

α = f(Y)=F(X)

Отсчетное устройство состоит из указателя, связанного с из­мерительным механизмом, и шкалы.

По типу измерительного механизма приборы делятся на:

магнитоэлектрический механизм;

магнитоэлектрический механизм логометрического типа;

электромагнитный механизм;

электромагнитный механизм логометрического типа;

электромагнитный поляризованный механизм;

электродинамический механизм;

электродинамический механизм логометрического типа;

ферродинамический механизм;

ферродинамический механизм логометрического типа;

электростатический механизм;

измерительный механизм индукционного типа.

Общие технические требования ко всем электроизмеритель­ным приборам нормируются ГОСТ 22261—94 «Средства измере­ний электрических и магнитных величин. Общие технические Условия».

Условные обозначения определены в ГОСТ 23217—78.

Магнитоэлектрические измерительные приборы

Общее устройство прибора электромагнитного типа показа­но на рис. 1.4.

Рис. 1,4. Схема магнитоэлектрического механизма;

а — с подвижным магнитом; б - с неподвижным магнитом; 1 — стрелка; 2 — катушка; 3 — постоянный магнит; 4 — пружина; 5 — магнитный шунт; 6 — по­люсные наконечники

Данный механизм, примененный непосредственно, может измерять только постоянные токи.

Достоинства магнитоэлектрических приборов:

• большой вращающий момент при малых токах;

• высокие классы точности;

• малое самопотребление.

Недостатки магнитоэлектрических приборов:

• сложность конструкции;

• высокая стоимость;

• невысокая перегрузочная способность.

Электродинамические измерительные приборы

Устройство электродинамического механизма и векторная диаграмма, поясняющая его работу, приведены на рис. 1.5.

Электродинамический измерительный механизм работает по принципу взаимодействия магнитных потоков двух катушек. Электродинамический механизм состоит из двух катушек. Одна из них — подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, про­текающие по этим катушкам, и магнитные потоки, образуемые ими при своем взаимодействии, создают вращающий момент.

Рис. 1.5. Электродинамический измерительный прибор:

а — схема устройства; 6— векторная диаграмма: 1 — стрелка; 2 — подвижная ка­тушка; 3 — неподвижная катушка; 4 — пружина

Приборы электродинамической системы имеют малую чув­ствительность и большое самопотребление. Применяются в ос­новном при токах 0,1 — 10 А и напряжениях до 300 В.

Ферродинамические приборы

Ферродинамическими называются приборы, у которых не­подвижная катушка электродинамического механизма намотана на магнитопровод. Это защищает от внешних электромагнитных полей и создает больший вращающий момент, т. е. повышается чувствительность.

Электромагнитные измерительные приборы

Устройство измерительного механизма электромагнитного типа показано на рис. 1.6.

Рис. 1,6. Устройство электромагнитного измерительного прибора:

1— стрелка; 2 — катушка; 3 — лепесток; 4 — пружина

В электромагнитных измерительных механизмах для созда­ния вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферромагнитный (чаще пермоллоевый) лепесток.

Достоинства электромагнитных механизмов:

• пригодность для работы в цепях постоянного и переменно­го тока;

• большая перегрузочная способность;

• возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений;

• простота конструкции.

Недостатки электромагнитных механизмов:

• неравномерная шкала;

• невысокая чувствительность;

• большое самопотребление мощности;

• подверженность влиянию изменения частоты;

• подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры.

Электростатические измерительные приборы

Схемы механизмов различных конструкций показаны на рис. 1.7.

Принцип действия электростатического измерительного ме­ханизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами.

Достоинства электростатических приборов:

• высокое входное сопротивление;

• малая входная емкость;

• малая мощность самопотребления;

• широкий частотный диапазон;

• возможность использования в цепях переменного и посто­янного тока;

• независимость показаний от формы кривой измеряемого сигнала.

Рис. 1.7 Устройство электростатических измерительных приборов: а — схема с изменяющейся площадью электродов; б — с изменяющимся рас­стоянием между электродами; / — стрелка; 2 — подвижный электрод; 3 — не­подвижный электрод; 4 — пружина

Недостатки электростатических приборов:

• небольшая чувствительность;

• невысокая точность.

Индукционные измерительные приборы

Н а основе индукционного измерительного механизма вы­полняются, как правило, счетчики электрической энергии. Уст­ройство и векторная диаграмма прибора индукционной системы показаны на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Индукционный измерительный прибор:

а — устройство; 6 — векторная диаграмма; 1— опора; 2 — ось; 3 — диск; 4 —

счетный механизм; 5— постоянный магнит; 6— неподвижный стержневой маг-

нитопровод; 7 — неподвижный П-образный магнитопровод

Механизм состоит из двух индукторов, выполненных в виде стержневого и П-образного индукторов, между которыми нахо­дится подвижный неферромагнитный (алюминиевый) диск. На индукторах намотаны обмотки, по которым протекают соответ­ственно токи I₁, и I₂, возбуждающие магнитные потоки Ф₁, и Ф₂. С осью диска связан счетный механизм, который считает число оборотов диска. Для предотвращения холостого вращения диска (для предотвращения самохода) в непосредственной близости от него укреплен постоянный магнит (тормозной магнит).

Если катушку 1 включить параллельно источнику энергии, а катушку 2 последовательно потребителю, тогда получим однофазный счетчик электрической энергии. Совокупность двух или трех однофазных измерительных механизмов образует трехфаз­ный счетчик.

Достоинства приборов индукционной системы:

• большой вращающий момент;

• малое влияние внешних магнитных полей;

• большая перегрузочная способность.

Недостатки приборов индукционной системы:

• невысокая точность;

• большое самопотребление;

• зависимость показаний от частоты и температуры. В последние годы электромеханические измерительные при­боры почти повсеместно вытесняются цифровыми.

Измерение параметров электрических сигналов

Измерение напряжения. При данном виде измерений приме­няют схему с дополнительным резистором (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема измерения напряжения

Регулирование осуществляется в диапазоне частот 0—10⁹ Гц (при более высоких частотах напряжение перестает быть инфор­мативным параметром). Напряжение постоянного тока от долей милливольт до сотен вольт часто измеряют магнитоэлектриче­скими вольтметрами (класс точности до 0,05). Основной недос­таток — низкое входное сопротивление, определяемое величи­ной добавочного сопротивления (десятки килоом).

Этим недостатком не обладают электронные аналоговые вольт­метры. Их выходное сопротивление составляет десятки килоом. Ими можно измерять сопротивления от единиц микровольт до нескольких киловольт. Основные источники погрешностей: не­стабильность элементов и собственные шумы электронных схем. Класс точности таких приборов — до 1,5. И магнитоэлектриче­ским, и электронным вольтметрам присуща температурная по­грешность, а также механические погрешности измерительного механизма и погрешности шкалы.

Точные измерения напряжения постоянного тока произво­дятся с помощью компенсаторов постоянного тока (см. тему «Метод замещения» в разд. «Методы измерений»). Точность из­мерения при этом достигает 0,0005 %.

Среднеквадратическое (действующее) значение переменного тока измеряется электромагнитными (до 1—2 кГц), электродина­мическими (до 2—3 кГц), ферродинамическими (до 1—2 кГц), электростатическими (до 10 МГц) и термоэлектрическими (до 100 МГц) приборами. Отличие формы измеряемого напря­жения от синусоидальной иногда может приводить к большим погрешностям.

Наиболее удобными в эксплуатации приборами являются цифровые вольтметры (ЦВ). Они могут измерять как постоян­ные, так и переменные напряжения. Класс точности — до 0,001, диапазон — от единиц микровольт до нескольких киловольт. Со­временные микропроцессорные ЦВ снабжены клавиатурой и часто позволяют производить измерения не только напряжения, но и тока, сопротивления и т. д., т. е. являются многофункциональными измерительными приборами — тестерами (мультиметрами или авометрами).

Измерение тока. При данном виде измерений применяют схему с шунтированием (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема измерения тока

В остальном все сказанное применительно к измерению на­пряжения справедливо и для измерений тока.

Измерение электрической мощности. Осуществляется в цепях постоянного и переменного тока с помощью электродинамиче­ских и ферродинамических ваттметров. Изменение пределов достигается коммутацией секций токовой катушки и подключе­нием различных добавочных резисторов. Частотный диапазон от 0 до 2—3 кГц. Класс точности: 0,1—0,5 для электродинамиче­ских и 1,5—2,5 для ферромагнитных.

Мощность также может измеряться косвенно, с помощью амперметра и вольтметра с последующим перемножением ре­зультатов. На этом же принципе основано действие цифровых ваттметров.

Существуют модификации ваттметров для измерения мощ­ности в трехфазных цепях.

Измерение электрической энергии. Осуществляется в основном индукционными измерительными приборами. В последние годы широкое распространение получили цифровые счетчики энер­гии, основанные на принципе амперметра-вольтметра с после­дующим интегрированием результата перемножения по времени.

Измерение параметров электрических цепей

Измерительные мосты. Одинарные мосты постоянного тока предназначены для измерения сопротивлений значением от 10 Ом и более. Схема одинарного моста приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема одинарного моста

Диагональ, обозначенная на рисунке bd, называется диагона­лью питания. В нее включен источник питания (батарея) G. Диагональ ас называется измерительной диагональю. В нее включен указатель равновесия (гальванометр) Р. Условия равно­весия моста:

R₁R₃ = R₂R₄

В качестве практического примера приведены параметры моста Р-369. Диапазон измеряемых сопротивлений: 10^-4... ...1,11111 • 10¹⁰ Ом. Класс точности в диапазоне до 10^-3 Ом — 1 и при измерении сопротивлений от 1 до 10³ Ом класс точно­сти — 0,005.

Для точных измерений сопротивлений малой величины при­меняют двойные мосты постоянного тока. Схема двойного моста представлена на рис. 1.12.

В процессе измерения измеряемое сопротивление R_х сравни­вается с образцовым сопротивлением R₀. Сопротивление неиз­вестного резистора в случае равновесия моста можно выразить следующим образом:

Двойные мосты позволяют измерять сопротивления в диапа­зоне 10^-8…1,11111·10¹⁰ Ом.

Рис. 1.12. Схема двойного моста

Мосты переменного тока применяются для измерения как активных, так и реактивных сопротивлений (емкостных и ин­дуктивных), В качестве элементов моста в этом случае могут ис­пользоваться реактивные элементы — емкости и индуктивности. Уравнения равновесия записываются по аналогии с мостами по­стоянного тока.

В последние годы для измерений параметров электрических цепей часто применяют автоматические мосты и компенсаторы, в которых процесс уравновешивания моста происходит автома­тически (с помощью реверсивного двигателя или электронной схемы). Особенно актуально применение автоматических мостов в высокоточных цифровых измерительных устройствах

Измерение сопротивлений. Сопротивление постоянному току измеряется как приборами непосредственной оценки — оммет­рами, так и мостами. Омметры чаще всего выполняют на основе магнитоэлектрического механизма. Диапазон измерений оммет­ров; от десятитысячных долей ома до сотен мегаом. Погрешность измерения омметров обычно от 1 до нескольких процентов, но резко возрастает на краях шкалы. Широкое распространение в последнее время получили цифровые многопредельные оммет­ры, чаще всего входящие в состав универсальных цифровых из­мерительных приборов. Наиболее точно сопротивление можно измерить с помощью мостов постоянного тока.

Измерение емкости и индуктивности. Производится в основ­ном с помощью мостов переменного тока с частотами питания 100—1000 Гц. Чаще всего мосты для измерения сопротивления, емкости и индуктивности совмещаются в одном приборе — уни­версальном измерительном мосте. Такие приборы могут изме­рять индуктивность от долей микрогенри до тысяч генри, ем­кость — от сотых долей пикофарад до тысяч микрофарад. По­грешность универсальных мостов обычно не превышает сотых долей процента.