1.2. Особенности измерений постоянных токов и напряжений

Наивысшая точность измерений постоянных токов и напряжений определяется точностью государственных первичных эталонов единицы силы постоянного электрического тока и единицы электродвижущей силы, которые обеспечивают воспроизведение соответствующей единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 410^-6 для силы постоянного тока и 510^-8 для ЭДС при не исключенной систематической погрешности, не превышающей соответственно 810^-6 и 110^-6 [2]. Из рабочих средств измерений постоянных токов и напряжений наименьшую погрешность измерений дают компенсаторы постоянного тока. Так, известны компенсаторы (потенциометры) класса точности 0,0005, позволяющие измерять постоянные ЭДС и напряжения в диапазоне от 10 нВ до 2,12 В. Постоянные токи измеряют с помощью компенсаторов косвенно с использованием измерительных катушек электрического сопротивления. При использовании катушек электрического сопротивления класса точности 0,002 и компенсаторов, указанных ранее, можно измерять силу тока с погрешностью не более 0,0025%.

Компенсаторы используются при точных измерениях постоянных токов, ЭДС и напряжений, а также для поверки менее точных средств измерений.

В настоящее время наиболее распространенными средствами измерений постоянных токов и напряжений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры) и вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), а также универсальные и комбинированные приборы (например, микровольтнаноамперметры, нановольтамперметры и т. п.).

Для измерений достаточно малых постоянных токов и напряжений применяют электрометры и фотогальванометрические приборы, примером которых могут служить цифровые универсальные микровольтметры-электрометры с диапазоном измерений постоянного тока 10^-17...10^-13 А и с диапазоном измерений тока 10^-15...10^-7 А и фотогальванометрические нановольтамперметры, имеющие наименьший диапазон измерений постоянных токов 0,5...0...0,5 нА и постоянных напряжений 50...0...50 нВ. При измерении малых и средних значений постоянных токов и напряжений наибольшее распространение получили цифровые и магнитоэлектрические приборы. Измерения больших постоянных токов осуществляется, как правило, магнитоэлектрическими килоамперметрами с использованием наружных шунтов, а больших токов – с использованием трансформаторов постоянного тока. Для измерений больших постоянных напряжений используются магнитоэлектрические и электростатические киловольтметры. Измерения постоянных токов и напряжений можно выполнять и другими приборами. Необходимо также отметить, что электродинамические амперметры и вольтметры, наряду с цифровыми и магнитоэлектрическими приборами высоких классов точности, чаще всего применяют в качестве образцовых приборов при поверке средств измерений более низкого класса точности.

1.3. Основные типы приборов, применяемых для измерения

силы тока и напряжения

Силу тока и напряжение измеряют приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторами). По структурному построению всевозможные приборы, измеряющие силу тока и напряжение, условно можно разделить на три основных типа:

1) электромеханические;

2) электронные аналоговые;

3) цифровые.

Электромеханические приборы для измерения

силы тока и напряжения

Измерительная схема

Измерительный механизм

Отсчетное устройство

x xʹ α N(x)

Рис. 2. Структурная схема электромеханического измерительного прибора

Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины, отличающиеся высокой надежностью, простотой устройства и эксплуатации, дешевизной, относятся к классу аналоговых устройств, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины [2-6]. Структурная схема электромеханического измерительного прибора, изображенная на рис. 2, включает измерительную цепь (ИЦ), измерительный механизм (ИМ), отсчетное устройство (ОУ).

ИЦ, обычно представляющая собой масштабный измерительный преобразователь (делитель, шунт, трансформатор и т. п.), осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины в электрическую величину , непосредственно воздействующую на ИМ. Использование в качестве измерительной цепи преобразователей рода величины (термоэлектрического, выпрямительного и др.) изменяет название прибора по типу примененного первичного преобразователя.

ИМ, состоящий из подвижной и неподвижной частей, является электромеханическим измерительным преобразователем, преобразующим электрическую величину в механическое угловое или линейное перемещение подвижной части относительно неподвижной, значение которого отражается на шкале ОУ.

ОУ, предназначенное для отсчитывания значения измеряемой величины, определяемого перемещением подвижной части ИМ, состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы, проградуированной в единицах измеряемой величины .

Так как обычно в ИМ имеет место угловое перемещение подвижной части, то при анализе их работы рассматриваются наиболее важные моменты, действующие на подвижную часть. Движение подвижной части механизма описывается записанным на основе второго закона Ньютона для вращающихся тел дифференциальным уравнением

, (9)

где – момент сил инерции; – момент инерции подвижной части относительно оси вращения; – угол поворота подвижной части; – время; – механические моменты, действующие на подвижную часть.

Моменты, действующие на подвижную часть ИМ, подразделяются на статические и динамические. Статическими являются моменты, действующие в ИМ всегда при наличии измеряемой величины. Динамические моменты действуют на подвижную часть только во время ее движения.

В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют следующие моменты: вращающий , противодействующий и успокоения . Причем вращающий и противодействующий моменты относятся к статическим, а момент успокоения – к динамическим.

Вращающий момент , возникающий в механизме под действием измеряемой величины и поворачивающий подвижную часть в сторону возрастающих показаний, должен однозначно определяться измеряемой величиной и может также зависеть от угла поворота подвижной части , т.е. вращающий момент .

Для электромеханических приборов, в которых действуют силы электромагнитного поля, вращающий момент определяется выражением

, (10)

где – энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в ИМ.

В зависимости от способа создания вращающего момента, то есть в зависимости от вида преобразования энергии электромагнитного поля в механическую энергию перемещения подвижной части, электромеханические ИМ подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, электростатические, индукционные (таблица).

Если на подвижную часть будет действовать только вращающий момент, то она повернется на полный угол (до упора) независимо от значения вращающего момента и измеряемой величины. Для того чтобы угол поворота подвижной части однозначно зависел от измеряемой величины, в измерительном механизме создается противодействующий момент , направленный навстречу вращающему моменту и зависящий угла поворота.

Таблица

Условные обозначения электромеханических приборов

Наименование прибора	Условное обозначение	Наименование прибора	Условное обозначение
Прибор магнитоэлектрический с подвижной рамкой		Прибор электродинамический
Логометр магнитоэлектрический		Прибор ферродинамический
Прибор магнитоэлектрический с подвижным магнитом		Логометр электродинамический
Логометр магнитоэлектрический с подвижным магнитом		Логометр ферродинамический
Прибор электромагнитный		Прибор индукционный
Логометр электромагнитный		Прибор электростатический

При возникающем динамическом равновесии, определяемом выражением

, (11)

каждому определенному значению измеряемой величины будет соответствовать определенный угол поворота подвижной части.

По способу создания противодействующего момента ИМ подразделяются на две группы: с механическим противодействующим моментом и электрическим противодействующим моментом.

В ИМ первой группы противодействующий момент создается с помощью упругого элемента (спиральной пружины, растяжек или подвеса), который при повороте подвижной части закручивается. При этом противодействующий момент определяется выражением

, (12)

где – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента. В таких измерительных механизмах угол поворота подвижной части определяется электрической величиной, создающей вращающий момент (электрический ток, напряжение, произведение и т. д.).

В ИМ второй группы, называемых логометрами, противодействующий момент создается также как и вращающий, но один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части. В этом случае, угол поворота будет определяться отношением электрических создающих вращающий и противодействующий моменты (например, отношением электрических токов).

При перемещении подвижной части на нее, кроме указанных моментов, действует момент успокоения , пропорциональный угловой скорости движения подвижной части :

, (13)

где – коэффициент успокоения.

Знак «–» показывает, что момент успокоения, так же как и противодействующий момент, направлен навстречу вращающему моменту. Задачей момента успокоения является обеспечение плавного и апериодического движения подвижной части измерительного механизма. От него в значительной степени зависит важный эксплуатационный параметр прибора – время успокоения, моменты успокоения создается либо применением специальных устройств, называемых демпферами, или успокоителями, либо без них. В зависимости от конструкции приборов в них применяются магнитоиндукционные, жидкостные или воздушные успокоители.

Если выражения (12) и (13) подставить в уравнение (9) и перенести в левую часть, то получится дифференциальное уравнение второго порядка с постовыми коэффициентами, описывающее движение подвижной части измерительного механизма:

. (14)

С учетом сказанного выше, рассмотрим особенности построения электромеханических измерительных приборов для измерений тока и напряжения различных систем.

Магнитоэлектрическая система. Принцип действия ИМ магнитоэлектрической системы состоит во взаимодействии поле постоянного магнита (магнитопровода) с проволочной рамкой (катушкой), по которой протекает измеряемый ток. Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием тока рамка вращается в магнитном поле, угол поворота ограничивают специальной пружиной, поэтому передаточная функция (уравнение шкалы) линейна:

, (15)

где – магнитная индукция в зазоре; – число витков обмотки рамки; – площадь рамки; – чувствительность ИМ к току; – измеряемый ток.

На основе магнитоэлектрического механизма создаются вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы. Их структурное построение главным образом определяется измерительной схемой. Измерительные приборы магнитоэлектрической системы имеют линейную шкалу, достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление мощности от измерительной цепи, высокую чувствительность, влияющая величина – только температура окружающей среды.

К недостаткам таких приборов относятся работа только на постоянном токе, недопустимость даже кратковременных перегрузок и сравнительная сложность изготовления и ремонта.

Для расширения пределов измерения токов амперметрами и напряжений вольтметрами применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно индикаторам в схемы этих приборов.

Электромагнитная система. Принцип действия ИМ электромагнитной системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Ферромагнитный сердечник втягивается в катушку при любой полярности протекающего по ней тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик, располагается в магнитном поле катушки так, что поле усиливается. Поэтому прибор электромагнитной системы может работать и на переменном токе. Однако электромагнитные приборы являются низкочастотными, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки.

Уравнение шкалы прибора электромагнитной системы имеет вид

, (16)

где – индуктивность катушки.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока, на постоянном токе. К недостаткам приборов этой системы можно отнести нелинейность шкалы, невысокую точность, малую чувствительность, значительное потребление мощности от измеряемой цепи и сильное влияние магнитных полей, измеряемого переменного тока и температура окружающей среды.

Электродинамическая система. Принцип действия ИМ электромагнитной системы заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи, в соответствии с формулой

, (17)

где – коэффициент взаимной индуктивности подвижной и неподвижной катушек; – ток через неподвижную катушку; – ток через подвижную катушку.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы включения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры, которые используются как образцовые лабораторные измерительные приборы. Достоинствами электродинамических приборов являются возможность перемножать измеряемые величины, т. е. измерять мощность, и малая погрешность, так как в механизме нет железа. К недостаткам таких приборов относятся: нелинейность шкалы, малая чувствительность, значительное потребление мощности из измерительной цепи, сложность конструкции, недопустимость перегрузки, влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля. Для уменьшения влияния магнитных полей электродинамические приборы часто изготовляют астатическими.

Электростатические приборы. Принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных пластин, одна из которых является неподвижной. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе стрелкой, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной, в соответствии с уравнением

, (18)

где – электростатическая емкость между подвижной и неподвижной пластинами; – напряжение между ними.

Ограничение движения, как и в других электромеханических системах, осуществляется за счет пружинки. Электростатические приборы по принципу действия ИМ являются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частотный диапазон и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Недостатки: нелинейность шкалы, малая чувствительность, изменение емкости в процессе измерения, малая надежность, влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля. Электростатические приборы выполняют в виде щитовых и переносных вольтметров для применения в цепях постоянного и переменного тока.