Аналоговые электроизмерительные приборы

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени  первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Механико-машиностроительный институт

Заочный факультет индивидуального  обучения

Кафедра Теория сварочного производства

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Методология»

Аналоговые электроизмерительные приборы

 

 

 

 

Преподаватель

________________________________        __________        Е.В. Вотинова

(должность, ученая степень, ученое  звание)       (подпись, дата)                (Ф. И. О.)

 

Студент

 гр. ОТСП - IV                05901101                  __________         А.С. Баженов

   (№ группы)                (№ зачет. книжки)          (подпись, дата)              (Ф. И. О.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

 

Содержание

1. Введение                                                                                            3

2. Характеристики электроизмерительных приборов  4

3. Приборы магнитоэлектрической системы  7

4. Приборы электромагнитной системы  9

5. Приборы электродинамической системы  11

6. Амперметр  13

7. Ваттметр  15

8. Вольтметр  17

9. Заключение  18

10. Список литературы   19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Измерением называется процесс сравнения путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу. Устройства, воспроизводящие единица измерения, называются мерами. Устройства, при помощи которых производятся сравнения измеряемых величин с мерами, называют электроизмерительными приборами.

Степень приближения  результатов измерения к действительному  значению измеряемой величины зависит от достоверности воспроизведения мерами основных единиц, от точности измерительных приборов и от применяемых методов измерения.

Техника измерения имеет  исключительно важное значение: чем  достовернее результаты измерения, тем глубже познаются изучаемые процессы и тем быстрее развиваются наука и техника.

Современная наука и  техника немыслимы без измерительных  приборов. Только с помощью измерительных  приборов проверяется правильность научных выводов, испытываются машины, станки и автоматы, производится контроль и управление многими технологическими процессами.

Электрические измерения  все более и более проникают  во все области измерительной  техники, так как они наиболее просто, быстро, с большей точностью  и без нарушения нормальной работы устройств дают возможность производить измерения не только электрических, но и многих неэлектрических величин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Характеристики электроизмерительных приборов

 

Электроизмерительным прибором называется устройство, предназначенное для измерения электрических величин тока – напряжения и т. п. Электроизмерительные приборы подразделяются на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. В приборах первого типа измеряемая величина считывается по показаниям предварительно проградуированных приборов, в приборах второго типа в процессе измерения производится прямое сравнение с эталонной мерой (мосты, компенсаторы).

Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам:

• по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, омметры, счетчики, ваттметры и др.
• по роду тока: приборы постоянного тока, переменного тока, приборы постоянного и переменного тока
• по принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, индукционные, тепловые, электростатические, электродинамические и др.
• По степени точности: 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0 классов. Приборы класса точности 0.1; 0.2; 0.5 применяются для точных лабораторных измерений и называются прецизионными.
• Принцип действия электроизмерительных приборов (обозначения даны в следующей таблице)

 

 

 

 

Система прибора

 

 

Электромагнитная 

 

 

Условное

обозначение

прибора 

 

 

 

 

 

 

 

Ток: 

 

 

 

Знак на шкале прибора

 

 

 

 

Магнитоэлектрическая

 

 

 

 

 

Электродинамическая

 

 

Индукционная

 

 

 

Вибрационная

 

 

Выпрямительная

 

 

 

 

 

Термоэлектрическая

 

 

 

 

 

 

Ферродинамическая

 

 

 

 

 

 

Электростатическая 

 

постоянный

 

переменный

 

трехфазный

 

Зажим:

 

общий

 

соединенный с корпусом

 

 

 

для заземления

 

 

Установка прибора:

 

вертикальная

горизонтальная

 

под углом

 

 

 

 

 

 

Измерительная цепь

изолирована от корпуса и

испытана напряжением 2

кВ. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

Из основных технических требований, предъявляемых к электроизмерительным приборам, следует указать на следующее: необходимо, чтобы прибор потреблял малую мощность и не вносил заметных изменений в электрическую цепь.

Электроизмерительные приборы состоят  из неподвижной и подвижной частей. При измерениях момент подвижной части уравновешивается противодействующим моментом пружины или какого либо другого устройства. При таком равновесии показатель прибора фиксирует определенный угол поворота. Устанавливая однозначную зависимость между углом поворота указателя прибора и численным значением измеряемой величины, можно построить шкалу, по которой производится отсчет измеряемой величины. Трение в опорах деталей влияет на показания прибора, т.е. вносит погрешность. Поправки к показанию прибора могут быть заранее определены путем соответствующей проверки данного прибора. Величина, численно равная отношению приращения угла поворота  подвижной части прибора к приращению измеряемой величины, называется чувствительностью прибора. Чем больше приращение угла отклонения при одном и том же приращении измеряемой величины, тем меньшие величины можно измерять прибором и тем выше чувствительность.

Шкала прибора служит  для проведения отсчета измеряемой величины. Цифры возле делений обозначают либо число делений от нуля шкалы, либо непосредственное значение измеряемой величины. В целях сокращения промежутка времени, необходимого для успокоения подвижной части прибора (после включения), имеются специальные тормозящие устройства (демпферы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Приборы магнитоэлектрической системы

 

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан  на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по обмотке легкой подвижной катушки (рамки).

На рис. 1 показана схема устройства приборов этой системы.

 Неподвижный подковообразный магнит А имеет выполненные из мягкого железа полюса В, которые охватывают сплошной железный сердечник С. Между сердечником и полюсами магнита имеется кольцевой зазор. На одной оси с сердечником находится подвижная легкая  прямоугольная рамка, имеющая обмотку из тонкого изолированного провода. Эта рамка может свободно вращаться в воздушном зазоре между сердечником и полюсами магнита. Рамка представляет собой основную часть подвижной системы, которая включает и указатель-стрелку S. Подвижная система с основным механическим приспособлением  состоит из спиральых пружин, выполненных из немагнитного материала, которые и служат для подвода тока к концам обмотки на рамке и для оказания противодействия вращению рамки.

В результате взаимодействия магнитного поля магнита с током возникает вращающий момент, под действием которого подвижная часть приборов проворачивается около оси. Противодействующий момент создается пружинами через которые подводится ток к обмотке.

 

Линейная зависимость между током и углом отклонения обеспечивает равномерность шкалы. Корректор позволяет изменить положение закрепленного конца одной из спиральных пружинок и тем самым производить установку стрелки прибора на нуль. В силу того, что каркас подвижной катушки сделан из алюминия, то возникающие в нем при движении в магнитном поле индуктивные токи создают тормозящий момент, что обусловливает быстрое успокоение.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: высокая чувствительность, точность показаний, чувствительность к внешним магнитным полям, малое потребление энергии, равномерность шкалы, апериодичность  (стрелка быстро устанавливается на соответствующее деление почти без колебаний). К недостаткам приборов этой системы относятся: возможность измерения только в цепи постоянного тока, чувствительность к перегрузкам.

Область применения магнитоэлектрических приборов весьма обширна. Они применяются в качестве амперметров, вольтметров постоянного тока, как при технических измерениях, так и при контрольных лабораторных измерениях. При непосредственном включении миллиамперметры и амперметры магнитоэлектрической системы позволяют измерять токи 1...1000 А, а с применением шунта – до нескольких тысяч ампер. Вольтметры этой системы при непосредственном включении  дают возможность измерять напряжение 0.1...600 В, а с применением дополнительного сопротивления – до 10000 В и более.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Приборы электромагнитной системы

 

Принцип работы приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии  магнитного поля тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки с подвижным железным сердечником, помещенным в это магнитное поле. На рис.2 показана схема устройства прибора электромагнитной системы.

Прибор состоит из прямоугольной катушки a с узкой щелью. Сердечник B изготовлен из мягкого железа и укреплен эксцентрично на оси. С осью сердечника скреплены: стрелка S, поршень воздушного успокоителя d и спиральная пружина f, создающая противодействующий момент.

Ток, протекающий по катушке a, образует внутри нее магнитное поле, под действием которого железный сердечник, поворачиваясь вокруг оси,  втягивается в щель катушки и увеличивается намагничивание железного сердечника.

При повороте сердечника поршень встречает сопротивление воздуха, вследствие его колебания подвижной части быстро затухают. Магнитное поле катушки и намагничивание железного сердечника пропорциональны току. Поэтому можно приближенно считать, что вращающий момент пропорционален квадрату тока M₁ =k₁I², где k₁– коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора.

Противодействующий момент M2, создаваемый пружиной, пропорционален углу

поворота подвижной  части прибора: M2 =k2α, где k2 – коэффициент пропорциональности, зависящий от упругих свойств пружины.

Равновесие подвижной  части прибора определяется равенством моментов, действующих на нее в противоположных направлениях, т.е. M1=M2.

Следовательно, шкала  прибора неравномерная.

С изменением направления  тока меняется одновременно как направление магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника, поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерения как на постоянном, так и на переменном токе низкой частоты.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются: возможность измерения переменного и постоянного тока, простота конструкции, выносливость в отношении перегрузок.

К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность  шкалы, меньшая точность, чем в магнитоэлектрических приборах, зависимость показаний от внешних магнитных полей. Электромагнитные амперметры и вольтметры получили широкое применение как щитовые приборы для переменного тока. Пределы измерения у амперметров 6...200 А, у вольтметров 3...600 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Приборы электродинамической системы

 

Принцип действия электродинамических  приборов основан на взаимодействии токов, протекающих по двум рамкам (катушкам 1), из которых одна подвижная, другая неподвижная. На рис. 3 показана схема устройства прибора электродинамической системы.

Неподвижная катушка 1 состоит из двух разделенных небольшим зазором одинаковых частей, обмотки которых соединены последовательно между собой. Внутри неподвижно закрепленной катушки 1 может вращаться на оси подвижная катушка 2, с которой жестко связана стрелка 3, перемещающаяся над школой. Противодействующий момент создается спиральными пружинами 4. Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки и тока в

подвижной создается вращающий момент M1, под влиянием которого подвижная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельна плоскости витков неподвижной катушки, а их магнитные поля совпадали бы по направлению. Этому противодействуют пружины, вследствие чего подвижная катушка устанавливается в положение, когда вращающий момент становится равным противодействующему.

Шкала электродинамического прибора неравномерная. Однако подбором конструкции катушек можно улучшить шкалу, т.е. приблизить к равномерной.

В зависимости от назначения приборов рамки соединяют или  параллельно, или последовательно. Если катушки прибора соединены параллельно, то он может быть использован, как амперметр. Если же катушки соединить последовательно и присоединить к ним добавочное сопротивление, то прибор может быть использован, как вольтметр.

Электродинамические приборы  применяют для измерения постоянного  и переменного токов (амперметры, вольтметры, ваттметры).

Пригодность этих приборов для переменного тока обусловлена  тем, что при одновременном изменении направления тока в обеих рамках направление вращения подвижной части остается неизменным.

Достоинствами приборов электродинамической системы являются: возможность измерения как на постоянном, так и на переменном токе, достаточная точность. К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы амперметров и вольтметров, чувствительность к перегрузкам.

Приборы других систем. Тепловая система – принцип действия основан на изменении длины проводника при его нагревании. Приборы могут измерять и постоянные, и переменные токи.

Индукционная система  – принцип действия основан на взаимодействии токов, индуктируемых в подвижной части прибора с магнитным потоком неподвижных электромагнитов. К индукционной системе принадлежат электрические счетчики переменного тока.

Вибрационная система  основана на резонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы применяются для измерения частоты тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Амперметр

Амперметр – измерительный прибор для определения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Показания амперметра всецело зависят от величины протекающего через него тока, в связи, с чем сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим. По своим конструктивным особенностям амперметры подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические, ферродинамические и выпрямительные.

Магнитоэлектрические  амперметры служат для измерения  силы тока малой величины в цепях  постоянного тока. Они состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма и шкалы с нанесенными делениями, соответствующими различным значениям измеряемого тока.

Электромагнитные амперметры предназначены для измерения силы протекающего тока в цепях постоянного и переменного тока. Чаще всего используются для измерения силы в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Состоят из измерительного механизма, шкала которого размечена в единицах силы тока, протекающего по катушке прибора. Для изготовления катушки можно использовать провод большого сечения и, следовательно, измерять ток большой величины (свыше 200 А).

Термоэлектрические амперметры применяются для измерения в цепях переменного тока высокой частоты. Они состоят из магнитоэлектрического прибора с контактным или бесконтактным преобразователем, который представляет собой проводник (нагреватель), к которому приварена термопара (она может находиться на некотором расстоянии от нагревателя и не иметь с ним непосредственного контакта). Ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагрев (за счет активных потерь), который регистрируется термопарой. Возникающее термическое излучение воздействует на рамку магнитоэлектрического измерителя тока, которая отклоняется на угол, пропорциональный силе тока в цепи.

Электродинамические амперметры служат для измерения силы тока в цепях постоянного и переменного токов повышенной (до 200 Гц) частот. Приборы очень чувствительны к перегрузкам и внешним магнитным полям. Применяются в качестве контрольных приборов для проверки рабочих измерителей силы тока. Состоят из электродинамического измерительного механизма, катушки которого в зависимости от величины максимально измеряемого тока соединены последовательно или параллельно, и градуированной шкалы. При измерении токов малой силы катушки соединяются последовательно, а большой – параллельно.

Ферродинамические амперметры прочны и надежны по конструкции, малочувствительны к воздействию  внешних магнитных полей. Они  состоят из ферродинамического измерительного аппарата и применяются главным образом в системах автоматических контроллеров в качестве самопишущих амперметров.

Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но, часто, возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение некоторой величины, значение которой больше пределов измерения прибора. Тем не менее, всегда оказывается возможным расширить пределы измерения данным прибором. Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник, по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения. Такое сопротивление называется шунтирующим. Результатом подобных действий станет то, что если амперметром, рассчитанным, например, на силу тока до 1 А, необходимо выполнить измерение тока в 10 раз больше, то сопротивление шунта должно быть в 9 раз меньше сопротивления амперметра. Разумеется, при этом цена градуировки увеличивается в 10 раз, а точность во столько же раз уменьшается.

 

 

 

 

7. Ваттметр

 

Ваттметр – измерительный прибор, имеющий назначение определять работу совершаемую электрическим током в единицу времени для прохождения тока через какой-либо проводник (определение мощности электрического тока или электромагнитного сигнала).

Ваттметр может определить количество ваттов необходимых для  получения некоторой силы электрического света в каждую секунду времени или определить величину выполняемой работы в единицу времени каким-либо электрическим прибором. Работа совершаемая электрическим прибором в единицу времени (его мощность) определяется в ваттах и является произведением числа амперов (сила тока) потребляемых данным видом электрических потребителей на разность потенциалов (+ -) концов этой части цепи измеряемой в вольтах.

Для определения мощности электрического тока и используются ваттметры, представляющие собой не что иное, как электродинамометр. Проходящий ток распределяется на две части, одна из которых является, по сути, контролем, а вторая опытом, изменяя сопротивление на опытной части и измеряя разность потенциалов на выходе и определяется мощность электрического тока.

По назначению и диапазону  частот ваттметры можно разделить на три основные категории: 
   – низкочастотные (и постоянного тока); 
   – радиочастотные; 
 – оптические. 

Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в  разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и ее вывода пользователю ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.

Низкочастотные ваттметры используются преимущественно в сетях электропитания промышленной частоты для измерения потребляемой мощности, могут быть однофазные и трехфазные. Отдельную подгруппу составляют варметры - измерители реактивной мощности. Цифровые приборы обычно совмещают в себе возможность измерения активной и реактивной мощности.

Радиочастотные ваттметры образуют весьма большую и широко используемую подгруппу ваттметров радиодиапазона. Деление этой подгруппы связано в основном с применением различных типов первичных преобразователей. Выпускаемые ваттметры используют преобразователи на базе термистора, термопары или пикового детектора; значительно реже, применяются датчики, основанные на других принципах. При работе с ваттметрами поглощаемой мощности следует помнить, что из-за несогласования входного сопротивления приемных датчиков с волновым сопротивлением линии, часть энергии отражается и реально ваттметр измеряет не реальную мощность линии, а поглощенную, которая отличается от действительной.

Принцип действия термисторного преобразователя состоит в зависимости сопротивления термистора от температуры его нагрева, которая, в свою очередь зависит от рассеиваемой мощности сигнала, подаваемого на него. Измерение осуществляется методом сравнения мощности измеряемого сигнала, рассеиваемой в термисторе и разогревающей его, с мощностью тока низкой частоты, вызывающей такой же нагрев термистора. К недостаткам термисторных ваттметров относится их малый диапазон регистрации – несколько милливатт.

В ваттметрах проходящей мощности в качестве первичного преобразователя используется устройство, позволяющее ответвлять от основного тракта передачи очень небольшую долю энергии. Отведенная часть энергии подается на вторичный преобразователь, откуда сигнал измерительной информации подается на функциональный преобразователь и, далее, на показывающее устройство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Вольтметр

Вольтметр – электрический  прибор для измерения эдс или  напряжений в электрических цепях. Вольтметр включается параллельно  нагрузке или источнику электрической энергии.

Наиболее просты в изготовлении, дёшевы и надёжны  в эксплуатации вольтметры электромагнитные. Они применяются главным образом  как стационарные на распределительных  щитах электростанций и промышленных предприятий и более редко  в качестве лабораторных приборов. Недостатки таких вольтметров — относительно большое собственное потребление энергии (3—7 Вт) и большая индуктивность обмотки, приводящая к существенной зависимости показаний вольтметра от частоты.

Наиболее чувствительны  и точны вольтметры магнитоэлектрические, пригодные, однако, для измерений только в цепях постоянного тока. В комплекте с термоэлектрическими, полупроводниковыми или электронно-ламповыми преобразователями переменного тока в постоянный они применяются для измерения напряжения в цепях переменного тока. Такие вольтметры называются термоэлектрическими, выпрямительными и электронными, применяются главным образом в лабораторной практике. Выпрямительные вольтметры используют для измерений в диапазоне звуковых частот, а термоэлектрические и электронные — на высоких частотах. Недостаток этих приборов — существенное влияние на правильность их показаний формы кривой измеряемого напряжения.

В начале ХХ в. широко применялись  вольтметры тепловой и индукционной систем; в настоящее время промышленное производство их прекращено из-за присущих им недостатков – большое собственное потребление энергии и зависимость показаний от температуры окружающей среды.

 

9. Заключение

История наук, нуждающихся  в измерениях, показывает, что точность методов измерений и измерительных приборов и построения соответственных измерений и измерительных приборов постоянно возрастают. Результатом этого роста является новая формулировка законов природы.

Измерения и измерительные  приборы – законы явлений природы, как выражения количественных отношений между факторами явлений, выводятся на основании измерений этих факторов. Приборы приспособленные к таким измерениям, называются измерительными. Всякое измерение, какой бы ни было сложности, сводится к измерениям и измерительным приборам пространственности, времени, движения и давления, для чего могут быть избраны единицы мер условные, но постоянные или же так называемые абсолютные.