Электроизмерительные приборы. 2

         78                        79

 

Электроизмерительные приборы

 

В электротехнике и радиотехнике электрические измерения имеют исключительно важное значение. Электроизмерительные приборы служат для контроля режима работы электро- и радиоустановок, испытания их, учета расходуемой электрической энергии и т.д.

Электроизмерительные приборы представляют собой технические средства с нормированными метрологическими свойствами, предназначенные для измерения различных электрических величин (тока, напряжения, сопротивления, мощности и т.д.).

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по ряду признаков.

По назначению:

– приборы для измерения электрических величин: величины тока – амперметры; ЭДС и напряжения – вольтметры; сопротивления – омметры и мегомметры; мощности – ваттметры; сдвига фаз – фазометры и т.д.;

– приборы для измерения неэлектрических величин: скорости вращения роторов электрических машин – тахометры; температуры различных сред – термометры и т.п.

По принципу действия:

– приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической (ферродинамической) систем.

По роду тока различают приборы постоянного, переменного и постоянно-переменного тока.

По степени точности приборы (согласно ГОСТ 13600-68) делятся на следующие восемь классов точности: 0.02; 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 2.0; 2.5. Класс точности прибора характеризует наибольшую допустимую погрешность измерения в процентах. Приборы, имеющие меньшую точность, относятся к внеклассным приборам.

Для того чтобы максимально облегчить пользование приборами, на их шкалах и панелях наносятся условные обозначения и надписи, называемые маркировкой прибора, по которым можно составить достаточно полную техническую характеристику, что необходимо для правильной эксплуатации приборов.

Согласно действующим стандартам, каждый прибор должен иметь на шкале или на корпусе следующие обозначения:

– обозначение измеряемой величины;

– класс точности прибора;

– род измеряемого тока и число фаз;

– обозначение системы прибора;

– рабочее положение прибора;

– испытательное напряжение; номер стандарта, товарный знак завода изготовителя, тип прибора, год выпуска и заводской номер.

Кроме этих обязательных для приборов обозначений на шкалы могут наноситься дополнительные обозначения о номинальной частоте (области частот), номинальном токе, сопротивлении прибора и т.п. (табл. 5).

 

Таблица 5

Условные обозначения,

наносимые на электроизмерительные приборы

 

Наименования	Условные обозначения
Обозначение единиц измерения
Ампер	A
Миллиампер	mA
Микроампер	mA
Вольт	V
Ватт	W
Герц	Hz
Ом	W
МегаОм	MW
Обозначение принципа действия (системы) прибора
Магнитно-электрический прибор с подвижной рамкой
Электромагнитный прибор
Электродинамический прибор
Ферродинамический прибор
Полупроводниковый выпрямитель
Обозначение рода тока
Постоянный ток
Переменный (однофазный) ток
Постоянный и переменный ток
Трехфазный ток при равномерной нагрузке фаз
Обозначения класса точности, положения прибора, прочности  изоляции, зажимов  и корректора
Класс точности	1,5
Горизонтальное положение шкалы
Вертикальное положение шкалы
Испытательное напряжение изоляции, например 2 кВ
Отрицательный зажим
Положительный зажим
Генераторный зажим (для ваттметров, фазометров) и общий зажим для комбинированных приборов
Корректор

 

 

Различают однопредельные и многопредельные приборы.

Под пределом измерения прибора понимается максимальное значение измеряемой величины, которое может быть измерено с помощью данного прибора.

Шкала однопредельного прибора градуируется только на один предел измерения. С целью облегчения отсчета оцифровываются не все, а лишь некоторые деления шкалы. Отсчет показаний с однопредельных приборов прост и не вызывает каких-либо затруднений.

Более сложным является отсчет показаний с многопредельных приборов, имеющих несколько пределов измерения одной и той же величины. На рисунке 2 приведена шкала и верхняя часть передней панели многопредельного вольтметра.

 

 

Рис. 2. Многопредельный вольтметр

 

Для снятия показаний с многопредельного прибора необходимо:

– определить верхний предел измерения;

– вычислить цену деления шкалы прибора, под которой понимают численное значение одного деления шкалы в единицах измеряемой величины.

Очевидно, что

 

.

 

Для определения величины измеряемого напряжения необходимо:

– отсчитать число делений, показываемых стрелкой прибора;

– вычислить показания прибора, умножив число делений на цену деления.

Например (рис. 2):

 

Цена деления =

= 7,5 .

 

Для определения величины измеряемого напряжения необходимо:

– отсчитать число делений, показываемых стрелкой пробора;

– вычислить показания прибора, умножив число делений на цену делений.

Например:    .

При переключении переключателя диапазонов в положение «300» цена деления будет равна:

 

.

 

Переключение на другой предел измерения у многих приборов производится путем подключения соединительных проводов к различным клеммам (гнездам). В этих случаях предел измерения указывается на панели прибора около данной клеммы (гнезда).

Для измерения мощности используются ваттметры, которые включаются непосредственно в цепь, если номинальные значения тока и напряжение не превышают номинальных значений, указанных на приборе.

Цена деления на приборе ваттметра определяется отношением номинальной мощности прибора к числу делений шкалы:

 

,

 

где номинальная мощность равна произведению значения номинального тока (эти величины указаны на лицевой панели прибора и равны Uн=150В, Iн=5А) и номинального напряжения.

Измеряемая мощность равна произведению цены деления ваттметра на показание ваттметра в делениях:

 

.

 

И, наконец, очень широкое распространение в качестве контрольных приборов в лаборатории получили комбинированные приборы.

Комбинированные приборы – это такие приборы, которые предназначены для измерения нескольких различных величин. Как правило, такие приборы являются многопредельными. Названия комбинированных приборов составляются из наименования единиц, которые они измеряют. Например: комбинированный прибор, измеряющий ток и напряжение, называют вольтамперметром (или ампервольтметром); напряжение и сопротивление – вольтомметром; ток, напряжение и мощность – ампервольтваттметром; ток, напряжение, сопротивление – ампервольтомметром (или сокращенно по первым буквам измеряемых величин – авометром).

Комбинированные приборы имеют несколько шкал. Переход от измерения одной электрической величины к другой электрической величине, как и изменение пределов измерений, осуществляется переключением соответствующих переключателей или подключением соединительных проводов к другим клеммам (гнездам).

В качестве примера рассмотрим прибор Ц-4354 (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Комбинированный многопредельный прибор типа Ц 4354

Прибор типа Ц 4354 является комбинированным многопредельным прибором – ампервольтомметром (авометром) магнитоэлектрической системы с полупроводниковым выпрямителем.

Прибор предназначен для измерения (переключатель рода работ):

– переменного тока;

– переменного напряжения;

– постоянного тока;

– сопротивления

и может быть использован в качестве миллиамперметра и вольтметра.

Вольтметр постоянного и переменного напряжения (правый переключатель пределов измерения) имеет 8 пределов измерения. Максимальное измеряемое напряжение – 1200 вольт.

Амперметр (миллиамперметр) постоянного и переменного тока (левый переключатель пределов измерения) имеет 6 пределов измерения. Максимальный измеряемый ток – 3 ампера.

Омметр прибора четырехпредельный. Максимальное измеряемое сопротивление – 1000 кОм.

При работе в цепях постоянного тока прибор имеет класс точности 2,5; переменного тока – 4,0. Рабочее положение шкалы – горизонтальное. Изоляция прибора испытана под напряжением 4 киловольта.

Прибор имеет 3 шкалы:

– верхнюю – для измерения переменного тока и переменного напряжения;

– среднюю – для измерения постоянного тока и постоянного напряжения;

– нижнюю – для измерения сопротивления.

Работа с комбинированными приборами требует определенных практических навыков и часто вызывает определенные трудности. Поэтому запомните основные правила работы с комбинированными электроизмерительными приборами:

– перед включением прибора в сеть обратите внимание на положение переключателя рода работ;

– убедитесь в том, что предел измерения выбран правильно. Если предполагаемое значение измеряемой величины не известно, включайте прибор на максимальный предел измерений и только после включения перейдите на необходимый предел;

– выберите шкалу и вычислите цену деления;

– отсчитав по шкале число делений, определите показания прибора.

 

Погрешности измерения электроизмерительных

приборов и выбор приборов

 

В практике электрических измерений имеют место следующие виды погрешностей:

– абсолютная;

– относительная;

– приведенная.

Из-за конструктивных особенностей, влияния внешних причин, колебаний температуры, давления, наличия внешних магнитных полей и т.п. показания прибора могут отличаться от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Абсолютная погрешность прибора – это разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины:

 

,

 

где – абсолютная погрешность;

       – измеренная величина (показания прибора);

       А – истинное (действительное) значение измеряемой величины.

Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины и может быть как положительной, так и отрицательной по знаку. Очевидно, что для точного определения измеряемой величины в показания прибора должна быть внесена поправка.

Поправкой прибора назовем величину, численно равную абсолютной погрешности, но взятой с обратным знаком.

Заметим, что абсолютная погрешность и поправка не всегда дают представление о точности измерения. Так, например, измерение расстояния до Луны с погрешностью в 1 км признается весьма точным, а измерение диаметра шарика для подшипников с погрешностью в 0,1 мм считается очень грубым. Поэтому, если необходимо оттенить точность измерения, то надо пользоваться относительной погрешностью, т.е. точность измерения определяется относительной (но не абсолютной) погрешностью.

Под относительной погрешностью будем понимать отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженной в процентах:

 

,

 

где – относительная погрешность – величина безразмерная.

Из этой зависимости видно, что даже при неизменной абсолютной погрешности по всей шкале прибора относительная погрешность по мере уменьшения действительного значения измеряемой величины не остается постоянной, а увеличивается, стремясь к бесконечности, а при увеличении действительного значения уменьшается.

Рассмотрим это на примере. Пусть имеется вольтметр магнитоэлектрической системы с пределом измерения 0,250 В, класса точности 1,5, с 50 разными делениями шкалы. Абсолютная погрешность показания прибора в любом месте шкалы не более чем 1,5% от 250 В, т.е.

,

или не более, чем 1,5% от 50 делений:

.

 

Следовательно, при отсчете, например, 150 В (30 делений) относительная погрешность измерения не превышает значения, определяемого по формуле:

 

,

 

а при отсчете 50 В (10 делений) эта погрешность будет равна:

 

.

 

Обратите внимание на эти цифры. Измерения производились одним и тем же прибором, причем в первом случае измеряемая величина (150 В) находилась ближе к пределу измерения, а во втором (50 В) – дальше от него. Точность же измерения первой величины превышает точность измерения второй величины в 3 раза. Если бы этим прибором измерялось напряжение еще меньшее, и точность измерения была бы меньшей.

Отсюда следует два вывода:

1. Характеризовать точность прибора  по относительной погрешности  нельзя, так как она является величиной переменной, зависящей от численного значения измеряемой величины.

2. Точность измерения тем выше, чем ближе значение измеряемой  величины к пределу измерения. Поэтому, работая с многопредельными  приборами, надо так выбирать  предел измерения, чтобы измеряемая величина по возможности приближалась к пределу измерения прибора (чтобы отсчет получался в конце шкалы в последней трети ее).

Относительная погрешность служит сравнительной оценкой точности измерений.

Для сравнения же приборов по степени достоверности их результатов пользуются не относительной, а приведенной погрешностью.

Под приведенной погрешностью прибора понимают отношение абсолютной погрешности к пределу измерений прибора, выраженное в процентах:

 

,

 

где – приведенная погрешность – величина безразмерная;

       – предел измерения прибора.

По приведенной погрешности устанавливается класс точности прибора, который указывает максимальное значение этой погрешности для данного типа прибора.

 

Принцип действия электроизмерительных приборов

 

В основе работы электроизмерительных приборов заложены различные системы. Рассмотрим основные из них: магнитоэлектрическую, электромагнитную и электродинамическую:

а) магнитоэлектрическая – работа приборов этой системы основана на взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Между полюсами постоянного магнита (рис. 4) на цилиндрическом стержне помещена легкая рамка с обмоткой из тонкой проволоки, по которой пропускается измеряемый ток.

При прохождении тока через обмотку рамки поле магнита действует на проводники рамки и поворачивает ее. Чем больше ток, тем больше поворачивается рамка и скрепленный с ней указатель прибора.

Достоинствами приборов этой системы являются: высокая чувствительность (могут быть рассчитаны на измерение весьма малых токов и напряжений), точность показаний, равномерность шкалы, малое потребление энергии. К недостаткам относятся возможность измерения только в цепях постоянного тока, чувствительность к перегрузкам;

 

 

Рис. 4. Магнитоэлектрическая система

 

б) электромагнитная – приборы этой системы имеют неподвижную катушку и подвижной сердечник из мягкого железа, укрепленный на оси со стрелкой (рис. 5).

 

Рис. 5. Электромагнитная система

Когда измеряемый ток проходит по обмотке катушки, магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его в неподвижную катушку.

Чем больше ток, тем сильнее втягивается сердечник и на больший угол поворачивается стрелка прибора. С изменением направления тока меняется как направление магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника, поэтому приборы этой системы применяются для измерения как на постоянном, так и на переменном токе.

Достоинствами приборов этой системы являются возможность измерения переменного и постоянного тока, простота конструкции, выносливость в отношении кратковременных перегрузок. К недостаткам относятся неравномерность шкалы, зависимость показаний от внешних магнитных полей;

в) электродинамическая – принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии токов, протекающих по двум рамкам (катушкам),  из которых одна подвижная, другая неподвижная (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Электродинамическая система

 

Внутри неподвижно закрепленной катушки может вращаться на оси подвижная катушка, с которой жестко связан указатель прибора. Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки и тока в подвижной катушке создается вращающий момент, под действием которого подвижная катушка и вместе с ней стрелка прибора поворачивается на некоторый угол. В зависимости от назначения приборов катушки соединяются либо последовательно (в этом случае прибор используется как вольтметр), либо параллельно (прибор в этом случае используют в качестве амперметра).

Достоинствами приборов этой системы являются возможность измерения как на постоянном, так и на переменном токе, достаточная точность. К недостаткам относятся неравномерность шкалы, чувствительность к внешним магнитным полям, большая чувствительность к перегрузкам.

 

Амперметры, вольтметры, омметры

 

Амперметры – приборы, предназначенные для измерения величины тока. При измерениях амперметр включается в цепь последовательно. Для получения высокой точности измерения внутреннее сопротивление амперметра должно быть во много раз меньше сопротивления всей цепи. Чтобы измерить токи больше, чем ток полного отклонения прибора, необходимо параллельно прибору включить сопротивление, называемое шунтом.

 

 

Сопротивление шунта рассчитывают, используя закон распределения токов при параллельном соединении проводников:

 

,

 

где – ток в амперметре; – ток в шунте; – сопротивление амперметра; – сопротивление шунта.

Приборы часто снабжают не одним шунтом, а набором их. При шунтировании через амперметр проходит не весь, а только часть измеряемого тока, измерив которую, легко определить весь ток цепи I.

Вольтметры – это приборы, предназначенные для измерения напряжения. Они включаются параллельно участку цепи, на котором нужно измерить напряжение. Для того чтобы включение вольтметра не изменило режима цепи, сопротивление его должно быть очень велико по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Для измерения переменных напряжений в схему вольтметра постоянного напряжения включают выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянный. Для расширения пределов измерений вольтметра необходимо в цепь включить последовательно с ним добавочное сопротивление.

 

 

При этом: ,

где – сопротивление вольтметра;

       – общее сопротивление;

        U – полное подводимое напряжение;

       – напряжение на вольтметре.

Омметры – приборы, предназначенные для измерения сопротивления, шкала которых проградуирована в единицах сопротивления. Омметр представляет собой миллиамперметр со встроенным источником постоянного тока.

Сопротивление можно вычислить и по закону Ома, измерив по вольтметру и амперметру падение напряжения на измеряемом сопротивлении и ток, протекающий по нему.

 

Контрольные вопросы

 

1. По какому принципу  классифицируются электроизмерительные приборы?

2. Устройство и принцип  действия приборов различных  систем.

3. Основные технические требования, предъявляемые к измерительным приборам.

4. Как определить чувствительность  прибора?

5. Как расширить пределы  измерения электроизмерительных приборов?

6. Для каких целей  используются многопредельные приборы? Каким образом проводятся измерения с помощью этих приборов?

7. Как по классу точности  определяются абсолютная, относительная и приведенная погрешность измерений?