Контрольно-измерительные инструменты и приборы: виды и принцип действия. Электронные измерительные приборы Электроизмерительные приборы какие бывают принцип действия

Яндекс.Директ

Электроизмерительные приборы

Текст В настоящее время существуют приборы, с помощью которых могут быть произведены измерения более 50 электрических величин. Перечень электрических величин включает в себя ток, напряжение, частоту, отношение токов и напряжений, сопротивление, емкость, индуктивность, мощность и т.д. Появление множества технических средств реализующих измерения, являеться вытекающим из многообразия количества измеряемых величин. Электроизмерительную аппаратуру и приборы можно классифицировать по ряду признаков. По функциональному признаку эту аппаратуру и приборы можно разделить на средства сбора, обработки и представления измерительной информации и средства аттестации и поверки.

Электроизмерительную аппаратуру по назначению можно разделить на меры, системы, приборы и вспомогательные устройства. Кроме того, важный класс электроизмерительных приборов составляют преобразователи, предназначенные для преобразования электрических величин в процессе измерения или преобразования измерительной информации.

Здесь будет рассмотрена лишь часть измерительных приборов, необходимых для ремонта и обслуживания бытовых электроприборов и электрооборудования! Так же будут представлены некоторые приборы не применяемые в быту, а описаны лиш для общего ознакомления!

Измерение силы тока, количества электричества и зарядов – Трансформаторы тока, амперметры, вольтметры, мультиметры

Трансформаторы тока – служат для передачи сигналов измерительной информации измерительным приборам и/или устройствам защиты и управления в электросетях переменного тока промышленной частоты.

Амперметры и вольтметры – служат для измерения тока и напряжения в электросетях.

Мультиметры- служат для измерения основных электрических величин: напряжения и силы постоянного и переменного токов, а также сопротивления постоянному току и тестирования p-n переходов и др. так же применяются при изготовлении, эксплуатации и ремонте электро- и радиоаппаратуры.

Измерение ЭДС и напряжения – Трансформаторы напряжения, вольтметры

Трансформаторы напряжения – служат для измерений высоких напряжений переменного тока промышленной частоты.

Измерение мощности и энергии – Счетчики электрической энергии, ваттметры

Счетчики электрической энергии – служит для измерения и учета активной/реактивной энергии.

Ваттметры – для точных измерений мощности в цепях постоянного и переменного тока, а также для поверки менее точных приборов.

Система информационно-измерительная автоматизированная коммерческого учета электроэнергии – для измерения активной и реактивной энергии, а также для автоматизированного сбора, обработки, хранения и отображения информации, для коммерческого учета электроэнергии.

Прочие (Измерения электрических и магнитных величин) - Контроллеры, измерительные системы и комплексы.

Контроллеры – служат для измерения, регистрации и обработки напряжения и силы постоянного тока, параметров однофазных и трехфазных цепей переменного тока (действующих значений напряжения и силы переменного тока, активной, реактивной и полной мощности, частоты, угла сдвига фаз), их преобразования в цифровой код, а также для формирования аналоговых сигналов управления технологическим оборудованием в различных отраслях промышленности, главным образом энергетике.

Комплексы измерительные – служат для измерения параметров импульсных электромагнитных помех с целью определения качества выполнения заземляющего устройства (ЗУ), область применения – оборудование энергообъектов, электрические цепи (электрощиты) зданий и промышленных помещений.

Системы измерительные – служит для непрерывного измерения и контроля технологических параметров.

Измерение электрического сопротивления, проводимости, емкости, угла сдвига фаз, индуктивности и добротности электрических цепей, параметров диэлектриков – Мегаомметры, измерители сопротивления.

Измерение характеристик магнитных полей, свойств магнитных материалов – Тесламетры, измерители магнитной индукции.

Самописцы – приборы для вывода результатов измерений температуры, напряжения и тока, влажности, интегральных импульсов и вращения с возможностью сохранения данных и вывода их на бумажный носитель.

Метрологическое оборудование – Генераторы эталонных электрических сигналов, прецизионные мультиметры, калибраторы тестового оборудования, многофункциональные калибраторы, эталонные счетчики электрической энергии для оснащения лабораторий и работы в полевых условиях.

Измерение параметров высоковольтного оборудования - Импульсный локатор повреждений кабеля, прибор контроля выключателей, прибор контроля РПН трансформаторов…

Электроизмерительные приборы по материалам Википедии .

Применение – Средства электрических измерений широко применяются в энергетике, связи, промышленности, на транспорте, в научных исследованиях, медицине, а также в быту - для учёта потребляемой электроэнергии. Используя специальные датчики для преобразования неэлектрических величин в электрические, электроизмерительные приборы можно использовать для измерения самых разных физических величин, что ещё больше расширяет диапазон их применения.

Классификация

• Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:
• амперметры - для измерения силы электрического тока;
• вольтметры - для измерения электрического напряжения;
• омметры - для измерения электрического сопротивления;
• мультиметры – (иначе тестеры, авометры) - комбинированные приборы
• частотомеры - для измерения частоты колебаний электрического тока;
• магазины сопротивлений - для воспроизведения заданных сопротивлений;
• ваттметры и варметры - для измерения мощности электрического тока;
• электрические счётчики - для измерения потреблённой электроэнергии
• и множество других видов
• Кроме этого существуют классификации по другим признакам:
• по назначению - измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства;
• по способу представления результатов измерений - показывающие и регистрирующие (в виде графика на бумаге или фотоплёнке, распечатки, либо в электронном виде);
• по методу измерения - приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
• по способу применения и по конструкции - щитовые (закрепляемые на щите или панели), переносные и стационарные;
• по принципу действия: лектромеханические, магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические электростатические, ферродинамические, индукционные, магнитодинамические, электронные, термоэлектрические, электрохимические.

Обозначения

Зарубежных странах обозначения средств измерений устанавливаются предприятиями-изготовителями, в России (и частично в других странах СНГ) традиционно принята унифицированная система обозначений, основанная на принципах действия электроизмерительных приборов. В состав обозначения входит прописная русская буква, соответствующая принципу действия прибора, и число - условный номер модели. Например: С197 - киловольтметр электростатический. К обозначению могут добавляться буквы М (модернизированный), К (контактный) и другие, отмечающие конструктивные особенности или модификации приборов.

Для контроля за правильностью работы электротехнических установок, испытания их, определения параметров электрических цепей, учета расходуемой электрической энергии и т. д. производят различные электрические измерения. В технике связи, как и в технике сильных токов, электрические измерения имеют важное значение. Приборы, с помощью которых измеряются различные электрические величины: ток, напряжение, сопротивление, мощность и т. д., - называются электрическими измерительными приборами.

Существуют большое количество различных электроизмерительных приборов. Наиболее часто при производстве электрических измерений используются: амперметры, вольтметры, гальванометры, ваттметры, электросчетчики, фазометры, фазоуказатели, синхроноскопы, частотомеры, омметры, мегомметры, измерители сопротивления заземления, измерители емкости и индуктивности, осциллографы, измерительные мосты, комбинированные приборы и измерительные комплекты.

Электроизмерительный комплект К540 (в его состав входит вольтметр, амперметр и ваттметр):

Классификация электроизмерительных приборов по принципу действия

По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на следующие основные типы:

1. Приборы магнитоэлектрической системы , основанные на принципе взаимодействия катушки с током и внешнего магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом.

2. Приборы электродинамической системы , основанные на принципе электродинамического взаимодействия двух катушек с токами, из которых одна неподвижна, а другая подвижна.

3. Приборы электромагнитной системы , в которых используется принцип взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки с током и подвижной железной пластинки, нaмагниченной этим полем.

4. Тепловые измерительные приборы , использующие тепловое действие электрического тока. Нагретая током проволока удлиняется, провисает, и вследствие этого подвижная часть прибора получает возможность повернуться под действием пружины, выбирающей образовавшуюся слабину проволоки.

5. Приборы индукционной системы , основанные нa принципе взаимодействия вращающегося магнитного поля с токами, индуктированными этим полем в подвижном металлическом цилиндре.

6. Приборы электростатической системы , основанные на принципе взаимодействия подвижных и неподвижных металлических пластин, заряженных разноименными электрическими зарядами.

7. Приборы термоэлектрической системы , представляющие собой совокупность термопары с каким-либо чувствительным прибором, например магнитоэлектрической системы. Измеряемый ток, проходя через термопару, способствует возникновению термотока, воздействующего на магнитоэлектрический прибор.

8. Приборы вибрационной системы , основанные нa принципе механического резонанса вибрирующих тел. При заданной частоте тока наиболее интенсивно вибрирует тот из якорьков электромагнита, период собственных колебаний которого совпадает с периодом навязанных колебаний.

9. Электронные измерительные приборы - приборы, измерительные цепи которых содержат электронные элементы. Они используется для измерений практически всех электрических величин, а также неэлектрических величин, предварительно преобразованных в электрические.

По типу отсчетного устройства различают аналоговые и цифровые приборы. В аналоговых приборах измеряемая или пропорциональная ей величина непосредственно воздействует на положение подвижной части, на которой расположено отсчетное устройство. В цифровых приборах подвижная часть отсутствует, а измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, регистрируемый цифровым индикатором.

Отклонение подвижной части у большинства электроизмерительных механизмов зависит от значений токов в их катушках. Но в тех случаях, когда механизм должен служить для измерения величины, не являющейся прямой функцией тока (сопротивления, индуктивности, емкости, сдвига фаз, частоты и т. д.), необходимо сделать результирующий вращающий момент зависящим от измеряемой величины и не зависящим от напряжения источника питания.

Для таких измерений применяют механизм, отклонение подвижной части которого определяется только отношением токов в двух его катушках и не зависит от их значений. Приборы, построенные по этому общему принципу, называются логометрами. Возможно построение логометрического механизма любой электроизмерительной системы с характерной особенностью - отсутствием механического противодействующего момента, создаваемого закручиванием пружин или растяжек.

На рисунках ниже приведены условные обозначения электроизмерительных приборов по принципу их действия.

Обозначение принципа действия прибора

Классификация электроизмерительных приборов по роду измеримой величины

Электроизмерительные приборы классифицируются и по роду измеряемой ими величины, так как приборы одного и того же принципа действия, но предназначенные для измерения разных величин могут значительно отличаться друг от друга по своей конструкции, не говоря уже о шкале прибора.

В таблице 1 приведен перечень условных обозначений наиболее употребительных электроизмерительных приборов.

Таблица 1. Примеры обозначения единиц измерения, их кратных и дольных значений

Классификация электроизмерительных приборов по степени точности

Абсолютной погрешностью прибора называют разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины.

Например, абсолютная погрешность амперметра равна

δ = I - I э,

Если I >I э, то абсолютная погрешность прибора положительна, а при I э, она отрицательна.

Поправкой прибора называют величину, которую надо прибавить к показаниям прибора, чтобы получить истинное значение измеряемой величины.

I э = I - δ = I + (-δ)

Следовательно, поправка прибора - величина р авная абсолютной погрешности прибора, но противоположная ей по знаку. Например, если амперметр показал 1 = 5 А, а абсолютная погрешность прибора равна δ =0,1 а, то истинное значение измеряемой величины равно I = 5+ (-0,1) = 4,9 а.

Приведенной погрешностью прибора называется отношение абсолютной погрешности к наибольшему возможному отклонению показателя прибора (номинальному показанию прибора).

Например, для амперметра

β = (δ/In) · 100% = ((I - Iэ )/In) · 100%

Где β - приведенная погрешность в процентах, In - номинальное показание прибора.

Точность прибора характеризуется величиной его максимальной приведенной погрешности. Согласно ГОСТ 8.401-80 приборы по степени их точности разделяются на 9 классов: 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0. Если, например, данный прибор имеет класс точности 1,5, то это значит, что его максимальная приведенная погрешность равна 1,5%.

Электроизмерительные приборы, имеющие классы точности 0,02, 0,05, 0,1 и 0,2, как наиболее точные, применяются там, где требуется весьма большая точность измерения. Если прибор имеет приведенную погрешность выше 4%, то он считается внеклассным.

Чувствительность и постоянная измерительного прибора

Чувствительностью прибора называют отношение углового или линейного перемещения указателя прибора, приходящееся на единицу измеряемой величины. Если , то чувствительность его по всей шкале одинакова.

Например, чувствительность амперметра, имеющего равномерную шкалу, определяется формулой

S = Δα/ΔI,

Где S - чувствительность амперметра в делениях на ампер, Δ I - приращение тока в амперах или миллиамперах, Δα - приращение углового перемещения показателя прибора в градусах или миллиметрах.

Если шкала прибора неравномерна, то чувствительность прибора в различных областях шкалы различна, так как одному и тому же приращению (например, тока) будут соответствовать разные приращения углового или линейного перемещения показателя прибора.

Величина, обратная чувствительности прибора, называется постоянной прибора. Следовательно, постоянная прибора - это цена деления прибора, или, иначе, величина, на которую должен быть помножен отсчет по шкале в делениях, чтобы получить измеряемую величину.

Например, если постоянная прибора равна 10 мА/дел (десять миллиампер на деление), то при отклонении его указателя на α = 10 делений измеряемая величина тока равна I = 10 - определение погрешностей или поправок для совокупности значений шкалы прибора путем сравнения в различных сочетаниях отдельных значений шкалы друг с другом. За основу сравнения берется одно из значений шкалы. Калибровка широко применяется в практике точной метрологической работы.

Простейший способ калибровкой - сравнение каждого размера с номинально равным ему (принимаемым за достаточно верный) размером. Это понятие не следует смешивать (как это часто делают) с градуированием (градуировкой) измерительных приборов, представляющим собой метрологическую операцию, при помощи которой делениям шкалы измерительного прибора придаются значения, выраженные в установленных единицах измерения.

Мощность потерь энергии в приборах

Электроизмерительные приборы потребляют при работе энергию, которая в них преобразуется обычно в тепловую энергию. Мощность потерь зависит от режима в цепи, а также от системы и конструкции прибора.

Если измеряемая мощность относительно мала, а следовательно, относительно малы ток или напряжение в цепи, то мощность потерь энергии в самих приборах может заметно влиять на режим исследуемой цепи и показания приборов могут иметь довольно большую погрешность. При точных измерениях в цепях, где развиваемые мощности сравнительно малы, необходимо знать мощность потерь энергии в приборах.

В табл. 2 приведены средние величины мощности потерь энергии в различных системах электроизмерительных приборов.

Приборы различаются по следующим признакам:

По конструкции – аналоговые и цифровые.

По роду измеряемой величины – амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры и многие другие.

По роду тока – для работы на переменном токе, на постоянном токе или на обоих.

По принципу работы измерительного механизма – магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, ферродинамические и др.

По способу предъявления информации – показывающие, регистрирующие, интегрирующие.

Последняя классификация получила название системы электроизмерительных приборов. В данной лабораторной работе мы рассмотрим толькомагнитоэлектрическую иэлектромагнитную системы.

магнитоэлектрической системы заключается во взаимодействии магнитного поля легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток, с магнитным полем неподвижного постоянного магнита. Подвижная катушка механически соединена со стрелкой прибора.

Высокая чувствительность и точность измерения

Равномерная шкала

Малое потребление мощности.

Принцип работы электроизмерительных приборов электромагнитной системы заключается во взаимодействии ферромагнитного сердечника, соединенного со стрелкой, с магнитным полем неподвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток.

Достоинством приборов этой системы являются:

Простота и надежность конструкции

Возможность использования в цепях постоянного и переменного тока

Низкая чувствительность ко внешним магнитным полям

Недостатки приборов электромагнитной системы:

Малая чувствительность

Неравномерная шкала.

Изо всех типов электроизмерительных приборов в данной работе нас будут интересовать только вольтметры иамперметры .

Амперметр служит для измерения силы тока в электрической цепи и включается в цепь последовательно.Вольтметр предназначен для измерения напряжения на участке цепи и включается в цепь параллельно этому участку.

При включении приборы не должны вносить заметных изменений в параметры цепи. Это значит, что амперметр должен обладать как можно меньшим сопротивлением, а вольтметр – как можно большим.

Основными параметрами электроизмерительных приборов являются:

Система

Предел измерения – максимальное значение величины, соответствующее отклонению стрелки прибора до конца шкалы. Измеряется предел измерения в тех единицах, которые обозначены на шкале прибора. Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерения – многопредельные приборы. Выбор нужного предела производится переключателями пределов в соответствии с ожидаемыми значениями измеряемой величины. Рекомендуется начинать измерения всегда с больших пределов, постепенно увеличивая чувствительность прибора до необходимого уровня. В противном случае можно легко уничтожить прибор, если его предел измерения будет выбран слишком малым, а значения измеряемой величины окажутся неожиданно высокими.

Цена деления шкалы прибора – это отношение значения измеряемой величины к числу делений шкалы, на которое отклонилась стрелка прибора. Вычисляется цена деления прибора по формуле

где - цена деления шкалы,- число делений, на которое отклонилась стрелка прибора. Измеряется цена деления в единицах шкалы на деление, например, у вольтметра
. Следует помнить, что цена деления многопредельных приборов на каждом пределе различна!

Чувствительность прибора – это отношение линейного перемещения стрелки прибора к значению измеряемой величины, вызвавшей это перемещение. Вычисляется чувствительность прибора по формуле

(8)

где - чувствительность прибора,- значение измеряемой величины,- число делений, на которое отклонилась стрелка прибора. Измеряется чувствительность в делениях на единицу шкалы, например, у вольтметра
. Как видно из формул (7) и (8), чувствительность прибора и цена деления шкалы являются взаимно обратными величинами. Чувствительность многопредельных приборов также своя для каждого предела измерения.

Абсолютная погрешность прибора – величина, равная модулю разности показания прибора и истинного значения измеряемой величины. Вычисляется абсолютная погрешность по формуле

(9)

где
- абсолютная погрешность прибора,- истинное значение измеряемой величины,- измеренное с помощью прибора значение величины. Измеряется абсолютная погрешность в тех же единицах, что и сама измеряемая величина.

Относительная погрешность прибора – это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины

(10)

где
- относительная погрешность прибора,
- его абсолютная погрешность,- истинное значение измеряемой величины. Относительную погрешность прибора принято выражать в процентах. На шкалах электроизмерительных приборов символ процента, как правило, не ставится.

Класс точности прибора представляет собой его приведенную относительную погрешность. Вычисляется класс точности по формуле

(11)

где - класс точности прибора,
- его абсолютная погрешность прибора,
- предел измерения. Класс точности прибора принято выражать в процентах. На шкалах электроизмерительных приборов символ процента, как правило, не ставится.

Из формулы (11) видно, что при малом отклонении стрелки прибора точность измерений уменьшается. Для повышения точности рекомендуется проводить измерения таким образом, чтобы стрелка прибора находилась во второй половине шкалы.

Расширенные возможности использования электроизмерительных приборов достигаются за счет их многопредельности .Многопредельность – это разбиение одного диапазона измерения физической величины на несколько поддиапазонов, в каждом из которых прибор имеет свою чувствительность. Использование нескольких диапазонов измерений делает прибор более универсальным, в каждом диапазоне чувствительность прибора может быть сделана наиболее оптимальной. Технически многопредельность приборов достигается двумя способами:

Шунтированием

Применением измерительных трансформаторов.

Для расширения предела измерения амперметра параллельно ему подключается резистор (шунт), сопротивление которого связано с внутренним сопротивлением амперметра соотношением

(12)

где R ш – искомое сопротивление шунта,R а – внутреннее сопротивление амперметра,I– новое значение предела измерения прибора,I 0 – номинальное значение предела измерения прибора.

Для расширения предела измерения вольтметра последовательно с ним включается добавочный резистор, сопротивление которого связано с внутренним сопротивлением амперметра соотношением

(13)

где R д – искомое добавочное сопротивление,R V – внутреннее сопротивление вольтметра,U- новое значение предела измерения прибора,U 0 - номинальное значение предела измерения прибора.

Предлагаем читателям вывести формулы (12) и (13) самостоятельно, используя закон Ома для участка цепи и соотношения для цепей с последовательным и параллельным соединением.

Использование измерительных трансформаторов для расширения пределов измерения приборов выходит за рамки настоящей лабораторной работы. Информацию по данному вопросу можно найти в литературе по электротехнике.

Рассмотрим простой способ измерения сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра. В основе этого метода лежит использование закона Ома для участка цепи: измеряя величину тока, протекающего по проводнику, и напряжение на нем, по закону Ома можно рассчитать величину сопротивления:

(14)

Для повышения точности обычно проводится несколько измерений и строится вольтамперная характеристика исследуемого проводника. Для металлических, графитовых и некоторых других проводников вольтамперная характеристика является линейной. Этим мы и воспользуемся при измерении сопротивления резистора в данной работе.

Для оценки погрешности измерения воспользуемся формулой (14), из которой получим выражение для вычисления относительной погрешности сопротивления. Применяя методы оценки погрешности косвенных измерений, прологарифмируем выражение (14)

(15)

Теперь продифференцируем каждое слагаемое по своей переменной:

(16)

Переходя от бесконечно малых приращений к конечным величинам и воспользовавшись свойством, что погрешность разности равна сумме погрешностей, получим окончательно:

(17)

где
- абсолютные погрешности соответственно сопротивления, напряжения и тока, а
- их измеренные значения. Дробь в левой части формулы (17) – это и есть искомая относительная погрешность измерения сопротивления.

Класс устройств, которые применяются для измерения электрических величин, называются электроизмерительными приборами. Наиболее известные из них - амперметры, вольтметры и омметры.

Сфера применения

Электроизмерительный прибор является необходимым устройством в связи, энергетике, промышленности, на транспорте, в медицине и научных исследованиях. Применяется это устройство и в быту, например для учета потребленной электроэнергии.
А если применить специальные преобразователи величин неэлектрических в электрические, то диапазон применения электроизмерительных приборов становится значительно шире.

Один из существенных признаков систематизации подобных устройств - воспроизводимая или измеряемая физическая величина. Согласно ему приборы подразделяются:

На измеряющие силу электрического тока - амперметры,

Измеряющие электрическое напряжение - вольтметры,

Измеряющие электрическое сопротивление - омметры,

Измеряющие частоту колебаний электротока - частотомеры,

Измеряющие различные величины - мультиметры или авометры, тестеры,

Для воспроизведения указанных сопротивлений - магазины сопротивлений,

Измеряющие мощность электрического тока - варметры и ваттметры,

Измеряющие потребление электрической энергии - электросчетчики и пр.

Другие признаки систематизации

Существуют и другие признаки, по которым классифицируют такой вид устройств, как электроизмерительный прибор. Это может быть:

1. Назначение: меры, измерительные приборы и преобразователи, измерительные системы и установки, прочие вспомогательные устройства.

2. Система предоставления полученного результата: регистрирующие (графическое изображение на фотопленке или бумаге либо в виде компьютерного файла) или показывающие.

3. Способ измерения: приборы сравнения или непосредственной оценки.

4. Способ использования и конструктивные особенности: переносные, щитовые (закрепляются на специальной панели или щите), стационарные.

По принципу действия классификация электроизмерительных приборов выглядит следующим образом:

• электромеханические, которые, в свою очередь, подразделяются:

На электромагнитные,

Магнитоэлектрические,

Электростатические,

Индукционные,

Электродинамические,

Магнитодинамические,

Ферродинамические;

• электронные;
• электрохимические;
• термоэлектрические.

Система обозначений

За рубежом заводы-изготовители устанавливают свои обозначения на выпускаемых измерительных устройствах. В России и некоторых бывших республиках Советского Союза традиционна унифицированная система знаков. Основана она на принципе работы конкретного прибора. Основные электроизмерительные приборы в обозначении всегда имеют прописную букву русского алфавита, которая указывает на принцип действия устройства. А также число, которое обозначает условный номер модели. Иногда можно встретить прописную букву М, которая обозначает, что прибор модернизированный или К (контактный). Есть и другие, обозначения. Например, Д (электродинамические приборы), Н (самопишущие приборы), Р (меры, устройства, измеряющие параметры элементов электросетей, измерительные преобразователи), И (индукционные приборы), Л (логометры) и пр.

Показатели точности

Одна из главных характеристик прибора для электроизмерений - класс точности. Их существует несколько. А определяется он по зависимости от допустимого предела погрешности, вызванной конструктивными особенностями отдельно взятого устройства.

Точность электроизмерительных приборов не может быть равна погрешности относительной или абсолютной. Последняя не является определителем точности, а относительная имеет зависимость от значения величины, подвергшейся изменению, то есть для различных участков шкалы будет иметь разные значения.

Поэтому для характеристики точности электроприбора применяется приведенная погрешность (ɣ). Определяется она отношением погрешности абсолютной конкретного прибора (∆x) к максимуму (или пределу) измеряемой величины (x пр). Полученная величина, выраженная в процентах, и будет классом точности конкретного прибора:

- ɣ = ∆x / x пр * 100%.

Любой электроизмерительный прибор на шкале обязательно имеет указание на класс точности. Согласно ГОСТу он может быть 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0. На этом основании приборы можно классифицировать следующим образом:

Класс точности 0,05 и 0,1 - образцовые, использующиеся для поверки точных приборов (например, лабораторных);

Класс точности 0,2 и 0,5 - лабораторные, используются в лабораториях для производства измерений и поверки технических приборов;

Класс точности 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0 - технические, применяются для технических измерений.

Электроизмерительные приборы: принцип действия

Работа большей части электроизмерительных приборов основана на магнитоэлектрическом эффекте. Электроны, двигаясь по проводнику электрической цепи, образуют вокруг себя магнитное поле. В нем и перемещается стрелка измеряющего устройства, реагируя на силу окружающего поля. Чем магнитное поле слабее, тем меньше отклонение стрелки и наоборот.

Если в непосредственной близости от проводника, через который не протекает электрический ток, подвешена стрелка, то реагировать она может только на магнитное поле Земли. Но если через проводник пропустить ток, стрелка будет уже реагировать на магнитное поле электрического тока. Таким образом, механическое отклонение стрелки провоцируют электроны, двигаясь через проводник. И следовательно, чем больше электрический ток, тем сильнее образованное им поле и тем дальше от начального положения отклоняется стрелка. Этот незатейливый принцип является основополагающим для большинства электроизмерительных приборов.

Один электроизмерительный прибор отличается от другого не измерительным отклонением стрелки (приборов с цифровым индикатором это не касается), а внутренними цепями и способами создания электромагнитного поля. Как известно, для движения в электрической сети электронов необходима нагрузка. Поэтому это движение имеет некоторые различия в омметрах, вольтметрах и амперметрах, имеющих измерительные клещи. Приборы с такими захватами «вытягивают» магнитное поле из пластинок, их образующих. В вольтметре для получения магнитного поля применяется резистор, который получает нагрузку при подаче на цепь напряжения. Омметр имеет индивидуальный источник питания и использует устройство, которое подвергает измерению, для образования магнитного поля.

Описанные выше приборы проводят измерения одинаковым способом, притом что подача нагрузки и источники питания у них разные.

Измерительное смещение стрелки, провоцируемое магнитным полем движущихся электронов, указывает на какое-либо деление шкалы. Их обычно несколько, и у каждой свой предел измерения напряжения, сопротивления и тока. На некоторых приборах для удобства пользователя продуман селекторный переключатель.

Как работают цифровые измерители

Цифровые электроизмерительные приборы имеют высокий класс точности (погрешность варьируется от 0,1 до 1,0 %) и широкий предел измерений. Они быстродейственны и могут совместно работать с электронно-вычислительными машинами, что позволяет передавать результаты измерений без каких-либо искажений на различные расстояния.

Эти устройства считаются приборами сравнения и непосредственной оценки. Их работа основана на принципе перевода измеряемой величины в код, благодаря чему пользователь имеет цифровое представление информации. Ещё какие электроизмерительные приборы относятся к цифровым? Это устройства, которые, измеряя непрерывную электрическую величину, автоматически конвертируют её в дискретную, кодируют и выдают результат в цифровой форме, удобной для считывания пользователем.

Устройства, расположенные в одном корпусе

Это приборы, которые для неодновременного измерения нескольких величин используют один механизм для измерения. Или же они имеют несколько преобразователей с общим для всех отсчетным устройством (шкалой). Она градуируется в единицах измеряемых величин. Чаще всего комбинированные электроизмерительные приборы совмещают в себе устройства, измеряющие силу постоянного или переменного тока и электрического напряжения (ампервольтметры); сопротивления, силы постоянного и переменного тока, напряжение (авометры или ампервольтомметры). А также существуют универсальные цифровые электроизмерительные приборы, которые измеряют напряжение постоянного и переменного тока, индуктивность и количество импульсов.

Примером такого устройства может служить новая разработка "Актаком ADS-4031".Прибор от компании "Актаком" гармонично сочетает в себе функциональный генератор, цифровой осциллограф, частотомер, RLC-метр и цифровой мультиметр. Кроме основных пяти совмещенных устройств, осциллографический тестер благодаря дополнительным приспособлениям может использоваться для ряда других измерительных задач.

Производство и разработка электроизмерительных приборов

На территории России работают и активно продвигают на рынок свою продукцию как новые предприятия, так и заводы, ведущие свою историю со времен СССР. Рассмотрим их более подробно.

ОАО «Электроприбор»

Один из таких долгожителей - Чебоксарский завод электроизмерительных приборов. Сегодня он называется ОАО «Электроприбор». Его цеха выпускают аналоговые и цифровые электроизмерительные устройства и шунты. В прайсах завода - амперметры, вольтметры, ватт- и варметры, многофункциональные устройства для измерений. А также измерительные преобразователи напряжения, тока, частоты и мощности. В современных реалиях завод принял к производству линейку вспомогательных изделий - шунтов, которые способны расширять диапазон измерения по напряжению и току. Выпускает «Электроприбор» трансформаторы и добавочные сопротивления.

Пользуются большим спросом приборы с электронными преобразователями, измеряющими частоту реактивной или активной мощности, а также ее коэффициент. Не менее популярны индикаторы, приборы для оснащения специализированных учебных кабинетов, различные цифровые приборы и комплектующие. В конце прошлого века предприятие получило сертификат, подтверждающий систему менеджмента качества ИСО 9001, соответствующую международному стандарту.

Чебоксарский завод более 55 лет занимает лидерские позиции среди производителей электроизмерительных приборов.

ОАО «НИИ Электромера»

65 лет назад, согласно Постановлению Совета министров СССР, был образован ВНИИЭП - Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов. Кроме научно-исследовательских работ по разработке новейших образцов техники здесь изготавливали небольшие серии высокоточных, уникальных приборов.
Разрабатывая системы электроизмерительных приборов, предназначенных для автоматизации экспериментов и промиспытаний сложной техники, институт создал измерительно-управляющие комплексы.

В конце прошлого столетия ВНИИЭП преобразован в ОАО «НИИ Электромера».

ООО «Белтехприбор»

Одно из современных предприятий - ООО «Белтехприбор». Здесь постоянно расширяют номенклатуру выпускаемой продукции. Сегодня контрольно-измерительные приборы и низковольтное оборудование поставляется на отечественные предприятия машиностроительного, электромеханического, топливно-энергетического и нефтеперерабатывающего профиля.

Электрическая цепь состоит из источника тока, потребителя энергии, соединительных проводов, измерительных приборов и вспомогательных устройств.

В настоящее время создано и используется на практике очень много самых разнообразных по назначению и конструкции электроизмерительных приборов. Чтобы разобраться во всем их многообразии, необходимо знать основы их классификации.

Существует ряд классификаций электроизмерительных приборов по различным признакам. Одна из них.

В зависимости от назначения и устройства приборы классифицируют:

по принципу действия – электромеханические, выпрямительные, термоэлектрические, электронные, электростатические, детекторные, тепловые;

по роду измеряемого тока – для измерения постоянного тока, переменного тока и универсальные;

по диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные;

по виду получаемой информации – стрелочные (аналоговые), цифровые (дискретные);

по форме представления информации – показывающие, регистрирующие, самопищущие и печатающие.

Наиболее распространенными приборами электромеханического принципа действия, используемые в лабораториях университета, являются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.

Прибор магнитоэлектрической системы

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы (рис.11) предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Применяя, различные преобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы можно использовать в цепях переменного тока высокой частоты для измерения неэлектрических величин (температуры, давлений, перемещений и т.д.).

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитных полей создаваемых постоянным магнитом и измеряемым током, протекающим по катушке.

Приборы магнитоэлектрической системы состоят из постоянного магнита создающего постоянное магнитное поле, усиливаемое полюсными башмаками между которыми устанавливается катушка, изготовленная из алюминиевого каркаса и обмотки. На подвижной катушке закреплена показывающая стрелка, а её вращение уравновешивается спиральными пружинами.

В приборах магнитоэлектрической системы вращающий магнитный момент пропорционален силе проходящего по подвижной катушке тока. Противодействующий механический момент создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу закручивания, следовательно, угол отклонения катушки, и скрепленной с нею стрелки, будет пропорционален силе протекающего по обмотке тока.

Линейная зависимость между током и углом отклонения обеспечивает равномерность шкалы прибора. Корректор позволяет изменить положение закрепленного конца одной из спиральных пружин и тем самым производить установку прибора на нуль. Так как каркас подвижной катушки изготовлен из алюминия, то есть из проводника, то возникающие в нем при движении в магнитном поле индукционные токи создают тормозящий момент, что обуславливает быстрое успокоение.

В приборах магнитоэлектрической системы возможны следующие режимы работы:

Апериодический режим. Это такой режим, при котором подвижная катушка прибора под действием тока плавно подходит к положению равновесия, не переходя через него.

Периодический режим. Движение подвижной катушки прибора в этом случае происходит так, что, двигаясь к положению равновесия, она переходит через него и занимает его после нескольких колебаний.

Критический режим. Это такой режим, при котором подвижная катушка прибора под действием тока подходит к положению равновесия за кратчайшее время. Этот режим наиболее выгоден для работы.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: высокая чувствительность и точность показаний; нечувствительность к внешним магнитным полям; малое потребление энергии; равномерность шкалы; апериодичность (стрелка быстро устанавливается на соответствующем делении почти без колебаний).

К недостаткам приборов этой системы относятся: возможность измерения без дополнительных устройств физических величин только в цепи постоянного тока; чувствительность к перегрузкам.

Прибор электромагнитной системы

Электроизмерительные приборы электромагнитной системы (рис.12) предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока.

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля создаваемого протекающим по неподвижной катушке тока и подвижного железного сердечника.

Приборы электромагнитной системы состоят из неподвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток, железного сердечника особой формы с отверстиями закрепленного эксцентрично на оси и имеющего возможность перемещаться относительно катушки, противодействующих спиральных пружин и воздушного успокоителя, представляющего собой камеру в которой перемещается алюминиевый поршенек.

Под действием магнитного поля неподвижной катушки подвижный сердечник стремясь, расположится так, чтобы его пересекало, возможно, больше силовых линий магнитного поля, втягивается в катушку по мере увеличения в ней силы тока. Магнитное поле катушки пропорционально току; намагничивание железного сердечника тоже увеличивается с увеличением тока. Поэтому можно приближенно считать, что в электромагнитных приборах создаваемый вращающий магнитный момент пропорционален квадрату тока. Противодействующий механический момент создаваемый спиральными пружинами пропорционален углу поворота подвижной части прибора, поэтому шкала электромагнитного прибора неравномерная, квадратичная.

В электромагнитных приборах при изменении направления тока меняется как направление создаваемого магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов низких частот без дополнительных устройств.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются: возможность измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов; простота конструкции; механическая прочность; выносливость в отношении перегрузок.

К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы; меньшая точность, чем в магнитоэлектрических приборах; зависимость показаний от внешних магнитных полей.

Прибор электродинамической системы

Электроизмерительные приборы электродинамической системы (рис.13) предназначены для измерения силы тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока.

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей создаваемых измеряемым током, протекающим по неподвижной и подвижной катушкам.

Приборы электродинамической системы состоят из жестко закрепленной неподвижной катушки, закрепленной на оси подвижной катушки (расположена внутри неподвижной катушки) с которой жестко связана стрелка, перемещающаяся над шкалой, противодействующих спиральных пружин и воздушного успокоителя.

Под действием магнитного поля неподвижной катушки и тока в подвижной катушке создается вращающий магнитный момент, под влиянием которого подвижная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельной плоскости витков неподвижной катушки, а их магнитные поля совпадали бы по направлению. В первом приближении вращающий магнитный момент, действующий на подвижную катушку, пропорционален как току в подвижной катушке, так и току в неподвижной катушке. Противодействующий механический момент создаваемый спиральными пружинами пропорционален углу поворота подвижной части прибора, поэтому шкала электродинамического прибора неравномерная. Однако подбором конструкции катушек можно улучшить шкалу, то есть получить равномерную шкалу.

При перемене направления тока в обеих катушках направление вращающего магнитного момента не меняется. Поэтому приборы электродинамической системы применяются для измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов без дополнительных устройств.

В зависимости от назначения электродинамического прибора катушки внутри него соединяются между собой последовательно или параллельно. Если катушки прибора соединить параллельно и установить добавочное сопротивление (шунт – уменьшает сопротивление прибора до требуемого минимального значения), то он может быть использован как амперметр. Если катушки соединить последовательно и присоединить к ним добавочное сопротивление, то прибор может быть использован как вольтметр.

Приборы электродинамической системы используются для измерения потребляемой в цепи мощности – электродинамический ваттметр. Он состоит из двух катушек: неподвижной, с небольшим числом витков толстой проволоки, включенной последовательно с тем участком цепи, в котором требуется измерить расходуемую мощность, и подвижной, содержащей большое число витков тонкой проволоки и помещенной на оси внутри неподвижной катушки. Подвижная катушка включается в цепь подобно вольтметру, то есть параллельно потребителю, и для увеличения её сопротивления последовательно с ней вводится добавочное сопротивление. Отклонение подвижной части прибора пропорционально мощности и поэтому шкалу прибора градуируют в ваттах. Ваттметры электродинамической системы имеют равномерную шкалу.

Достоинствами приборов электродинамической системы являются: возможность измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов; высокая точность. Электродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом в качестве контрольных приборов для измерений в цепях переменного тока.

К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы у амперметров и вольтметров; чувствительность к внешним магнитным полям; большая чувствительность к перегрузкам.

Электростатический вольтметр

Электростатические приборы служат преимущественно для непосредственного измерения высоких напряжений в цепях постоянного и переменного токов – электростатический вольтметр (рис.14).

Принцип действия электростатического вольтметра основан на электростатическом взаимодействии заряженных проводников.

Электростатический вольтметр состоит из неподвижного электрода, представляющего собой металлическую камеру, подвижного алюминиевого электрода в форме пластинки закрепленного на оси, противодействующей спиральной пружины или системы растяжек, системы быстрого успокоения использующей постоянный магнит и светового указателя.

Измеряемое напряжение подводится одним полюсом к неподвижному электроду, а другим к подвижному электроду. Подвижный и неподвижный электроды заряжаются противоположными по знаку зарядами, и возникающая сила притяжения втягивает подвижный электрод внутрь неподвижного. Противодействующий механический момент создается упругими силами спиральной пружины или системы растяжек.

В электростатических приборах моменты, действующие на подвижную часть малы, поэтому для отсчета показаний прибора пользуются световым лучом, отраженным от небольшого легкого зеркальца, укрепленного на оси.

Угол поворота подвижного электрода зависит как от квадрата напряжения, так и от изменения емкости, поэтому шкала электростатического прибора неравномерная, квадратичная. Подбор размеров и формы электродов позволяет получить зависимость емкости от угла поворота постоянной.

Квадратичная зависимость угла поворота подвижного электрода от напряжения позволяет применять такие приборы для измерения не только постоянного напряжения, но и напряжения переменного тока (до частоты прядка 30МГц).

Электростатические приборы имеют малую входную емкость и высокое сопротивление изоляции; поэтому измерение постоянного напряжения происходит практически без потребления мощности самим прибором и с очень малым потреблением мощности при измерении переменного напряжения.

Электростатические вольтметры применяются для измерений высоких напряжений постоянного, а также переменного токов, причем при измерении высокого напряжения переменного тока не требуется применения специальных измерительных трансформаторов.

Электронные приборы

Приборы такой системы содержат одну или несколько электронных ламп и измерительный прибор магнитоэлектрической системы, соединенных в схему позволяющую производить измерения электрических величин(Ламповый милливольтметр В3–38Б рис.15).

Электронные приборы обладают большим входным сопротивлением, выдерживают достаточно большие перегрузки, но имеют малую точность измерений.

Цифровые измерительные приборы

В цифровых измерительных приборах (относятся к электронным приборам) непрерывно измеряемая величина или её аналог, то есть физическая величина, пропорциональная измеряемой, преобразуется в дискретную форму и результат измерения выводится в виде числа, появляющегося на отсчетном или цифропечатающем устройстве.

Достоинствами цифровых измерительных приборов являются: возможность измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов без дополнительных устройств; быстродействие и устойчивость к помехам. Наличие цифрового отсчетного устройства исключает погрешность отсчета измеряемой величины.

Примером многопредельного комбинированного универсального цифрового полупроводникового прибора является вольтметр В7–22А рис.16. Данный прибор используется в цепях как постоянного, так и переменного токов для измерения напряжения, силы тока и сопротивления в широких пределах.

На передней панели полупроводникового вольтметра В7–22А расположены кнопки, нажатием которых, можно выбрать диапазон измерения (например, от 0 до 0,2; от 0 до 2; от 0 до 20 и т.д.) и измеряемую физическую величину (например, напряжение V в вольтах, силу тока mA в миллиамперах, сопротивление kΩ в килоомах).

Многопредельные приборы

Измерительный прибор, электрическую схему которого можно переключать для изменения интервалов измеряемой физической величины, называется многопредельным (рис.17). В случае амперметров изменение пределов измерений достигается включением различных дополнительных сопротивлений называемых шунтами (рис.18а), в случае вольтметров – включением добавочных сопротивлений (рис.18б) расположенных внутри многопредельного прибора.

Применение многопредельных приборов связано с тем, что часто требуется измерять электрические величины в очень широких пределах с достаточной степенью точности в каждом интервале (электромеханические приборы обеспечивают высокую точность, если снимаемые показания находятся в третьей четверти шкалы ). В этом случае многопредельный прибор заменяет несколько однотипных приборов с различными пределами измерения.

Например, при снятии анодных характеристик ламповых и полупроводниковых диодов величина анодного тока, в зависимости от анодного напряжения, может изменяться в пределах от 0 до 5А. Если измерения производить прибором (рис.17), шкала которого рассчитана на 5А, то небольшие токи будут измерены таким прибором с большой погрешностью.

Шкала прибора;

Зеркало, позволяющее исключить погрешность параллакса;

Переключатель пределов измерений;

Клеммы, предназначенные для подключения прибора в электрическую цепь.

Пусть класс точности прибора γ=0,5. Тогда абсолютная погрешность определится из условия:

.

При измерении тока в 4А относительная погрешность составит

.

Если измерить тем же прибором в данном пределе ток в 0,8А, то относительная погрешность возрастет в 5 раз

.

В таких случаях многопредельные приборы переключают на меньший предел измерения, чтобы стрелка отклонилась на максимальный угол, но не выходила за пределы шкалы, то есть прибор следует включить так, чтобы относительная погрешность измерения была минимальной.

Многопредельные приборы снабжаются несколькими шкалами. В этом случае отсчет производится по шкале, соответствующей включению прибора. Если многопредельный прибор имеет одну шкалу, то нахождение измеряемой величины связано с пересчетом. Пересчет состоит в определении переводного коэффициента, которым является цена деления шкалы для данного предела измерений, на который следует умножить отсчет по прибору для того, чтобы получить значение измеряемой величины в соответствующих единицах.

Например, если переключатель измерения силы тока установлен в пределах от 0 до 5А (рис.17) то цена деления прибора равна

.

В этом случае если стрелка прибора расположена на 41 делении, то сила измеряемого тока равна 41·0,1 = 4,1А.

Если переключатель измерения силы тока установлен в пределах от 0 до 2,5А то цена деления прибора равна

.

В этом случае если стрелка прибора расположена на 41 делении, то сила измеряемого тока равна 41·0,05 = 2,05А.

Если переключатель измерения силы тока установлен в пределах от 0 до 1А, то цена деления прибора равна

.

В этом случае если стрелка прибора расположена на 41 делении, то сила измеряемого тока равна 41·0,02 = 0,82А.

Наряду с электромеханическими, электронными и цифровыми приборами в лабораторных работах широко используются электронные осциллографы, генераторы сигналов звуковой частоты, блоки питания, реостаты, потенциометры, магазины сопротивлений, добавочные сопротивления и шунты.

Электронный осциллограф

Электронный осциллограф – прибор для графического изображения функциональной зависимости между двумя или более величинами, характеризующими какой–либо физический процесс.

Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ состоит из стеклянного болона, из которого выкачан воздух до давления порядка 10 -8 мм.рт.ст. рис.19.

Источником электронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Фокусирующий цилиндр 3, регулирует количество вылетающих в единицу времени электронов, то есть яркость пятна на экране. Потенциал фокусирующего цилиндра отрицательный, его иначе называют управляющим электродом. Аноды 4 и 5 ускоряют и фокусируют электроны, концентрируют их в узкий пучок. Подогреватель 1, катод 2, фокусирующий цилиндр 3 и оба анода 4 и 5 образуют так называемую электронную пушку, а фокусирующий цилиндр 3 и система анодов 4 и 5 фокусирующую систему. Выходя из второго анода, электронный пучок проходит между двумя парами пластин 6 и 7 – это вертикально и горизонтально отклоняющие пластины. Между катодом и первым анодом приложено напряжение порядка 10 3 В, электроны ускоряются. Второй анод имеет потенциал выше первого и фокусирует электроны. Между катодом и вторым анодом напряжение составляет 2…5 кВ.

На передней панели электронного осциллографа С1–68 (рис.20) расположены управляющие лучом устройства, позволяющие регулировать фокус, яркость, синхронизировать исследуемый сигнал, перемещать луч вдоль оси Х и Y.

Генераторы сигналов звуковой частоты

Генератор сигналов низкочастотный Г3–109 представляет собой источник переменного напряжения звуковой частоты в пределах от 17,7 до 200000 Гц (рис.21).

На передней панели звукового генератора находится:

Тумблер подключения прибора к сети “вкл.” – “откл.”.

Вольтметр на выходе генератора является индикатором напряжения (Регулятор амплитуды напряжения грубой и тонкой настройки).

Ручка переключения предела частот (множитель частоты) на четыре положения:

17,7–200 Гц; 177–2000 Гц; 1770–200000 Гц.

Лимб со шкалой (главный регулятор частоты), поворачивая который избирается нужная частота.

Клеммы – выход звукового генератора, к которым подключается нагрузка.