 |
Электрическая цепь. Типы электроизмерительных приборов
|
|
|
|
Электрические величины, такие как сила тока, напряжение, сопротивление, ЭДС и т.п., непосредственно наблюдателями не воспринимаются. Поэтому в электроизмерительных приборах исследуемая величина преобразуется в другую, связанную с ней функциональной зависимостью и доступную для непосредственного восприятия наблюдателем. Электроизмерительные приборы весьма разнообразны по своему принципу действия и конструкции. Поэтому, сначала рассмотрим основные элементы электрической цепи, а затем основные типы электроизмерительных приборов.
Электрическая цепь состоит из: источника тока, потребителей тока, регулирующей аппаратуры и электроизмерительных приборов, соединенных проводами. Соединение трех и более проводников называется узлом электрической цепи. Электрическая цепь, содержащая узлы, называется разветвленной. Графическое изображение элементов электрической цепи и их соединение называется схемой цепи. Основные обозначения электрической цепи приведены в таб. 11.
Таблица 11
| пересечение проводов |
| соединение проводов |
| зажим (клемма) |
| электрическая лампа |
| ключ (выключатель) |
| резистор |
| реостат (переменный резистор) |
| конденсатор |
| катушка индуктивности |
| гальванический элемент |
| амперметр |
| вольтметр |
Электроизмерительные приборы подразделяют на амперметры (измерители тока), вольтметры (измерители напряжения), ваттметры (измерители мощности), омметры (измерители сопротивления), частотомеры (измерители частоты переменного тока), счетчики электрической энергии и др.
В зависимости от принципа действия, положенного в основу устройства измерительного механизма, электроизмерительные приборы, относятся к различным системам: магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, тепловой, индукционной и др. Приборы каждой их этих систем имеют свои условные обозначения, которые обычно изображены на шкалах электроизмерительных приборов (табл. 12).
|
|
|
Таблица 12
| постоянный ток, постоянное напряжение |
| переменный ток, переменное напряжение |
| прибор магнитоэлектрической системы |
| прибор электромагнитной системы |
| изоляция прибора выдерживает напряжение 2 кВ |
| горизонтальная установка прибора |
| вертикальная установка прибора |
| класс точности |
| прибор электродинамической системы |
 
| прибор ферродинамической системы |
| прибор электростатической системы |
| прибор индукционной системы |
| тепловой прибор (с нагреваемой проволокой) |
Наиболее часто используют следующие системы электроизмерительных приборов.
Магнитоэлектрическая – применяется в амперметрах и вольтметрах постоянного тока всех классов точности, а в сочетании с различными выпрямляющими и преобразующими устройствами и для переменного тока. Приборы этой системы состоят из постоянного магнита, в кольцевом зазоре которого помещена рамка, через которую протекает ток. Возникающий при этом момент силы Ампера поворачивает рамку, преодолевая сопротивление пружинки или скручивающего подвеса на определенный угол (рис. 15).
|
Рис. 15. Схема устройства магнитоэлектрического прибора:
1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – полюсные наконечники;
4 – подвижная рамка; 5 – сердечник; 6 – магнитный шунт для регулировки
чувствительности прибора; 7 – растяжки; 8 – опоры; 9 – стрелка-указатель
|
|
Рис. 16. Схема устройства электромагнитного измерительного прибора:
|
|
|
1 – катушка; 2 – ферромагнитный сердечник; 3 – ось;
4 – стрелка-указатель; 5 – шкала; 6 –пружина
|
Рис. 17. Схема устройства электродинамического измерительного прибора (электродинамический ваттметр):
1 – катушка; 2 – катушка (подвижная); 3 – стрелка-указатель; 4 – пружина
|
Рис. 18. Схема устройства электростатического измерительного прибора:
1 – подвижные пластины; 2 – неподвижные пластины; 3 – ось;
4 – пружина; 5 – стрелка-указатель; 6 – шкала
|
Рис. 19. Схема устройства теплового измерительного прибора:
1 – нить с большим коэффициентом температурного расширения; 2 – проволока;
3 – стрелка-указатель; 4 – барабан; 5 – пружина; 7, 6 – система оттяжек нити
Электромагнитная – применяется в амперметрах и вольтметрах для измерения переменного тока невысокой частоты.
Приборы этой системы состоят из катушки, куда при пропускании через нее тока втягивается ферромагнитный сердечник, который поворачивает стрелку, преодолевая сопротивление спиральной пружины (рис. 16).
Электродинамическая – приборы этой системы применяются для измерений класса точности 0,1; 0,2; 0,5. Однако они чувствительны к перегрузкам и потребляют относительно большую мощность.
Механизм прибора состоит из двух катушек: неподвижной и подвижной. При взаимодействии протекающих по катушкам токов подвижная катушка поворачивается на некоторый угол, преодолевая сопротивление спиральной пружины (рис. 17).
Электростатическая – применяется для измерения постоянного и переменного напряжений от 10 В до 75 кВ Принцип действия прибора основан на перемещении подвижных пластин, в результате которого происходит взаимодействие электрически заряженных пластин (проводников), разделенных диэлектриками. При перемещении подвижных пластин изменяется ёмкость между пластинами вследствие изменения их площади или расстояния между ними.
В приборах, с изменяющейся площадью пластин, при включении в измеряемую цепь, неподвижные пластины заряжаются одноименными зарядами, а подвижные – зарядом противоположного знака. Под действием сил электрического поля, подвижные пластины притягивается к неподвижным, поворачивается на оси и входят в зазор между ними, перемещая стрелку вдоль шкалы. Шкала прибора квадратична (рис. 18).
|
|
|
Электронная – использует электронные лампы или транзисторы. На выходе такого прибора устанавливается магнитоэлектрический прибор или цифровой электроизмерительный прибор, показания которого считываются со специальных цифровых (ламповых или светодиодных) индикаторов.
Достоинства таких приборов – малое потребление мощности измеряемой схемы, широкая полоса частот.
Тепловая – основана на тепловом действии тока. Удлинение нити за счет нагревания через систему оттяжек вызывает отклонение стрелки (рис. 19).
Приборная погрешность
Приборной погрешностью будем называть случайную ошибку, обусловленную измерительными приборами и приспособлениями.
Основными характеристиками измерительных приборов являются предел измерения и цена деления, а также – главным образом для электроизмерительных приборов – класс точности.
Предел измерения 
– это максимальное значение величины, которое может быть измерено с помощью данной шкалы прибора. Если предел измерения не указан отдельно, то его определяют по оцифровке шкалы. Так, если рис. 20 изображает шкалу миллиамперметра, то его предел измерения равен 100 мА.
Цена деления 
– значение измеряемой величины, соответствующее самому малому делению шкалы. Если шкала начинается с нуля, то
, (8.1)
где 
– общее количество делений (например, на рис. 20 
). Если эта шкала принадлежит к миллиамперметру с пределом измерения 100 мА, то цена деления равна 
.
Приборные погрешности вызываются несовершенством конструкции и неточностью изготовления измерительных приборов (например, небольшое различие в длинах плеч рычажных весов, несовпадение в стрелочном приборе центра шкалы с осью вращения стрелки, изменение хода ручного секундомера при изменении температуры и т.п.). Уменьшение приборной погрешности достигается применением более совершенных и точных приборов. Однако полностью устранить приборную погрешность невозможно.
|
|
|
В зависимости от вида измерительного устройства приборная погрешность определяется одним из нижеперечисленных способов.
1. Погрешность указана непосредственно на приборе. Так на микрометре есть надпись «0,01 мм». Если с помощью этого прибора измеряется, например, диаметр шарика 
, то погрешность его измерения 
.
2. На приборе не указаны ни приборная погрешность, ни класс точности, то в зависимости от характера работы прибора возможны два способа ее определения:
а) указатель значения измеряемой величины может занимать только определенные (дискретные) положения, соответствующие делениям шкалы (например, электронные часы, счетчики импульсов и т.п.). Такие приборы являются приборами дискретного действия, и их приборная погрешность равна цене деления шкалы: 
. Так, при измерении промежутка времени 
секундомером с ценой деления 0,2 с погрешность 
.
б) указатель значения измеряемой величины может занимать любое положение на шкале (линейки, стрелочные весы, термометры и т.п.). В этом случае приборная погрешность равна половине цены деления шкалы 
.
3. Если какая-либо величина не измеряется в данном опыте, а была измерена независимо и известно лишь ее значение, то она является заданным параметром. Погрешность заданного параметра принимается равной половине единицы последнего разряда числа, которым задано значение этого параметра. Например, если радиус капилляра 
задан с точностью до сотых долей миллиметра, то его погрешность 
.
4. Для приборов с цифровым отсчетом измеряемых величин метод вычисления погрешности приводится в паспортных данных прибора. Если эти данные отсутствуют, то в качестве приборной погрешности принимается значение, равное половине последнего цифрового разряда индикатора.
Класс точности прибора
Одной из важнейших характеристик электроизмерительных приборов является класс точности. Отношение максимально возможного значения абсолютной погрешности 
к максимальному значению измеряемой величины 
, выраженное в процентах, называется приведенной погрешностью прибора
. (8.2)
По приведенной погрешности электроизмерительные приборы делятся на восемь классов точности:
0,05 и 0,1 – эталонные
0,2 и 0,5 – лабораторные
1,0; 1,5; 2,5 – технические
4,0 – индикаторные
При отклонении стрелки на всю шкалу граница относительной погрешности прибора равна приведенной погрешности. При измерении меньших значений измеряемой величины относительная погрешность измерения превышает приведенную погрешность.
Пример 1. Вольтметр класса точности 
со шкалой до 200 В показал значение 50 В. Найти абсолютную и относительную погрешность измерения. Пользуясь формулой (8.2), находим
|
|
|
.
Относительная погрешность измерения
.
Многопредельные приборы
Прибор, электрическую схему которого можно изменять для того, чтобы перекрыть широкий диапазон измеряемой величины, называют многопредельным. Например, для амперметров изменение пределов измерения производится за счет включения различных шунтов, для вольтметров – за счет включения делителей напряжения.
Шунты используют для уменьшения силы тока, протекающего через амперметр, в определенное число раз. Такая задача возникает в том случае, если диапазон показаний амперметра меньше диапазона ожидаемого изменения измеряемого тока. Шунт представляет собой сопротивление, включаемое параллельно прибору, как показано на рис. 21.
Если сопротивление шунта
,
где 
– сопротивление амперметра, а 
– коэффициент шунтирования, то ток 
в 
– раз меньше тока 
.
Делители напряжения применяют для уменьшения напряжения, подаваемого на вольтметр в определенное число раз. В зависимости от рода напряжения они могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное, емкостное или индуктивное сопротивления. Для увеличения верхнего предела вольтметра, имеющего внутреннее сопротивление 
, применяют добавочные сопротивления, включаемые последовательно с вольтметром.
Добавочное сопротивление определяют по формуле
, (8.3)
где 
– измеряемое напряжение, – внутреннее сопротивление вольтметра.
Появление многопредельных приборов связано с тем обстоятельством, что часто требуется измерять электрические величины в широких пределах с достаточной степенью точности в каждом интервале. В этом случае многопредельный прибор заменяет несколько однотипных приборов с различными интервалами измерения.
Пример 2. При снятии анодных характеристик вакуумного триода величина анодного тока в зависимости от анодного напряжения (при постоянном потенциале сетки) может изменяться в пределах от 0 до 30 мА. Если измерения производить прибором, шкала которого рассчитана на 30 мА (т.е. 
), то небольшие токи будут измерены таким прибором с большой погрешностью
Действительно, пусть класс точности прибора 
. Тогда абсолютная погрешность измерения определяется как
.
Она остается постоянной для любого измерения величины тока в диапазоне 
. Относительная погрешность, даваемая прибором, при измерении тока в 21 мА
,
а если измерять прибором ток в 1 мА на выбранном диапазоне , то абсолютная погрешность измерения будет того же порядка, но относительная погрешность
.
В приведенном случае следует переключить многопредельный прибор на диапазон, верхнее значение которого будет меньше предыдущего. Выбор диапазона определяется отклонением стрелки: стрелка должна отклоняться на максимальный угол, но не выходить за пределы шкалы. Таким образом, многопредельный прибор следует включать так, чтобы относительная погрешность измерения была как можно меньше.
Часто многопредельные приборы имеют одну шкалу. В таких случаях нахождение измеряемой величины связано с пересчетом. Пересчет состоит в определения переводного коэффициента, на который следует умножить отсчет по прибору для того, чтобы получить значение измеряемой величины в соответствующих единицах.
Переводной коэффициент равен
, (8.4)
где – диапазон измерений, т.е. максимальное значение величины, которое можно измерить при данном включении прибора, –наибольшее целое число делений шкалы.
Пример 3. Миллиамперметр, имеющий 300 делений, подобраны шунты таким образом, что при различных включениях он позволяет измерять ток в трех диапазонах: 0-3 мА, 0-9 мА и 0-30 мА. Пусть прибор, включенный в диапазоне 0-3 мА, дает отсчет 210 делений. Переводной коэффициент равен
измеряемая величина составляет
.
Пусть при измерении тока в диапазоне 0-9 мА отсчет по прибору также равен 210 делениям, Тогда
.
|
|
|
