Краткие теоретические сведения. Федеральное агентство по рыболовству

В зависимости от способа, который используется для сравнения измеряемой величины с единицей измерения, электроизмерительные приборы подразделяются на приборы непосредственной оценки (вольтметр) и приборы сравнения, служащие для сравнения измеряемой величины с известными, которые иногда монтируются в прибор (мост для измерения сопротивления).

По способу получения отсчета измерительные приборы подразделяются на приборы с непосредственным отсчетом, управляемым отсчетом и самопишущие.

Электроизмерительные приборы классифицируются по роду измеряемой величины: амперметр, вольтметр и т. д.

Классификация по роду тока: приборы постоянного, переменного, постоянно – переменного тока.

Приборы с непосредственным отсчетом, кроме того, подразделяются

по принципу действия в зависимости от системы: приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической систем; цифровые и т.д.

по степени точности: приборы классов (см. ниже) точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 .

1.1. Краткое описание приборов и их принципа действия

Магнитоэлектрическая система

Принцип работы основан на взаимодействии тока, протекающего по обмотке подвижной катушки, с магнитным полем постоянного магнита.

Основные детали: постоянный магнит и подвижная катушка (рамка), по которой проходит ток, пружины (рис. 1).

При прохождении тока через рамку возникает вращающий момент, под действием которого подвижная часть прибора поворачивается вокруг своей оси на некоторый угол φ.

Вращающий момент приборов магнитоэлектрической системы прямо пропорционален силе тока:

,

где: k₁= B · S · n, B – магнитная индукция поля постоянного магнита, S – площадь катушки, n – число витков катушки.

Противодействующий момент создается спиральными пружинами и пропорционален углу поворота рамки:

где k₂ - коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины.

При равновесии подвижной части прибора вращающий момент равен противодействующему. Из этого условия равновесия для приборов магнитоэлектрической системы φ ∼ I, и поэтому их шкалы равномерны.

Рис. 1.

Электромагнитная система

Принцип работы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки с сердечником из ферромагнитного материала, внесенного в это поле.

Вращающий момент в электромагнитных измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которого протекает измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, обычно составляющими подвижную часть механизма.

Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален квадрату силы тока:

,

где – коэффициент, зависящий от числа витков катушки, материала, формы сердечника и его положения относительно подвижной части.

Наибольшее применение получили три конструкции измерительных механизмов: а) с плоской катушкой, б) с круглой катушкой, в) с замкнутым магнитопроводом.

Рис.2.

Рис.3.

При равновесии подвижной части прибора угол поворота оказывается пропорционален квадрату тока. Вследствие этого шкала приборов электромагнитной системы неравномерна (Рис.3). Вследствие квадратичной зависимости направление отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока, и, следовательно, могут применяться в цепях как постоянного, так и переменного токов.

Электродинамическая система

Принцип работы основан на взаимодействии двух катушек (рамок), по которым течет ток. Одна из них неподвижна, а другая подвижна. Перемещение катушек относительно друг друга обусловливается тем, что проводники, по которым протекают токи одного направления, притягиваются, а с токами противоположных направлений – отталкиваются.

Вращающий момент, действующий на подвижную катушку, пропорционален произведению силы тока в подвижной и неподвижной катушках:

,

где – коэффициент, зависящий от числа витков катушек, размеров и формы катушек и их взаимного расположения. Из условия равновесия несложно определить, что угол поворота стрелки пропорционален токам, протекающим через катушки и шкалы амперметра и вольтметра электродинамической системы неравномерны, а для ваттметров равномерны.

Электростатическая система

Принцип работы основан на действии электростатического поля, созданного между двумя неподвижными электродами, на подвижный электрод.

Когда к неподвижным электродам приложено напряжение, подвижный электрод стремится расположиться так, чтобы электроемкость была наибольшей, вследствие чего подвижная часть отклоняется от первоначального положения. Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален квадрату напряжения. Вследствие этого шкала приборов электростатической системы неравномерна.

Цифровые измерительные приборы

Рис. 4.

Цифровой амперметр можно реализовать установив на входе цифрового вольтметр калиброванный резистор небольшой величины, через который протекает измеряемый ток. Падение напряжения на входном резисторе, пропорциональное протекающему току, измеряется цифровым вольтметром, табло которого соответствующим образом градуируется.

1.2. Общие элементы приборов

Шкала

Шкала обычно представляет собой светлую поверхность с черными делениями и цифрами, соответствующими определенным значениям измеряемой величины. Форма шкалы зависит от конструкции прибора, класса точности и ряда других факторов.

На шкале каждого прибора наносятся следующие обозначения:

· Обозначение единицы измеряемой величины.

· Условное обозначение системы прибора (или принципа действия прибора).

· Обозначение класса точности прибора.

· Условное обозначение положения прибора.

· Условное обозначение степени защищенности от магнитных и других влияний.

· Величина испытательного напряжения изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу.

· Год выпуска и заводской номер.

· Обозначение рода тока.

· Тип прибора.

Значение силы тока, соответствующее определенным значениям напряжения, и значения напряжения, соответствующие определенным значениям силы тока.

Указатель

Может быть выполнен в виде стрелки или светового пятна с темной нитью посередине. По форме стрелки бывают нитевидными, ножевидными и копьевидными.

2. Общие свойства приборов

2.1. Классы точности электроизмерительных приборов

Главная черта электроизмерительного прибора - это степень точности, с которой им можно измерять. По степени точности измерения электроизмерительные приборы делят на классы точности. Класс точности обуславливается в зависимости от допустимой меры погрешности прибора, вызванной устройством прибора.

Для оценки точности электроизмерительных приборов служит приведенная погрешность, определяемая следующим выражением:

,

где – номинальное значение шкалы прибора, т.е. максимальное значение шкалы на выбранном пределе измерения прибора. Приведенная погрешность определяет класс точности прибора.

Числа, указывающие класс точности прибора , обозначают наибольшую допустимую приведенную погрешность в процентах . Т.е. при нормальной эксплуатации максимальное значение приведенной погрешности не должно превышать класс точности.

Пример: амперметр имеет предел измерения . Если максимальная абсолютная погрешность прибора ±0,05 А, то приведенная погрешность равна , а класс точности прибора (или наибольшая допускаемая приведенная погрешность) равен

.

На приборе данный класс точности обозначен цифрой 1. Эта погрешность характеризует только точность самого прибора, но не точность измерения.

Пример расчета погрешности измерений по классу точности прибора

где – класс точности, – абсолютная погрешность при измерении на данном пределе, – предельное значение силы тока, – измеряемая величина тока, - относительная погрешность измерения.

Пусть ; . Тогда:

.

В настоящее время электроизмерительным приборам в соответствии со стандартом присвоено девять классов точности: 0,01; 0,02; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Приборы классов точности от 0,01 до 0,5 включительно называются прецизионными и используются для точных лабораторных исследований. Приборы классов точности от 1,0 до 4,0 включительно – технические, выше 4,0 – внеклассовые.

Для повышения точности измерения стрелочным электроизмерительным прибором надо выбирать прибор с такой шкалой, чтобы в процессе измерения располагались во второй половине шкалы прибора.

2.2. Цена деления шкалы

Шкалы приборов имеют деления. Для перевода числа делений в единицы измеряемой величины необходимо отсчет по шкале умножить на цену деления шкалы для данного предела измерения.

Цена деления – это число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы.

Чтобы определить цену деления шкалы, нужно предел измерения прибора разделить на общее число делений шкалы.

Пример: предельное значение силы тока , шкала амперметра имеет 150 делений. В этом случае цена деления шкалы:

.

2.3. Определение внутреннего сопротивления прибора

При некоторых измерениях необходимо учитывать или подбирать определенное значение внутреннего сопротивления.

Чтобы определить внутреннее сопротивление прибора, пользуются данными, приведенными на шкале прибора: для вольтметра – силой тока, соответствующей пределу вольтметра, для амперметра – падением напряжения, соответствующему пределу амперметра.

Расчет внутреннего сопротивления прибора производится по закону Ома для участка цепи:

Пример: Допустим, на шкале прибора имеется следующая таблица:

mA	0,15	0,3	0,6-1,5	6-60
mV

 

 

Предельное значение амперметра , которому соответствует напряжение на шкале прибора .

Тогда внутреннее сопротивление амперметра на пределе измерения , равно:

.

Условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы

Обозначения принципа действия прибора

 

Магнитоэлектрический с подвижной рамкой
Электромагнитный
Электродинамический
Электростатический

 

Обозначения тока

Постоянный
Переменный однофазный
Постоянный и переменный

Обозначения положения прибора

Горизонтальное положение шкалы
Вертикальное положение шкалы
Наклонное положение шкалы под углом к горизонту

Обозначения единиц измерения физических величин

1. Ампер - A	10. Микроом – мкОм
2. Миллиампер – мА	11. Фарада – Ф
3. Микроампер – мкА	12. Микрофарад – мкФ
4. Вольт – B	13. Нанофарад - нФ
5. Киловольт – кВ	14. Пикофарад – пФ
6. Милливольт – мВ	15. Генри – Гн
7. Ом – Ом	16. Миллигенри – мГн
8. Мегаом – МОм	17. Микрогенри – мкГн
9. Килоом – кОм	18. Тесла – Тл