Какие приборы служат для измерения электрических и магнитных величин

Магнитоэлектрические (МЭ) измерительные приборы

Принцип действия МЭ приборов (рисунок 16 и 17.) основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника, по которому протекает измеряемый ток.

Эти приборы работают в цепях постоянного тока.

Одним из основных уравнений, показывающих принцип работы аналоговых приборов, является уравнение шкалы, связывающее угол отклонения подвижной части с измеряемой величиной

б — угол отклонения стрелки;

В — магнитная индукция в воздушном зазоре;

S — площадь сечения рамки;

W- удельный противодействующий момент пружины;

щ — количество витков в рамке.

I — измеряемый ток.

Рисунок 16 — Структурная схема МЭ прибора

1- Постоянный магнит;

2- Рамка с током;

5- Шкала прибора

Анализируя данную формулу, видим, что ток, проходящий через катушку измеряется в первой степени, а это значит, что прибор МЭ системы реагирует на полярность включения в цепь.

Рисунок 17 — Устройство магнитоэлектрического прибора

На рисунке 17 показано устройство МЭ прибора с подвижным магнитом. Существует множество конструкций и типов МЭ приборов (около 30), причем как с внутренним, так и с наружным магнитопроводом из ферромагнитного материала — электротрансформаторной стали. Магнит литой. Ось — дюралюминиевая. Окончание оси — керн из спецсплава. Подпятник — агат, корунд, сапфир, рубин. Рамка изготавливается из тонкого медного или алюминиевого провода, который навивают на изолированный каркас, но бывают и бескаркасные рамки. Противодействующая пружина прибора состоит из фосфористой бронзы. Если этим прибором нужно измерить большой ток, то его необходимо включить параллельно шунту.

Достоинства: из-за того, что в конструкцию входит постоянный магнит, его собственное поле велико, поэтому на МЭ приборы внешние магнитные поля оказывают малое влияние. МЭ приборы обладают высоким классом точности, высокой чувствительностью. Шкала МЭ приборов равномерна. МЭ приборы являются самыми точными из всех аналоговых приборов. Недостатки: приборы предназначены только для измерения на постоянном токе. У них относительно сложная конструкция (крупногабаритные), низкая надежность, высокая цена, низкая перегрузочная способность из-за того, что измеряемая величина (ток) подводится к рамке непосредственно, через пружины или растяжки.

Приборы для измерения магнитных величин

Электрические явления неразрывно связаны с магнитными. Свойства ферромагнитных материалов широко используются в электротехнике, накладывая отпечаток на качество и характеристики электрических машин, аппаратов, приборов. Конструктор электроприборов не может обойтись без измерения магнитных величин (магнитного потока, магнитной индукции и т.д.), необходимых для изучения свойств ферромагнитных материалов. При изучении этих свойств и этих материалов нас интересует, во-первых, кривая намагничивания и петля Гистерезиса, во-вторых, величина потерь в стали при циклическом перемагничивании. Весьма важным так же является изучение свойств постоянных магнитов в связи с развитием приборостроения и производством электрооборудования, например для автомобильной, тракторной, авиационной, медицинской, космической промышленности, где постоянные магниты находят широкое применение. Магнитные величины можно определять с помощью различных методов, используя приборы веберметр, коэрцетиметр, феррометр,магнитометр, милиивеберметр, гистерезиметр, феррозонд, и др. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла , связывающее магнитное поле с полем электрическим, которые являются двумя проявлениями особого вида материи, именуемого электромагнитным полем. Рассмотрим работу флюксметра.

Для исследования магнитных полей, и особенно постоянных магнитов, часто применяется прибор флюксметр. Флюксметр представляет собой разновидность гальванометра магнитоэлектрической системы с ничтожно малым противодействующим моментом. На рисунке 18 дана схема флюксметра. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и стальным цилиндром на полуосях расположена подвижная рамка А флюксметра. На одной из полуосей укреплена указательная стрелка. Принцип работы флюксметра основан на установленном свойстве магнитного потока замкнутого контура в стремлении сохранять неизменной свою величину. Если к рамке флюксметра присоединить надетую на постоянный магнит измерительную катушку В (переключатель П в положении И), а затем быстро сдернуть ее с магнита, то в замкнутом контуре «измерительная катушка — рамка флюксметра произойдет уменьшение потокосцепления. Согласно сказанному выше это уменьшение магнитного потока, сцепленного с измерительной катушкой (контуром) вызовет поворот рамки флюксметра на угол а, при котором произойдет увеличение потокосцепления рамки флюксметра, компенсирующее уменьшение потокосцепления измерительной катушки.

Так как магнитное поле, в котором находится рамка, радиально-равномерное, то изменение потокосцепления его рамки определяется по формуле,

где С — постоянная флюксметра, равная 10000мкс/дел; а — число делений шкалы, определяющее угол поворота подвижной части флюксметра.

Рисунок 18 — Принципиальная схема флюксметра

Использование гальваномагнитных эффектов. Для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в настоящее время используют эффект Холла и эффект Гаусса.

В приборе, реализующем эффект Холла, преобразователь представляет собой пластинку из полупроводника, по которой протекает ток I. При помещении этой пластинки в магнитное поле на боковых гранях ее возникает разность потенциалов — э. д. с. Холла Е.

Принципиальная схема прибора для измерения магнитной индукции, основанного на эффекте Холла, приведена на рисунке 19 . Обозначение на схеме: ПХ — преобразователь Холла; У — усилитель; И — указывающий прибор. Величина э. д. с. Холла связана с магнитной индукцией и током следующим соотношением:

Где Е — э. д. с. Холла; I — сила тока; В — магнитная индукция (вектор ее должен быть перпендикулярен плоскости пластинки, либо будет измерена лишь нормальная составляющая вектора В); Rх — постоянная Холла; h — толщина пластинки.

В качестве материалов для преобразователей Холла используют германий, сурьмянистый индий и другие полупроводниковые материалы. Э. д. с. Холла обычно невелика. Так, например, чувствительность преобразователей из мышьяковистого индия колеблется в пределах от 3* 105 до 8 * 106 мкВ/(А * Т), то есть э. д. с.

Холла, возникающая на боковых гранях пластинки с током в 1А при помещении ее в поле с магнитной индукцией 1 Т, составляет от 3-105до8-106 мкВ. Поэтому в схеме прибора целесообразно (а иногда просто необходимо) использование усилителя. Для повышения точности в приборах, основанных на эффекте Холла, часто используется компенсационный метод измерения. Приборы, использующие эффект Холла, находят все более широкое распространение, так как они обладают рядом положительных свойств. Достаточно просты, имеют удовлетворительную точность — 1,0-3,0% (специальными мерами точность может быть доведена до 0,05%), позволяют измерять магнитную индукцию или напряженность в постоянных, переменных (в широком диапазоне частот) и импульсных магнитных полях. Измерительные преобразователи имеют малые размеры, что позволяет проводить измерение индукции в узких зазорах.

Одним из недостатков преобразователей Холла является значительная зависимость э. д. с. Холла от температуры. Для устранения этого явления термостатируют преобразователи либо применяют схемы температурной компенсации. Кроме того, ведется работа по улучшению характеристик преобразователей. В настоящее время уже получены образцы термостабильных преобразователей Холла с дрейфом нулевого сигнала не более 1 мкВ/°С и высокой чувствительностью порядка 2,5 В/(А-Т). В настоящее время известно значительное количество модификаций приборов, в которых использован эффект Холла.

Рисунок 20 — Микровеберметр Ф199

Любой прибор для измерения магнитных величин состоит из двух частей — измерительного преобразователя, назначением которого является преобразование магнитной величины в электрическую, и измерительного устройства для измерения этой величины. Основой для создания измерительных преобразователей магнитных величин служат разные физические явления, но главное — явление электромагнитной индукции. Вторая часть прибора для измерения магнитных величин может быть либо обычным прибором для измерения той или иной электрической величины, либо прибором со специальными характеристиками. В приборах и способах, использующих явление электромагнитной индукции, измерительным преобразователем служит катушка, витки которой сцепляются с магнитным потоком Ф (измеряется в Веберах). Катушки являются измерительным преобразователем, с помощью которого магнитные величины — магнитная индукция В, магнитный поток Ф, напряжённость магнитного поля Н — могут быть преобразованы в электрическую величину — ЭДС. В практике магнитных измерений подобные катушки называют измерительными катушками.

Прибор Микровебрметр Ф199 (рисунок 20) предназначен для измерения малых постоянных магнитных потоков и индукции в зазорах магнитных цепей.

Принцип действия. Схема электрическая структурная микровебрметра приведена на рисунке 21.По принципу действия микровебрметр представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный цепью отрицательной обратной связи по производной, благодаря чему осуществляется интегрирование входного сигнала входной сигнал с катушки.

Рисунок 21 — Схема электрическая структурная микровебрметра: БП — блок питания, У — усилитель, ВК — выходной каскад, ЗУ — запоминающее устройство, ОУ — отсчетное устройство, ОС — цепь обратной связи.

Усилитель У микровебрметра представляет собой усилитель постоянного тока с двойным преобразованием — модуляцией — входного сигнала (МДМ). В модуляторе и демодуляторе применены полевые транзисторы, в тракте усиления — линейные интегральные микросхемы.

Выходной каскад ВК состоит из микросхемы. Коэффициент усиления каскада по постоянному току более 200, частотно-зависимая цепь отрицательной обратной связи обеспечивает дальнейшее подавление сигнала несущей частоты и стабилизацию режима по постоянному току.

Запоминающее устройство ЗУ состоит из микросхемы и включенной на ее входе интегрирующей цепи микросхема охвачена 100-процентной отрицательной обратной связью и работает как повторитель напряжения с высокой линейностью передаточной характеристики.

Отсчетное устройство ОУ — двухшкальный узкопрофильный со световым отсчетом М1633, класс точности 0,5, ток полного отклонения 100 мкА. Одна из шкал имеющая числовые отметки 25-0-25, используется при конечных значениях диапазонов измерения 25,250,2500 мкВб. Другая шкала имеет числовые отметки 50-0-50 и используется в остальных диапазонах. световой указатель появляется лишь на шкале, соответствующей выбранному с помощью переключателя S2 диапазону измерения. Цепь обратной связи ОС состоит из конденсатора и резистора. Благодаря этой цепи микровебрметр осуществляет интегрирование исходного сигнала. Постоянная времени цепи 500 мкс.

Цепь компенсации термо — ЭДС компенсация паразитных ЭДС во входной цепи микровеберметра (например термо — ЭДС), вызывающих сползание указателя , производится с помощью делителей напряжения и на резисторах ,питаемых от стабилизированного источника напряжением 11 В.

Блок питания. БП обеспечивает стабилизированные напряжения ±12,6 В для выходного каскада, оконечного каскада УПТ, генератора несущей частоты; 11В постоянного напряжения для питания схемы компенсации потенциальной составляющей смещения нуля модулятора и схемы компенсации паразитных ЭДС во входной цепи; 5В переменного напряжения для питания осветителей лампы отсчетного устройства.

Источник ±12,6 В состоит из двух компенсационных стабилизаторов на транзисторах, коэффициент стабилизации более 100, пульсация выходного напряжения не более 5мВ двойного амплитудного значения.

Источник 11В построен по схеме параметрического стабилизатора на стабилитронах и резисторах .входным напряжением для него является стабилизированное напряжение±12,6 В, поэтому общий коэффициент стабилизации около 2000.

Силовой трансформатор Т собран на магнитопроводе ШЛ16х32.конструкция трансформатора обеспечивает малое значение емкости и токов утечки, между первичной (сетевой) и вторичными обмотками.

Корпус микровеберметра выполнен по конструктивам АСЭТ в виде каркаса из литых кронштейнов, к которым винтами крепятся лицевая панель и задняя стенка, верхняя и нижняя крышки, боковые стенки.На нижней крышке расположена откидывающаяся скоба для установки микровеберметра в наклонном, более удобном для отсчета показаний положении.

На лицевой панели микровеберметра размещены: Отсчетное устройство (лицевая панель) микроамперметра М1633; Входной разъем, к которому подключается соединительный шнур; Галетный переключатель конечных значений диапазонов измерения 25-50-100-250-500-1000-2500 переключатель режимов работы ИЗМЕРЕНИЕ-НУЛЬ, состоящей из двух кнопок П2К с зависимой фиксацией; переключатель СЕТЬ-кнопка П2К с независимой фиксацией.

Переключатель АРР — кнопка П2К с независимой фиксацией, которая закорачивает цепь рамки микроамперметра для проверки нулевого положения указателя отсчетного устройства . при нажатой кнопке закорочена цепь рамки микроамперметра, и механическим корректором отсчетного устройства указатель устанавливается на нулевую отметку;

Монтаж микроввебрметра выполнен в основном печатным способом. на общей печатной плате- основании- смонтированным источники питания , выходной каскад. К ней крепится так же усилитель , катушки сопротивления из манганинового провода на керамических каркасах.

Усилитель У выполнен в виде отдельного блока, состоящего из нескольких печатных плат, экранированных друг от друга, и закрыт алюминиевым экраном. Регулирующие транзисторы стабилизаторов напряжения ±12,6 В снабжены теплопроводящими радиаторами. Первичная и вторичная обмотки силового трансформатора размещены на отдельных каркасах, между которыми находится алюминиевый экран, уменьшающий емкость между сетевой и вторичными обмотками.

В лаборатории №218 кафедры ИИСТ успешно развивается научное направление магнитометрии. Под руководством профессоров Горбатенко Н.И, Гречихина В.В. и доцентов, к.т.н. Ланкина М.В., Шайхутдинова Д.В. аспиранты создают новейшую высокочувствительную магнито-измерительную аппаратуру, пользующуюся спросом не только в России, но и за рубежом.

Типы измерительных приборов

Измерение – это опытное определение значений конкретной физической величины с помощью специального технического средства – измерительного прибора и выражение этих значений в принятых единицах.

Технические средства, используемые при проведении электрических измерений, называются средствами электрических измерений.

Различают следующие виды средств электрических измерений:

• Измерительные информационные системы.

Меры электрических величин служат для воспроизведения электрических величин (сопротивления, индуктивности, емкости, ЭДС и др.) заданного размера. К мерам электрических величин относятся измерительные резисторы, катушки индуктивности, измерительные конденсаторы, нормальные элементы и др.

Электроизмерительный прибор – это техническое средство измерений электрических и магнитных величин: тока, напряжения, мощности, электрической энергии, магнитного потока, емкости, индуктивности, частоты и т.д., в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь – это средство электрических измерений, представляющее основную часть измерительного прибора, в котором измеряемая величина преобразуется в другую физическую величину в виде, удобном для подачи на индикаторные или регистрирующие устройства.

Электроизмерительные преобразователи делятся на две группы:

• преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, трансформаторы, усилители и др.);

• преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо- и тензорезисторы, пьезоэлектрические, электростатические, магнитоэлектрические, гальваномагнитные и др. преобразователи).

Измерительная установка – это несколько объединенных средств электрических измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте и выполняющих определенные функции, обусловленные назначением установки. При помощи таких установок производят более сложные и точные измерения, чем при помощи отдельных измерительных приборов. Электроизмерительные установки используются, например, для поверки и градуировки электроизмерительных приборов, при проведении исследований свойств проводниковых, магнитных и изоляционных материалов, испытании электрических машин и др.

Измерительная информационная система представляет собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. Измерительные информационные системы предназначены для автоматического получения измерительной информации от ряда ее источников, а также для передачи и обработки этой информации.

Примером измерительной информационной системы является АСКУЭ – автоматизированная система контроля и учета электроэнергии, широко используемая на объектах жилищно-коммунального хозяйства.

Электроизмерительные приборы бывают аналоговые и цифровые.

В аналоговых приборах наблюдаемые показания являются непрерывными функциями измеряемых величин.

В цифровых приборах измеряемые величины преобразуются в дискретные сигналы и представлены в цифровой форме.

Все измерения в зависимости от способа получения результата делятся на прямые и косвенные.

Виды погрешностей

При любом измерении неизбежно некоторое расхождение между измеренным А_И и действительным А_Д значениями измеряемой величины, называемое погрешностью измерения.

Разность между показаниями прибора А_И и действительным значением измеряемой величины А_Д называется абсолютной погрешностью измерения и выражается в единицах измеряемой величины: DА = А_И – А_Д.

Оценкой точности произведенного измерения является относительная погрешность, которая представляет собой отношение абсолютной погрешности DА к действительному (истинному) значению измеряемой величины А_Д, выраженное обычно в процентах:

Точность измерения, связанная с точностью самого прибора, оценивается приведенной погрешностью g, которая в свою очередь определяется отношением абсолютной погрешности DА к нормированному значению измеряемой величины А_Н:

Отсюда следует, что абсолютная погрешность измерения может быть определена, как произведение приведенной погрешности g и нормированного значения измеряемой величины А_Н:

Нормированное значение измеряемой величины А_Н для большинства приборов определяется верхним пределом или диапазоном измерения по шкале.

По своему характеру погрешности делятся на систематические, случайные и промахи.

В свою очередь, систематическая погрешность, присущая прибору, подразделяется на основную погрешность, обусловленную особенностями конструкции и несовершенством изготовления и дополнительную погрешность, вызываемую влиянием на показания приборов различных внешних факторов (температура, влажность, давление, вибрации, внешние магнитные поля и т.д.).

Допустимое значение основной погрешности электроизмерительного прибора характеризует его класс точности.

Все электроизмерительные приборы подразделяются на восемь классов точности: 0,05; 0.1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2.5; 4,0.

Число, обозначающее класс точности, указывает на наибольшее допустимое значение основной погрешности прибора, выраженное в процентах.

Типы измерительных приборов

По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы подразделяются на амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии, частотомеры, фазометры, омметры и т.д. Условное обозначение прибора по роду измеряемой величины наносится на лицевую сторону прибора.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Измерение электрических величин: единицы и средства, методы измерения

Потребности науки и техники включают в себя проведение множества измерений, средства и методы которых постоянно развиваются и совершенствуются. Важнейшая роль в этой области принадлежит измерениям электрических величин, находящим широчайшее применение в самых различных отраслях.

Понятие об измерениях

Измерение любой физической величины производится путем сравнения ее с некоторой величиной того же рода явлений, принятой в качестве единицы измерения. Результат, полученный при сравнении, представляется в численном виде в соответствующих единицах.

Эта операция осуществляется с помощью специальных средств измерения – технических приспособлений, взаимодействующих с объектом, те или иные параметры которого требуется измерить. При этом используются определенные методы – приемы, посредством которых проводится сравнение измеряемой величины с единицей измерения.

Существует несколько признаков, служащих основой для классификации измерений электрических величин по видам:

• Количество актов измерения. Здесь существенна их однократность или многократность.
• Степень точности. Различают технические, контрольно-поверочные, максимально точные измерения, а также равноточные и неравноточные.
• Характер изменения измеряемой величины во времени. Согласно этому критерию измерения бывают статические и динамические. Путем динамических измерений получают мгновенные значения величин, меняющихся во времени, а статических – некоторые постоянные значения.
• Представление результата. Измерения электрических величин могут быть выражены в относительной или в абсолютной форме.
• Способ получения искомого результата. По данному признаку измерения делятся на прямые (в них результат получается непосредственно) и косвенные, при которых прямо измеряются величины, связанные с искомой величиной какой-либо функциональной зависимостью. В последнем случае искомая физическая величина вычисляется по полученным результатам. Так, измерение силы тока с помощью амперметра – это пример прямого измерения, а мощности – косвенного.

Средства измерения

Приспособления, предназначенные для измерения, должны обладать нормированными характеристиками, а также сохранять на протяжении определенного времени либо воспроизводить единицу той величины, для измерения которой они предназначены.

Средства измерения электрических величин подразделяются на несколько категорий в зависимости от назначения:

• Меры. Данные средства служат для воспроизведения величины некоторого заданного размера – как, например, резистор, воспроизводящий с известной погрешностью определенное сопротивление. формирующие сигнал в форме, удобной для хранения, преобразования, передачи. Для непосредственного восприятия информация такого рода недоступна.
• Электроизмерительные приборы. Эти средства предназначены для представления информации в доступной наблюдателю форме. Они могут быть переносными или стационарными, аналоговыми или цифровыми, регистрирующими или сигнализирующими.
• Электроизмерительные установки представляют собой комплексы вышеперечисленных средств и дополнительных устройств, сосредоточенные в одном месте. Установки позволяют проводить более сложные измерения (например, магнитных характеристик или удельного сопротивления), служат как поверочные или эталонные устройства.
• Электроизмерительные системы тоже являются совокупностью различных средств. Однако, в отличие от установок, приборы для измерения электрических величин и прочие средства в составе системы рассредоточены. С помощью систем можно измерять несколько величин, хранить, обрабатывать и передавать сигналы измерительной информации.

При необходимости решения какой-либо конкретной сложной измерительной задачи формируют измерительно-вычислительные комплексы, объединяющие ряд устройств и электронно-вычислительную аппаратуру.

Характеристики измерительных средств

Устройства измерительной аппаратуры обладают определенными свойствами, важными для выполнения их непосредственных функций. К ним относятся:

такие как чувствительность и ее порог, диапазон измерения электрической величины, погрешность прибора, цена деления, быстродействие и др.
• Динамические характеристики, например амплитудные (зависимость амплитуды выходного сигнала прибора от амплитуды на входе) или фазовые (зависимость фазового сдвига от частоты сигнала).
• Эксплуатационные характеристики, отражающие меру соответствия прибора требованиям эксплуатации в определенных условиях. К ним относятся такие свойства, как достоверность показаний, надежность (работоспособность, долговечность и безотказность аппарата), ремонтопригодность, электрическая безопасность, экономичность.

Совокупность характеристик аппаратуры устанавливается соответствующими нормативно-техническими документами для каждого типа устройств.

Применяемые методы

Измерение электрических величин производится посредством различных методов, которые также можно классифицировать по следующим критериям:

• Род физических явлений, на основе которого измерение проводится (электрические или магнитные явления).
• Характер взаимодействия измерительного средства с объектом. В зависимости от него различают контактные и бесконтактные методы измерения электрических величин.
• Режим проведения измерения. В соответствии с ним измерения бывают динамическими и статическими. Разработаны как методы непосредственной оценки, когда искомая величина прямо определяется прибором (к примеру, амперметром), так и более точные методы (нулевые, дифференциальные, противопоставления, замещения), в которых она выявляется путем сравнения с известной величиной. В качестве приборов сравнения служат компенсаторы и электроизмерительные мосты постоянного и переменного тока.

Электроизмерительные приборы: виды и особенности

Измерение основных электрических величин требует большого разнообразия приборов. В зависимости от физического принципа, положенного в основу их работы, все они делятся на следующие группы:

• Электромеханические приборы обязательно имеют в конструкции подвижную часть. К этой большой группе измерительных средств относятся электродинамические, ферродинамические, магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, индукционные приборы. Например, магнитоэлектрический принцип, применяющийся очень широко, может быть положен в основу таких устройств, как вольтметры, амперметры, омметры, гальванометры. На индукционном принципе основаны счетчики электроэнергии, частотомеры и т. д.
• Электронные приборы отличаются наличием дополнительных блоков: преобразователей физических величин, усилителей, преобразователей и пр. Как правило, в приборах этого типа измеряемая величина преобразуется в напряжение, и конструктивной основой их служит вольтметр. Электронные измерительные приборы применяются в качестве частотомеров, измерителей емкости, сопротивления, индуктивности, осциллографов.
• Термоэлектрические приборы сочетают в своей конструкции измерительное устройство магнитоэлектрического типа и термопреобразователь, образуемый термопарой и нагревателем, через который протекает измеряемый ток. Приборы этого типа используются в основном при измерениях высокочастотных токов.
• Электрохимические. Принцип их работы базируется на процессах, которые протекают на электродах либо в исследуемой среде в межэлектродном пространстве. Применяются приборы этого типа для измерения электропроводности, количества электричества и некоторых неэлектрических величин.

По функциональным особенностям различают следующие виды приборов для измерения электрических величин:

• Показывающие (сигнализирующие) – это устройства, позволяющие производить только непосредственное считывание измерительной информации, такие как ваттметры или амперметры.
• Регистрирующие – приборы, допускающие возможность регистрации показаний, например, электронные осциллографы.

По типу сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. Если устройство вырабатывает сигнал, представляющий собой непрерывную функцию измеряемой величины, оно является аналоговым, например, вольтметр, показания которого выдаются при помощи шкалы со стрелкой. В том случае, если в устройстве автоматически вырабатывается сигнал в виде потока дискретных значений, поступающий на дисплей в численной форме, говорят о цифровом измерительном средстве.

Цифровые приборы имеют некоторые недостатки по сравнению с аналоговыми: меньшая надежность, потребность в источнике питания, более высокая стоимость. Однако их отличают и существенные преимущества, в целом делающие применение цифровых устройств более предпочтительным: удобство эксплуатации, высокая точность и помехоустойчивость, возможность универсализации, сочетания с ЭВМ и дистанционной передачи сигнала без потери точности.

Погрешности и точность приборов

Важнейшая характеристика электроизмерительного прибора – класс точности. Измерение электрических величин, как и любых других, не может производиться без учета погрешностей технического устройства, а также дополнительных факторов (коэффициентов), влияющих на точность измерения. Предельные значения приведенных погрешностей, допускаемые для данного типа прибора, называются нормированными и выражаются в процентах. Они и определяют класс точности конкретного прибора.

Стандартные классы, которыми принято маркировать шкалы измерительных устройств, следующие: 4,0; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05. В соответствии с ними установлено разделение по назначению: приборы, принадлежащие к классам от 0,05 до 0,2, относятся к образцовым, классами 0,5 и 1,0 обладают лабораторные приборы, и, наконец, устройства классов 1,5–4,0 являются техническими.

При выборе измерительного прибора необходимо, чтобы он соответствовал по классу решаемой задаче, при этом верхний предел измерения должен быть как можно ближе к численному значению искомой величины. То есть чем большего отклонения стрелки прибора удается достичь, тем меньше будет относительная погрешность проводимого измерения. Если в распоряжении имеются только приборы низкого класса, выбирать следует такой, который обладает наименьшим рабочим диапазоном. Используя данные способы, измерения электрических величин можно провести достаточно точно. При этом также нужно учитывать тип шкалы прибора (равномерная или неравномерная, как, например, шкалы омметров).

Основные электрические величины и единицы их измерения

Чаще всего электрические измерения связаны со следующим набором величин:

• Сила тока (или просто ток) I. Данной величиной обозначается количество электрического заряда, проходящего через сечение проводника за 1 секунду. Измерение величины электрического тока проводится в амперах (A) при помощи амперметров, авометров (тестеров, так называемых «цешек»), цифровых мультиметров, измерительных трансформаторов.
• Количество электричества (заряд) q. Эта величина определяет, в какой мере то или иное физическое тело может являться источником электромагнитного поля. Электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). 1 Кл (ампер-секунда) = 1 А ∙ 1 с. Приборами для измерения служат электрометры либо электронные зарядометры (кулон-метры).
• Напряжение U. Выражает разность потенциалов (энергии зарядов), существующую между двумя различными точками электрического поля. Для данной электрической величины единицей измерения служит вольт (В). Если для того, чтобы из одной точки переместить в другую заряд в 1 кулон, поле совершает работу в 1 джоуль (то есть затрачивается соответствующая энергия), то разность потенциалов – напряжение – между этими точками составляет 1 вольт: 1 В = 1 Дж/1 Кл. Измерение величины электрического напряжения производится посредством вольтметров, цифровых либо аналоговых (тестеры) мультиметров.
• Сопротивление R. Характеризует способность проводника препятствовать прохождению через него электрического тока. Единица сопротивления – ом. 1 Ом – это сопротивление проводника, имеющего напряжение на концах в 1 вольт, к току величиной в 1 ампер: 1 Ом = 1 В/1 А. Сопротивление прямо пропорционально сечению и длине проводника. Для измерения его используются омметры, авометры, мультиметры.
• Электропроводность (проводимость) G – величина, обратная сопротивлению. Измеряется в сименсах (См): 1 См = 1 Ом -1 .
• Емкость C – это мера способности проводника накапливать заряд, также одна из основных электрических величин. Единицей измерения ее служит фарад (Ф). Для конденсатора эта величина определяется как взаимная емкость обкладок и равна отношению накопленного заряда к разности потенциалов на обкладках. Емкость плоского конденсатора растет с увеличением площади обкладок и с уменьшением расстояния между ними. Если при заряде в 1 кулон на обкладках создается напряжение величиной 1 вольт, то емкость такого конденсатора будет равна 1 фараду: 1 Ф = 1 Кл/1 В. Измерение производят при помощи специальных приборов – измерителей емкости или цифровых мультиметров.
• Мощность P – величина, отражающая скорость, с которой осуществляется передача (преобразование) электрической энергии. В качестве системной единицы мощности принят ватт (Вт; 1 Вт = 1Дж/с). Эта величина также может быть выражена через произведение напряжения и силы тока: 1 Вт = 1 В ∙ 1 А. Для цепей переменного тока различают активную (потребляемую) мощность P_a, реактивную P_ra (не принимает участия в работе тока) и полную мощность P. При измерениях для них используют следующие единицы: ватт, вар (расшифровывается как «вольт-ампер реактивный») и, соответственно, вольт-ампер В∙А. Размерность их одинакова, и служат они для различения указанных величин. Приборы для измерения мощности – аналоговые или цифровые ваттметры. Косвенные измерения (например, с помощью амперметра) применимы далеко не всегда. Для определения такой важной величины, как коэффициент мощности (выражается через угол фазового сдвига) применяют приборы, называемые фазометрами.
• Частота f. Это характеристика переменного тока, показывающая количество циклов изменения его величины и направления (в общем случае) за период в 1 секунду. За единицу частоты принята обратная секунда, или герц (Гц): 1 Гц = 1 с -1 . Измеряют данную величину посредством обширного класса приборов, называемых частотомерами.

Магнитные величины

Магнетизм теснейшим образом связан с электричеством, поскольку и то, и другое представляют собой проявления единого фундаментального физического процесса – электромагнетизма. Поэтому столь же тесная связь свойственна методам и средствам измерения электрических и магнитных величин. Но есть и нюансы. Как правило, при определении последних практически проводится электрическое измерение. Магнитную величину получают косвенным путем из функционального соотношения, связывающего ее с электрической.

Эталонными величинами в данной области измерений служат магнитная индукция, напряженность поля и магнитный поток. Они могут быть преобразованы с помощью измерительной катушки прибора в ЭДС, которая и измеряется, после чего производится вычисление искомых величин.

• Магнитный поток измеряют посредством таких приборов, как веберметры (фотогальванические, магнитоэлектрические, аналоговые электронные и цифровые) и высокочувствительные баллистические гальванометры.
• Индукция и напряженность магнитного поля измеряются при помощи тесламетров, оснащенных преобразователями различного типа.

Измерение электрических и магнитных величин, состоящих в непосредственной взаимосвязи, позволяет решать многие научные и технические задачи, например, исследование атомного ядра и магнитного поля Солнца, Земли и планет, изучение магнитных свойств различных материалов, контроль качества и прочие.

Неэлектрические величины

Удобство электрических методов дает возможность успешно распространять их и на измерения всевозможных физических величин неэлектрического характера, таких как температура, размеры (линейные и угловые), деформация и многие другие, а также исследовать химические процессы и состав веществ.

Приборы для электрического измерения неэлектрических величин обычно представляют собой комплекс из датчика – преобразователя в какой-либо параметр цепи (напряжение, сопротивление) и электроизмерительного устройства. Существует множество типов преобразователей, благодаря которым можно измерять самые разные величины. Вот лишь несколько их примеров:

• Реостатные датчики. В таких преобразователях при воздействии измеряемой величины (например, при изменении уровня жидкости или же ее объема) перемещается движок реостата, изменяя тем самым сопротивление.
• Терморезисторы. Сопротивление датчика в аппаратах этого типа изменяется под воздействием температуры. Применяются для измерения скорости газового потока, температуры, для определения состава газовых смесей.
• Тензосопротивления позволяют проводить измерения деформации проволоки.
• Фотодатчики, преобразующие изменение освещенности, температуры либо перемещение в измеряемый затем фототок.
• Емкостные преобразователи, используемые как датчики химического состава воздуха, перемещения, влажности, давления. работают по принципу возникновения ЭДС в некоторых кристаллических материалах при механическом воздействии на них.
• Индукционные датчики основаны на преобразовании таких величин, как скорость или ускорение, в индуктированную ЭДС.

Развитие электроизмерительных средств и методов

Большое многообразие средств измерения электрических величин обусловлено множеством различных явлений, в которых эти параметры играют существенную роль. Электрические процессы и явления имеют чрезвычайно широкий диапазон использования во всех отраслях – нельзя указать такую область человеческой деятельности, где они не находили бы применения. Этим и определяется все более расширяющийся круг задач электрических измерений физических величин. Непрерывно растет разнообразие и совершенствование средств и методов решения этих задач. Особенно быстро и успешно развивается такое направление измерительной техники, как измерение неэлектрических величин электрическими методами.

Современная электроизмерительная техника развивается в направлении повышения точности, помехоустойчивости и быстродействия, а также все большей автоматизации измерительного процесса и обработки его результатов. Средства измерений прошли путь от простейших электромеханических приспособлений до электронных и цифровых приборов, и далее до новейших измерительно-вычислительных комплексов с использованием микропроцессорной техники. При этом повышение роли программной составляющей измерительных устройств является, очевидно, основной тенденцией развития.

Электроизмерительные приборы

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно самих приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.

Назначение

Электроизмерительные приборы служат для контроля режима работы электрических установок, их испытания и учета расходуемой электрической энергии. К измерительным приборам относятся разнообразные аппараты, позволяющие получить максимально точные показатели в обозначенных диапазонах.

Классификация

В зависимости от измеряемой или воспроизводимой физической величины электроизмерительные приборы подразделяют на:

• амперметры (измерители тока)
• вольтметры (измерители напряжения)
• ваттметры (измерители мощности)
• мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы
• частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока
• омметры (измерители сопротивления)
• счетчики электрической энергии и др.

Различают две категории электроизмерительных приборов:

• рабочие — служат для для практических измерений.
• образцовые — для градуировки и поверки рабочих приборов.

Принцип работы

Несмотря на модификацию, во все электроизмерительные приборы вмонтированы преобразующие устройства. Первое выполняет задачу по конвертации измеряемых величин в сигнал, а второе — представляет их в доступной для восприятия форме. Последние устройства, как правило, имеют шкалу и стрелку или же цифровое табло (дисплей).

Как выбрать

При выборе электроизмерительных приборов нужно обязательно помнить о том, что для официальных исследований, контроля качества, гарантийного обслуживания, проверки устройств безопасности могут быть использованы только модели, который включены в Государственный реестр средств измерений.

Также имеет смысл выбирать “интеллектуальные” электроизмерительные приборы, преимуществом которых является то, что с их помощью можно не только собирать, но и анализировать измерения. Такие устройства обладают наибольшей производительностью и функциональностью.

Сферы применения

Электроизмерительные приборы нашли свое применения в различных областях — помимо научных исследований, их применяют как в промышленности и энергетике, так и на транспорте, в связи, а также в медицине. Также электроизмерительные приборы используются и повсеместно в быту для учета электроэнергии.

На сегодняшний день большей популярностью пользуются цифровые устройства, так как помимо повышенной точности и чувствительности к измеряемой величине, они обладают компактностью и широким диапазоном измерений. Аналоговые приборы используются в основном в качестве учебных.