Классификация измерительных приборов по принципу действия

1.Магнитоэлектрическая система. Принцип действия приборов магнетической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по обмотке легкой подвижной катушки (рамки). Из всех электроизмерительных приборов с непосредственным отсчетом они дают наибольшую точность измерения и являются наиболее экономичными в смысле потребления энергии. Для переменного тока магнитоэлектрические приборы неприменимы, т.к. их подвижная часть вследствие инерции не успевает отклоняться. Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока.

2.Электромагнитная система. Принцип работы приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего по обмотке неподвижное катушки, с подвижным железным сердечником, помещенным в этом магнитном поле. Эти приборы просты по конструкции и недороги. Однако точность приборов электромагнитной системы по сравнению с приборами других систем невысокая. Электроизмерительные приборы электромагнитной системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепях переменного и постоянного токов.

3.Электродинамическая система. Принцип действия электродинамических приборов связан на взаимодействии токов, протекающих по двум катушкам (рамки), из которых одна подвижная, а другая неподвижная. Точность и чувствительность этих приборов для переменного тока очень высокие. Электродинамические измерительные приборы предназначены для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока.

4.Тепловая система. Принцип действия приборов тепловой системы основана на изменении длины проводника, по которому протекает ток, вследствие его нагревания. Эти приборы могут измерять и постоянный и переменный ток.

5.Индукционная система. Устройство приборов индукционной системы основано на взаимодействии токов, индуцируемых в подвижной части прибора с магнитными потоками неподвижных электромагнитов (счетчики, ваттметры).

6.Вибрационная система. Устройство приборов этой системы основано на резонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы, в основном, служат для измерения частоты тока.

7.Электростатическая система. Устройство приборов этой системы основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под действием электрического поля подвижные проводники перемещаются относительно неподвижных проводников. Электростатические приборы служат преимущественно в качестве вольтметров для непосредственного изменения высоких напряжений.

8.Термоэлектрическая система. Эта система характеризуется применением одной или нескольких термопар, дающих под влиянием тепла, выделяемого измеряемым током, постоянный ток в измери-тельный прибор магнитоэлектрической системы. Приборы применяются в основном для измерения переменных токов высокой частоты.

9.Детекторная (выпрямительная) система. Устройство приборов с помощью выпрямителя, вмонтированного в приборе. Полученный таким образом пульсирующий постоянный ток измеряется с помощью чувствительного прибора магнитоэлектрической системы.

10.Электронная система. Устройство приборов этой системы основано на применении одной или нескольких электронных ламп и измерительного прибора магнитоэлектрической системы, соединенных в схему, позволяющую производить измерение электрических величин.

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 системыэлектроизмерительных приборов. В данной лабораторной работе мы рассмотрим толькомагнитоэлектрическуюиэлектромагнитнуюсистемы.

Принцип работы электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системызаключается 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.

Достоинством приборов этой системы являются:

Высокая чувствительность и точность измерения

Малое потребление мощности.

Существенным недостатком можно считать невозможность работы в цепях переменного тока (без использования выпрямителей).

Принцип работы электроизмерительных приборов электромагнитной системызаключается 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:

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

Амперметрслужит для измерения силы тока в электрической цепи и включается в цепь последовательно.Вольтметрпредназначен 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:

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

(7)

где – цена деления шкалы,– значение измеряемой величины,– 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 приборапредставляет 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:

Применением измерительных трансформаторов.

Для расширения предела измерения амперметра параллельноему 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– номинальное значение предела измерения прибора.

Для расширения предела измерения вольтметра последовательнос 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– 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.

Измерительные приборы, обработка, измерения, анализ и отображения сигнала.

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.

Классификация электроизмерительных приборов по принципу действия

По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на следующие основные типы:

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

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

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

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.

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

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

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.

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.

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.

Индукционный счетчик электроэнергии:

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.

Условные обозначения на вольтметре: