Электрические измерения являются частью метрологии — науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Поэтому изучение электрических измерений начнем с рассмотрения некоторых вопросов, относящихся ко всем видам измерений.
Сведения об измерениях. Во всех случаях измерений опытным путем определяют какую-либо физическую величину. Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам или физическим системам, их состояниям или происходящим в них процессам. Примеры физических величин: электрический ток, магнитная индукция, масса, время, сила, площадь и др.
В количественном отношении физические величины, как правило, не совпадают для разных объектов, могут быть различны для одного объекта в разное время. Поэтому их измеряют, применяя общепринятые единицы. В СССР с I января 1963 г. введена Международная система единиц (СИ).
Измерением называют операцию сравнения измеряемой физической величины с величиной такого же рода, принятой за единицу. Измерения невозможны без соответствующих технических средств. К средствам измерений, в частности, относятся: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи.
Меры — средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают меры однозначные, многозначные, наборы мер, а по назначению — меры рабочий и образцовые. Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера (гиря, нормальный элемент— мера э.д.с, конденсатор постоянной емкости и др.). Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин разного размера (линейка с делениями, конденсатор переменной емкости и др.).
Набор мер — специально подобранный комплект мер, применяемых отдельно или в различных сочетаниях (набор гирь, магазин сопротивлений и др.).
Рабочие меры применяют в повседневной практике для выполнения рабочих измерений; образцовые служат для проверки по ним рабочих мер и измерительных приборов.
Измерительные приборы — средства измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
В практике применяют измерительные приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. Приборы непосредственной оценки имеют шкалу, предварительно проградуированную в единицах измеряемой величины (часы, амперметр, вольтметр и др.). Приборы сравнения предназначены для сравнения измеряемой величины с мерой (весы с коромыслом, измерительный мост, потенциометр и др.).
Различают измерения прямые и косвенные. Прямые измерения дают результат (измеряемую величину) непосредственно из опыта. Для примера можно назвать измерения массы на весах, температуры термометром, электрического сопротивления омметром.
Косвенные измерения непосредственно измеряемой величины не дают. Ее находят вычислением, используя результаты прямых измерений вспомогательных величин, с которыми искомая величина связана известной зависимостью. Например, мощность в электрической цепи постоянного тока можно найти по показаниям амперметра и вольтметра (P—U1).
Погрешности измерений. По ряду причин результат измерения всегда в той или иной степени отличается от самой измеряемой величины. Поэтому для точного определения измеряемой величины А надо к результату измерения Аи прибавить некоторую величину δА, называемую поправкой: А= Аи + δА.
Разность между результатом измерений и самой измеряемой величиной называют абсолютной погрешностью: ∆A=Аи — А.
Поправка и абсолютная погрешность равны по величине, но противоположны по знаку. Для оценки точности измерения определяется относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к измеряемой величине: γ % = 100∆А/А.
Стрелочные электроизмерительные приборы имеют по всей шкале величину АА, близкую к средней абсолютной погрешности, поэтому относительная погрешность в начале шкалы значительно больше, чем в конце. Для оценки точности приборов определяют относительную приведенную погрешность — отношение абсолютной погрешности к верхнему пределу измерения по шкале прибора: γпр%=100∆А/Aпр.
По этой величине устанавливают класс точности прибора (табл. 6.1), который означает наибольшую допускаемую приведенную погрешность и указан на его шкале.
Сведения об электроизмерительных приборах. В практике электрических измерений применяют много разнообразных приборов, которые классифицируют по различным признакам (табл. 6.1).
Признак классификации |
Тип приборов |
По способу отсчета измеряемой величины По роду измеряемой вели чины По роду тока По принципу действия По степени точности По защищенности от внешних полей По условиям эксплуатации По устойчивости к механическим воздействиям По характеру применения По защищенности кожухами По габаритным размерам |
Приборы: непосредственной оценки; сравнения Приборы: амперметр; вольтметр; ваттметр; счетчик киловатт-часов; счетчик ампер-часов; фазометр; частотомер; омметр; генри-метр; фарадометр Приборы: постоянного тока; переменного тока; постоянного и переменного токов Системы см. табл. 6.2 Классы точности (для приборов не посредственной оценки): 0,05; 0,1;0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4 Категории: I; II Группы приборов для работы: А — в сухих отапливаемых помещениях; Б — в закрытых не отапливаемых помещениях; В — в полевых и морских условиях; Г — в условиях тропического климата Приборы: обыкновенные; тряскопрочные; вибропрочные; ударопрочные; тряскоустойчивые; виброустойчивые Приборы: стационарные; переносные Кожухи: пыленепроницаемые; водонепроницаемые; герметические Приборы: миниатюрные (до 50 мм); малогабаритные (от 50 до 100 мм); средние (от 100 До 200 мм); большие (свыше 200 мм) |
Для изображения электроизмерительных приборов в электрических схемах применяют условные обозначения, которые позволяют различать их по роду измеряемой величины (рис. 6.1) и принципу действия (табл. 6.2). Эти обозначения помещают на самих приборах вместе с другими данными, характеризующими прибор. В числе этих характеристик: единица измеряемой величины, класс точности, род тока, испытательное напряжение изоляции, рабочее положение прибора (горизонтальное, вертикальное, под углом), товарный знак предприятия-изготовителя, порядковый номер и др.
Общие узлы и детали электроизмерительных приборов. Признаки классификации (см. табл. 6.1) свидетельствуют о большом разнообразии конструкций электроизмерительных приборов. Вместе с тем меются узлы и детали, похожие по назначению и устройству. К ним относятся: детали установки подвижной части (опоры, пружины, растяжки, подвесы и др.), отсчетные приспособления, успокоители, корректоры.
Для примера на рис. 6.2, а показана подвижная часть магнитоэлектрического прибора. Под действием вращающего момента Мвр, который возникает при подаче в прибор измеряемой величины, подвижная часть поворачивается и стрелка уходит с нулевой отметки.
При любой величине Мвр стрелка 3 уйдет за пределы шкалы 4, если нет противодействия повороту. Противодействующий момент Мпр создают пружины 2 (их обычно две), один конец 8 которых закреплен на оси, а другой на неподвижной части прибора. Пружины закручиваются при отклонении стрелки в сторону увеличения показаний. Мпр увеличивается пропорционально углу отклонения α:Мпр=kпр α, где kпр — коэффициент пропорциональности. Предположим, что вращающий момент пропорционален измеряемому току (току в катушке Iк) Мвр = kвр Iк, как у прибора магнитоэлектрической системы. Подвижная часть прибора останавливается и стрелка показывает измеряемую величину при равенстве моментов Мвр = Мпр, т. е. kвр Iк = kпр α. Отсюда следует, что угол отклонения стрелки зависит (в данном случае пропорционально) от измеряемой
(6.1)
Величину S называют чувствительностью прибора, а величину, обратную ей,— постоянной прибора С= 1/S; I= Сα. Начальное закручивание пружин 2 можно в небольших пределах изменять с помощью корректора (винт Ю и поводок 9). Это предусмотрено для коррекции положения стрелки, т. е. установки ее на нулевую отметку, если она по какой-либо причине с нуля смещена при разомкнутой измерительной цепи прибора. Если в измерительную цепь входит элемент, расположенный на подвижной части прибора, то пружины 2 используются для подведения к нему электрического тока.
Опора (рис. 6.2, а, б) в данном случае состоит из оси 7 и подшипника 1. Ось — легкая алюминиевая трубочка со стальными кернами 6 на концах, на ней укреплена алюминиевая пластина 5. Керны опираются на подшипники 1 из твердого материала (агат, корунд, сталь и др.). Назначение других деталей опоры (стойка 11, винт подшипника 13, стопорный винт 12) не требует пояснений.
Трение в опорах снижает чувствительность прибора и создает погрешность измерений. Поэтому подвижную часть в современных приборах часто устанавливают на растяжках (рис. 6.3) — упругих металлических лентах или нитях 2, прикрепленных одним концом к подвижной части, а другим — к плоским пружинам 1, создающим натяжение. Растяжки выполняют все те же функции, что и пружины 2 (см. рис. 6.2, а). При установке на растяжках трение практически отсутствует и вместе с тем увеличивается устойчивость против тряски и вибрации.
В приборах особо чувствительных и точных (например, в зеркальных гальванометрах) применяют свободную подвеску подвижной части на тонкой упругой нити, закрепленной на одном конце. Такие приборы устанавливают строго вертикально (по уровню), они имеют световой указатель вместо стрелки. При воздействии на подвижную часть вращающего и противодействующего моментов стрелка не сразу устанавливается на нужной отметке, а колеблется около нее, затрудняя отсчет. С целью уменьшения времени отсчета применяют успокоители.
В магнитоиндукционный успокоитель (рис. 6.4) входит постоянный магнит 2 и алюминиевая пластинка 1, укрепленная на оси 3 подвижной части прибора (см. рис. 6.2, а). Пластинка находится в постоянном магнитном поле, поэтому при движении в ней индуктируются вихревые токи. Силы, противодействующие движению, создаются, согласно правилу Ленца, в результате взаимодействия того же магнитного поля с вихревыми токами.
Для действия воздушного успокоителя (рис. 6.5) на оси 2 подвижной части укреплено легкое алюминиевое крыло 1, которое движется в закрытой камере 3. Зазор между краями крыла и стенками камеры очень маленький, поэтому при движении крыла повышается давление воздуха в одной части камеры и уменьшается в другой и так создается тормозное усилие.
Действие одного из жидкостных успокоителей поясняет (рис. 6.6), где показаны два металлических диска, а между ними в зазоре около 0,1 мм находится вязкая жидкость 2, которая не выливается в любом положении. Диск / укреплен на подвижной, а диск 3 на неподвижной части прибора. Взаимному движению дисков препятствуют силы сцепления жидкости с дисками.