Общие сведения об электроизмерительных приборах

Все электроизмерительные приборы по способу преобразования элек­тромагнитной энергии, связанной с исследуемой величиной, можно подраз­делить на электромеханические, электротепловые, электронные и элек­тронно-лучевые (см. рис. 1).

Измерительные приборы

электромеханические

электротепловые

электронные

электронно-лучевые

Рис. 1. Классификация измерительных приборов по способу преобразования электромагнитной энергии

В электромеханических приборах для перемещения подвижной части прибора используются различные электромагнитные процессы. В зависимо­сти от физического явления, используемого для преобразования подводимой электромагнитной энергии в механическую энергию перемещения подвиж­ной части, приборы разделяются на магнитоэлектрические, электромагнит­ные, электродинамические, индукционные и электростатические.

В электротепловых приборах для перемещения подвижной части при­бора используется тепловое действие электрического тока.

Электронные приборы представляют собой сочетание электронного преобразователя и аналогового или цифрового измерителя.

Электронно-лучевые приборы используют подводимую энергию элек­тромагнитного поля для перемещения луча – потока электронов, в электрон­ной трубке; это перемещение, пропорциональное значению измеряемой вели­чины, визуализируется с помощью электронной трубки.

В общем виде структурная схема аналогового электроизмерительного прибора непосредственной оценки состоит из входного устройства, измери­тельного преобразователя, измерительного механизма и отсчётного устрой­ства.

Входное устройство выполняет согласование исследуемой электриче­ской цепи с измерительным преобразованием, в том числе ослабляет или усиливает исследуемую величину. Измерительный преобразователь преобра­зует измеряемую величину X(t) в некоторую промежуточную величину Y(t), пропорциональную измеряемой величине и непосредственно воздействующую на измерительный меха­низм.

По принципу действия измерительные преобразователи можно разде­лить на выпрямительные, термоэлектрические и электронные.

Измерительный механизм преобразует подводимую электрическую энергию, определяющую величину Y(t), в механическую энергию перемеще­ния подвижной части механизма. При этом, естественно, между величиной перемещения подвижной части механизма и значением измеряемой вели­чины должна существовать однозначная зависимость.

Для измерения постоянных токов и напряжений, переменных токов и напряжений применяются все виды перечисленных приборов.

Электромеханические приборы самостоятельное применение преимуще­ственно находят для измерения постоянных токов и напряжений, токов про­мышленной частоты и представляют собой сочетание измерительного меха­низма и отсчётного устройства. У большинства электромеханических прибо­ров непосредственной оценки энергия измеряемой величины преобразуется в энергию перемещения подвижной части измерительного механизма. По по­ложению элемента, как правило, стрелки подвижной части прибора судят о значении измеряемой величины. Измеряемая величина в измерительном механизме преобразуется в силу, соз­дающую момент вращения М, под действием которого подвижная часть из­мерительного механизма поворачивается на некоторый угол α (линейное пе­ремещение практически не используется). Значение момента вращения зави­сит от значения измеряемой величины M=f(X).

Если моменту вращения не создать противодействия, то, очевидно, при любом его значении подвижная часть прибора повернётся на максимальный угол. Чтобы угловое перемещение подвижной части зависело от момента вращения, в приборе создаётся противодействующий момент М_пр, направ­ленный навстречу исходному моменту. В большинстве электромеханических приборов противо­действующий момент создаётся при помощи упругих элементов, например, спиральной пружины. Противодействующий момент М_пр, создаваемый пру­жиной, пропорционален углу поворота подвижной части прибора: М_пр=w·α, где w – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств пру­жины.

Под действием момента вращения подвижная часть прибора поворачи­вается на угол α, при котором наступает равенство момента вращения и про­тиводействующего момента М=М_пр. Подставив значения моментов, получим равенство f(X)=w·α, из которого выведем уравнение шкалы прибора: α=f(X)/w.

Если момент вращения создаётся током i, то М=k·i. В этом случае угол поворота подвижной части прибора составляет:

α = (k/w)·i=S·i

Эту зависимость называют уравнением шкалы прибора, а коэффициент пропорциональности S – чувствительностью измерительного прибора.

Электроизмерительные приборы непосредственной оценки классифици­руются по принципу действия (по системам). Название системы соответст­вует характеру явления, используемого для преобразования электрической величины в перемещение его подвижной части. Так, различают приборы сле­дующих систем:

· магнитоэлектрической (см. рис. 2); подвижная часть приборов этой сис­темы отклоняется в результате взаимодействия поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с протекающей по ней током;

1 – постоянный магнит, 2 – магнитопровод, 3 – полюсный наконечник, 4 - магнитный шунт, 5 – катушка с обмоткой.

Рис. 2. Конструкция магнитоэлектрического прибора

· электромагнитной; в приборах этой системы подвижная часть отклоняется в результате взаимодействия магнитного поля катушки с протекающим по ней током и магнитного поля подвижного ферромагнитного сердечника;

· электродинамической; принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек с протекающими по ним токами;

· электростатический; подвижная часть этих приборов перемещается в резуль­тате взаимодействия электрических полей двух заряженных проводни­ков;

· тепловой; в этих приборах подвижная часть отклоняется в результате удли­нения проводника, нагреваемого протекающим по нему током.

Электронные приборы обычно образованы электронным преобразовате­лем и магнитоэлектрическим или цифровым измерителем; в частности, электронные вольтметры обладают значительным входным сопротивлением и преимуще­ственно используются при исследовании маломощных схем.

Для исследования формы и определения мгновенных значений токов и напряжений обычно применяются осциллографические методы.