Компенсационный метод измерений

Классификация электроизмерительных приборов

Методы измерений

По способу получения результата различают прямые измерения и косвенные.

Прямыми - называются такие измерения, в которых значение измеряемой величины получают непосредственно по показаниям прибора. При этом шкала прибора проградуирована в единицах измеряемой величины.

Косвенные измерения получают посредством вспомогательных измерений (например, измерение мощности методом амперметра и вольтметра).

По методу измерений различают:

− метод непосредственной оценки;

− метод сравнения, при котором измеряемая величина сравнивается с эталоном.

По принципу действия измерительного механизма приборы непосредственной оценки разделяют на следующие классы:

− приборы магнитоэлектрической системы;

− приборы электромагнитной системы;

− приборы электродинамической системы;

− приборы индукционной системы;

− и т.д.

Приборы магнитоэлектрической системы

Применяются для измерения силы тока (амперметры) и напряжения (вольтметры) в цепях постоянного тока.

1. Неподвижный магнитопровод, выполненный в виде постоянного магнита;

2. Шкала;

3. Стрелка;

4. Рамка с током, соединенная со стрелкой;

5. Спиральная противодействующая пружина, возвращающая стрелку в положение ноль;

6. Выводы.

Прибор выводами 6 подключается в измерительную цепь. В рамке 4 возникает ток. Одним из выводов рамки является спиральная пружина 5. По закону Ампера на рамку с током со стороны магнитного поля созданного магнитопроводом 1 будет действовать сила:

,

где B - индукция магнитного поля полюсов;

I - сила тока в рамке;

a - угол поворота рамки со стрелкой.

Угол поворота стрелки пропорционален силе тока , поэтому шкала таких приборов равномерная.

Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую точность и чувствительность, сравнительно невысокую стоимость.

Их маркировка на шкале начинается с буквы М (например, М367), указывается также знак подковообразного магнита , что указывает на их принадлежность к классу магнитоэлектрических приборов.

Приборы электромагнитной системы

Эти приборы применяются для измерения как постоянных, так и переменных токов и напряжений.

1. Пружина;

2. Подвижный сердечник;

3. Неподвижная катушка;

4. Шкала;

5. Стрелка.

При подаче тока в измерительный прибор (в катушку 3) вокруг нее возникает магнитное поле, под действием которого сердечник 2 намагничивается и втягивается в катушку, перемещая стрелку. Чем сильнее ток, тем больше втягивается сердечник и тем больше перемещается стрелка. Перемещение стрелки пропорционально квадрату тока в катушке , поэтому шкала таких приборов неравномерна.

Приборы электромагнитной системы имеют простую конструкцию и низкую стоимость. Обладают высокой надежностью (например они могут в течении нескольких секунд выдерживать десяти кратную перегрузку током). Однако точность приборов невелика.

Маркировка таких приборов начинается с буквы Э (например, Э234), а на шкале также указывается знак обмотки с сердечником.

Приборы электродинамической системы

Эти приборы применяются для измерения мощности в цепях постоянного и переменного токов - ваттметры.

1. Неподвижная катушка;

2. Рамка с подвижной катушкой;

3. Спиральная противодействующая пружина.

Прибор имеет четыре вывода, которые могут подключаться соответственно параллельно нагрузке (обмотка напряжения) и последовательно с ней (обмотка тока). Если первую катушку подключить последовательно с нагрузкой, ток в ней I ₂ будет равен току в нагрузке, а вторую катушку подключить параллельно нагрузке, ток в ней I ₁ будет пропорционален напряжению на зажимах нагрузки. Взаимодействие магнитных полей обеих обмоток вызовет возникновение вращающего момента и поворот стрелки на угол , где j - угол между магнитными полями обмоток. Следовательно, угол поворота стрелки пропорционален активной мощности .

Электродинамические приборы могут применяться также для измерения токов и напряжений.

Приборы этой системы являются наиболее точными из приборов переменного тока, но конструкция приборов сложна и они относительно дороги.

Маркировка прибора начинается с буквы Д, и на шкале также указывается значок прибора электродинамической системы.

Приборы индукционной системы

Это счетчики электрической энергии в цепях переменного тока.

На рис. 63: 1 и 2 - неподвижные электромагниты, 3 - алюминиевый диск, 4 - вертикальная ось, 5 - счетное устройство, 6 - постоянный магнит.

Обмотка электромагнита 1 является обмоткой напряжения и подключается параллельно нагрузке. Обмотка электромагнита 2 является токовой обмоткой, которая включается последовательно с нагрузкой. Счетчик работает следующим образом. Когда к обмотке напряжения приложено напряжение сети U, а по токовой обмотке протекает ток нагрузки I_Н, то в магнитопроводах 1 и 2 образуются два переменных магнитных поля. Пронизывая диск, они индуцируют в нем две ЭДС: е ₁ и е ₂ (по закону электромагнитной индукции ). Под действием этих ЭДС в проводящем алюминиевом диске появляются два вихревых тока i ₁~ U и i ₂~ I_Н. В результате взаимодействия вихревых токов диска с магнитными полями обмоток возникает вращающий момент (создаваемый парой сил, определяемых по закону Ампера ). Под действием этого момента диск приводится во вращение.

Однако если диску не создавать противодействующий момент, то он будет приводиться во вращение с ускорением. Тормозной момент создается постоянным магнитом 6, установленным на противоположном крае диска. При вращении диск пересекает силовые линии магнитного поля постоянного магнита и в нем индуцируется ЭДС. Под действием ЭДС в диске возникает вихревой ток, который взаимодействуя с магнитным полем магнита обусловливает появление тормозного момента, действующего на диск. Чем быстрее будет вращаться диск, тем большим будет тормозной момент. Таким образом при большей измеряемой мощности Р большим будет вращающий момент диска, но одновременно большим будет и тормозной момент.

Можно показать, что частота вращения диска w пропорциональна активной мощности P, потребляемой нагрузкой:

.

Количество активной энергии, потребленной из сети за время t определяют по формуле:, кВт*ч.

Количество израсходованной электроэнергии фиксируется счетным устройством 5.

Такие счетчики надежны, но имеют невысокую точность. На шкале указывают значок принадлежности прибора к приборам индукционной системы.

Приборы сравнения

Приборы сравнения предназначены для точных измерений различных электрических величин методом сравнения. Они отличаются более сложным устройством по сравнению с аналоговыми приборами. К приборам сравнения относят измерительные мосты и потенциометры (компенсаторы).

Измерительные мосты служат для измерений сопротивлений, емкостей, индуктивностей. Их устройство и работа рассмотрены в разделе измерение электрических сопротивлений.

Потенциометры - для измерения малых ЭДС, напряжений, токов.

Компенсационный метод измерения положен в основу работы потенциометров.

Компенсационный метод измерения заключается в сравнении неизвестных ЭДС или напряжений с известным напряжением. Работа метода заключается в следующем.

Неизвестная ЭДС E_X сравнивается с известным регулируемым напряжением U ₀. При равенстве E_X= U ₀ гальванометр И зафиксирует отсутствие тока. Это означает, что действие E_X скомпенсировано встречным действием источника напряжения U ₀.

При измерениях напряжение U ₀создается обычно в виде падения напряжения на «компенсирующем» резисторе с известным сопротивлением R_К и током I ₀, т.е. U ₀= I ₀ R_К, при этом переменной величиной обычно является R_К, а ток I ₀ поддерживается строго постоянным. При выполнении равенства E_X= U ₀отсутствует ток в цепи измеряемого объекта, следовательно, результат измерения не содержит методической ошибки (нет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника E_X и в проводах). Это обстоятельство обеспечивают высокую точность измерений.