2. Електровимірювальні прилади

Перше ніж приступати до виконання запланованих лабораторних робіт, студент повинен засвоїти основні правила користування електровимірювальними приладами. В зв’язку з цим нижче подається короткий опис типових електровимірювальних приладів, а також розглядається питання про те, яким чином за класом точності приладу визначити похибки вимірювань.

2.1 Класифікація приладів та їх загальна характеристика.

Електровимірювальні прилади можна класифікувати за різними ознаками:

1. за родом вимірюваної величини — амперметри, вольтметри, омметри, ватметри, гальванометри і т. д.;

2. за принципом дії — магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, теплові, електростатичні, електронні та інші;

3. за ступенем точності вимірювань — прилади класів: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 і 4,0.

На лицьовій стороні будь-якого електровимірювального приладу є умовні позначення, які вказують на принцип його дії (систему), клас точності, характер струму (постійний чи змінний; і постійний, і змінний), установку приладу (вертикальне чи горизонтальне положення) та інші характеристики приладу. Таблиця основних умовних позначень наведена в додатку цього посібника.

Прилади магнітоелектричної системи призначені для вимірювання сили струму і напруги в колі постійного стуму. Принцип дії цих приладів полягає у взаємодії магнітних полів постійного магніту і струму, що йде по обмотці прямокутної рамки, яка розміщена між полюсами магніту і може обертатись навколо осі. Обмотка рамки виготовлена з тонкого ізольованого дроту. На рамку, з якою скріплена стрілка-вказівник, в полі магніту діє пара сил, внаслідок чого рамка разом із стрілкою повертається на кут, величина якого пропорційна вимірюваній силі струму, що протікає через обмотку. При повороті рамки кінець стрілки переміщується по шкалі, на якій нанесені поділки, що відповідають різним значенням вимірюваної сили струму або напруги.

Прилади електромагнітної системи використовуються в електричних колах постійного та змінного струму. Принцип їх дії полягає у взаємодії магнітного поля нерухомої котушки, по обмотці якої проходить вимірюваний струм, і рухомого залізного сердечника, що закріплений ексцентрично на осі і може входити в котушку, повертаючись навколо цієї осі. Під дією магнітного поля струму, що проходить по котушці, залізний сердечник втягується у котушку і повертається при цьому на певний кут навколо осі разом із стрілкою, яка закріплена на ньому. Кут повороту стрілки пропорційний квадрату сили вимірюваного струму.

Дія приладів електромеханічної системи, які призначені для вимірювань в колах постійного і змінного струму, ґрунтується на взаємодії магнітних полів двох котушок із струмом, одна з яких рухома, а друга — нерухома. Рухома котушка разом із стрілкою, що скріплена з нею, може повертатись навколо осі всередині нерухомої. В залежності від величини струму в електричному колі, в яке вмикається прилад, обмотки котушок з’єднані або послідовно (при струмах менших ніж 0,5 А), або паралельно. При послідовному з'єднанні під дією обертаючого моменту сил, зумовленому взаємодією струмів в котушках, рухома котушка повертається на кут, який пропорційний квадрату сили вимірюваного струму, що проходить через обидві котушки. Якщо котушки з'єднані паралельно, то вимірюваний струм розгалужується на два струми, один з яких проходить через нерухому котушку, а другий — через рухому. У цьому випадку кут повороту рухомої котушки пропорційний як силі струму в нерухомій котушці, так і силі струму в рухомій (добутку відповідних двох сил струмів).

В усіх розглянутих вище системах електровимірювальних приладів при повороті рухомої частини приладу, зумовленому дією обертаючого моменту сил магнітного поля, виникає протидіючий момент сил, для створення якого використовується стальна пружина. Протидіючий момент пружних сил зростає пропорційно куту повороту рухомої частини приладу. При до­сягненні рівності обертаючого і протидіючого моментів сил рухома частина приладу зупиняється, а разом з нею зупиняється на певній поділці шкали приладу, яка відповідає вимірюваному значенню електричної величини, і кінець стрілки, що скріплена з рухомою частиною.

Електронні вимірювальні прилади (осцилографи, вольтметри, фазометри, частотоміри та інші) являють собою складні електронні пристрої, складовими частинами яких є підсилювачі, випрямлячі, генератори, імпульсні пристрої і т.д. Велике поширення мають електронні цифрові вимірювальні прилади, особливістю яких є представлення вимірюваної величини в цифровій формі (на цифровому табло). Наприклад, цифровий вольтметр складається з аналого-цифрового перетворювача (АЦП), цифрового індикаторного пристрою, вхідного пристрою, блоків керування і живлення. Основним вузлом цифрового вольтметра є АЦП, в якому величина вимірюваної напруги перетворюється в двійковий код (кодується в двійковій системі). В цифровому індикаторному пристрої цей код перетворюється в код індикатора, у відповідності з яким індикатор відображає вимірювану величину на цифровому табло. Керування роботою всіх вузлів цифрового вольтметра здійснюється за допомогою мікропроцесора.