Электрические измерения

Нормальная работа электрических установок невозможна без систематического контроля. Однако о качестве их работы, об отклонениях от предписанного режима лишь только в некоторых случаях можно судить на основании внешнего осмотра. В большин­стве случаев необходимо периодически или непрерывно измерять величины, которые характеризуют состояния и режимы работы ус­тановки в целом или ее элементов.

Для этого применяют различные электроизмерительные приборы, которыми измеряют ток, напряжение, мощность, расход энергии, электрическое сопротивление и другие величины.

Электроизмерительные приборы и методы применяют и для из­мерения многочисленных неэлектрических величин: давления, температуры, расхода жидкостей и газов, деформации твердых тел и т. д. Электрические измерения важны не только как источник из­мерительной информации для обслуживающего персонала. Не меньшее значение они имеют в автоматике, так как электрические сигналы о состоянии или изменении режима того или иного объек­та могут быть направлены в устройства автоматического регулирования и управления.

Общие сведение об электроизмерениях и электроизмерительных приборах

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 А_и прибавить некоторую величину δА, называемую поправкой: А= А_и + 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: γ_пр%=100∆А/A_пр.

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).

Д ля 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.

О бщие 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 М_вр, который возникает при подаче в прибор изме­ряемой величины, подвижная часть поворачивается и стрелка ухо­дит с нулевой отметки.

При любой величине М_вр стрелка 3 уйдет за пределы шкалы 4, если нет противодействия повороту. Противодействующий момент М_пр 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. М_пр увеличивается пропорционально углу отклонения α:М_пр=k_пр α, где k_пр — коэффициент пропорциональности. Пред­положим, что вращающий момент пропорционален измеряемому току (току в катушке I_к) М_вр = k_вр I_к, как у прибора магнитоэлек­трической системы. Подвижная часть прибора останавливается и стрелка показывает измеряемую величину при равенстве моментов М_вр = М_пр, т. е. k_вр I_к = k_пр 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.