Тема: Электроизмерительные приборы и электрические измерения.

Основные понятия.

Измерения играют огромную роль в научных исследованиях, промышленности, сельском хозяйстве, медицине и т.д. Современные предприятия оснащены большим числом электрических измерительных приборов, служащих для контроля работы машин и аппаратов, регулирования процессов, измерения параметров и т.д.

Измерением называется процесс сравнения физической величины Х с ее единицей (мерой) М, результат которого выражается числом

Х = N M, где N - безразмерное число; Х и М - величины одинаковой размерности.

К средствам измерений относятся:

1. Меры – технические средства, служащие для конкретного, вещественного воспроизведения единицы физической величины (В, Ом, Гн, Ф и т.д.).

2. Измерительные приборы - технические средства, используемые для осуществления процесса измерения (вольтметры, омметры и т.д.).

3. Измерительные преобразователи - технические средства, служащие для расширения возможностей использования приборов (шунты, делители, трансформаторы, усилители, первичные преобразователи для измерения неэлектрических величин).

Средства измерений делятся на 2 категории:

1. Рабочие средства измерений - для производственных и лабораторных условий,

2. Образцовые средства измерений - для градуировки и периодической поверки рабочих средств измерений.

Приборы классифицируются по ряду признаков. Возможности применения прибора определяются принципом его действия - (физическими явлениями, использованными в конструкции), а затем конструктивными особенностями.

По принципу действия приборы делятся на системы (электромагнитная, магнитоэлектрическая и т.д.).

По роду измеряемой величины приборы делятся на измерители тока (амперметры), напряжения (вольтметры), сопротивления (омметры) и т. д.

Электрические измерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями изменений измеряемой величины, называются аналоговыми. Приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и показания которых представлены в цифровой форме, называются цифровыми приборами.

По способу выдачи измерительной информации приборы делятся на показывающие (допускающие считывание показаний с отсчетного устройства) и регистрирующие (допускающие регистрацию показаний в функции времени).

Приборы различаются на дающие измерительную информацию о текущем значении измеряемой величины и интегрирующие, осуществляющие интегрирование измеряемой величины во времени.

Существуют приборы для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно - приборы сравнения (мосты, потенциометры).

По точности приборы делятся на классы. Число, характеризующее класс, показывает допустимое значение погрешности прибора, выраженное в процентах (кл. от 0,05 до 4,0).

Кроме перечисленного, приборы классифицируются по степени защищенности от внешних магнитных и электрических полей, по характеру применения и т.д.

Аналоговые измерительные приборы.

Самую большую группу приборов составляют аналоговые приборы, измерительная информация у них считывается со шкалы по показанию стрелочного указателя, который поворачивается вместе с подвижной частью под действием измеряемой величины. Вращающий момент, зависящий от измеряемой величины, можно выразить: М = f ( Х ).

Противодействующий момент, создаваемый пружинами, растяжками или подвесом, пропорционален углу поворота подвижной части: Мпр.=Д α

где Д = М_пр/α - удельный противодействующий момент, постоянный для данного устройства. Положение равновесия подвижной части наступает при равенстве моментов М = М_пр, откуда: α = (1/Д) f_л(Х) = f(Х), т. е. угол поворота подвижной части зависит от измеряемой величины.

Если, например, М = f₁( X ) = k₁X и α = (k₁/Д) X = S_хX

Величина S = dα/dx называется чувствительностью прибора. Она численно равна угловому (или линейному) перемещению указателя, соответствующему единице измеряемой величины.

Величина C_х = X/α = 1/S_х называется постоянной прибора. Она численно равна измеряемой величине, соответствующей перемещению указателя на одно деление шкалы прибора.

Шкалой прибора называется часть отсчетного устройства, состоящая из совокупности отметок и поставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть обычные и зеркальные, равномерные, пропорциональные или неравномерные. В приборах с малым вращающим моментом применяют световой указатель и за последние годы получили широкое применение приборы с цифровым отсчётом.

Мощность потерь прибора и его параметры должны быть такими, чтобы включение прибора не вносило изменений в режим работы цепи и не являлось источником погрешностей. То же в отношении температуры нагрева отдельных частей.

Погрешности прибора зависят от многих причин и их делят на две группы:

1. Основная погрешность прибора - погрешность, которую имеет прибор при нормальных условиях работы. Цифра класса точности обозначает основную, наибольшую допустимую приведенную погрешность.

2. Дополнительная погрешность прибора - погрешность, вызванная отклонением условий работы прибора от его нормальных условий.

В аналоговых приборах электрическая энергия преобразуется в механическую, под действием которой подвижная часть прибора вместе с указательной стрелкой поворачивается на некоторый угол. Рассмотрим для примера устройство прибора электромагнитной системы.

Рис.23. Схематическое устройство прибора электромагнитной системы.

Подвижная часть состоит из оси 1, на которой смонтированы: устройство для создания вращающего момента (сердечник 7 и катушка 8), спиральная пружина 10 для создания противодействующего момента, стрелочный указатель 3. Один конец пружины 10 укреплен на оси 1, а другой соединен с поводком 2 корректора, служащего для устранения смещения стрелки с нуля. Для установки центра тяжести подвижной части на ось вращения служат грузики - противовесы 9. Для устранения колебаний подвижной части применяют воздушные или магнитоиндукционные успокоители (поршень 5 с цилиндром 4). Концы оси 1 (керны) упираются в углубления подпятников 6, которые выполняются из полудрагоценных камней.

Приборы электромагнитной системы имеют простую конструкцию. Для создания М_вр. используется силовое действие магнитного поля катушки 8 на подвижный ферромагнитный сердечник 7, который втягивается в щель, поворачивая ось 1. М_вр. . равен первой производной от изменения энергии магнитного поля по углу поворота:

М_вр = dW_m/dα =( d/dα )( Li²/2) = (i²/ 2)dL/dα ),

где: L - индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника,

i - измеряемый ток.

(i²/2) (dL/dα ) = Дα, т. е. α = k i², где k = (1/2D ) (dL/dα) - коэффициент, зависящий от свойств катушки, от материала и формы сердечника, его положения. Прибор применяется для измерения действующего переменного и постоянного тока, может измерять напряжение U. Шкала квадратичная, т.е. неравномерная.

В магнитоэлектрических приборах вращающий момент создается за счет взаимодействия тока, протекающего по виткам подвижной катушки с магнитным полем постоянного магнита.

В приборах электродинамической системы Мвр. обусловлен взаимодействием катушек с токами и т. д.