Классификация электроизмерительных приборов, условные обозначения на шкалах приборов. Принцип действия электроизмерительных приборов и электрические измерения Электроизмерительных приборов применяемых в хозяйстве

Все электроизмерительные приборы по принципу действия разделяются на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и электростатические. Измерение тока, напряжения, сопротивления и мощности в большей части электроизмерительных приборов сводится к определению силы тока по результатам его взаимодействия с магнитным полем проводника или по удлинению проводника вследствие его нагрева при прохождении тока.

Так, принцип действия электромагнитных приборов, можно уяснить из рис. 175, а. При пропускании измеряемого тока через катушку 1 сердечник из мягкой листовой стали 2 будет втягиваться в катушку, поворачивая стрелку 3, сидящую на оси, скрепленной с сердечником. Отклонение стрелки покажет величину измерения на шкале, соответственно проградуированной. Воздушный тормоз 4 (демпфер) служит для успокоения колебаний стрел-ки. Электромагнитные приборы могут применяться для измерений в цепях как переменного , так и постоянного тока .

Принцип действия магнитоэлектрических приборов легко уясняется из рис. 175, б; он аналогичен принципу работы электродвигателя. При пропускании измеряемого тока через рамку (несколько витков изолированной проволоки), помещенную между полюсами постоянного магнита, магнитные поля их взаимодейству-ют, и рамка, и сидящая на одной оси с ней стрелка поворачивают-ся на определенный угол, пропорциональный току или напряжению. Эти приборы дают точные показания, но без дополнительных устройств могут применяться для измерения небольших значений и только для постоянного тока.

В электродинамических пpибоpах, в отличие от магнитоэлектрических, магнитное поле, в котором поворачивается рамка, создается не постоянным магнитом, а катушкой с током. У этих приборов (рис. 175, в) имеются две катушки: неподвижная 1 и подвижная II (рамка, жестко соединенная со стрелкой). На рис. 175, в справа показана схема соединения катушек при измерении тока. При пропускании измеряемого тока через катушки их поля взаимодействуют, в результате чего подвижная катушка, связанная со стрелкой, отклоняется и показание снимается по шкале, соответственно проградуированной. Эти приборы применяют для измерений переменного и постоянного тока.

Принцип работы тепловых приборов основан на удлинении проводников, нагреваемых измеряемым током. Они могут при-меняться как для постоянного, так и переменного тока.

Электростатические приборы измеряют напряжение в цепи по силе взаимного притяжения пластин конденсатора .

Все электроизмерительные приборы, в зависимости от ошибок (погрешностей), которые получаются при измерении, разделяются по классу точности. В России выпускаются приборы семи классов:

0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры показывают класс точности прибора и означают отноше-ние в процентах максимальной основной аб-солютной погрешности к максимальному зна-чению измеряемой данным прибором величи-ны.

На судах находят широкое применение следующие приборы:

1) для измерения силы тока в цепи — амперметры, включаемые в цепь последовательно;

2) для измерения напряжения тока в цепи — вольтметры, включаемые параллельно тому участку, на концах которого измеряется напряжение;

3) для измерения сопротивления участка цепи — омметры;

4) для измерения мощности — ваттметры.

При постоянном токе мощность измеряют, пользуясь амперметром и вольтметром, включенными в цепь (рис. 176, а). Произведение показаний этих приборов в какой-либо момент времени даст мощность в ваттах. Ваттметры показывают величину мощности в ваттах на специально отградуированной шкале. Схема включе-ния ваттметра в сеть приведена на рис. 176, б. Измерительные приборы.

Одним из самых опасных факторов, связанных с эксплуатацией электричества является то, что наличие тока в цепи можно определить, только очутившись под его воздействием, т.е. соприкоснувшись с ним. До этого момента электрический ток ничем не выдает своего присутствия. В связи с таким поведением возникает острая необходимость его обнаружения и измерения. Зная магнитную природу электричества, мы можем не только определить наличие/отсутствие тока, но и измерить его.

Существует много приборов для измерения электрических величин. Многие из них имеют обмотку магнита. Ток, протекая по обмотке, возбуждает магнитное поле и отклоняет стрелку прибора. Чем сильнее ток, тем больше отклоняется стрелка. Для большей точности измерений применяется зеркальная шкала, чтобы взгляд на стрелку был перпендикулярен измерительной панели.

Для измерения тока используется амперметр. Он включается в цепь последовательно. Чтобы измерить ток, величина которого больше номинального, чувствительность прибора уменьшают шунтом (мощным сопротивлением).

Напряжение измеряют вольтметром, к цепи он подключается параллельно.
Комбинированный прибор для измерения и тока и напряжения называют авометром.
Для замеров сопротивления используют омметр или мегомметр. Этими приборами часто прозванивают цепь, чтобы найти обрыв или удостовериться в ее целостности.
Измерительные приборы должны проходить периодическое тестирование.

На крупных предприятиях специально для этих целей создаются измерительные лаборатории. После тестирования прибора лаборатория ставит на его лицевую сторону свое клеймо. Наличие клейма говорит о том, что прибор работоспособен, имеет допустимую точность (погрешность) измерения и, при условии правильной эксплуатации, до следующей поверки его показаниям можно верить.

Счетчик электроэнергии тоже является измерительным прибором, в который добавлена еще и функция учета используемой электроэнергии. Принцип действия счётчика предельно прост, как и его устройство. Он имеет обычный электродвигатель с редуктором, подключенным к колесикам с циферками. При увеличении силы тока в цепи двигатель крутится быстрей, быстрее перемещаются и сами цифры.
В быту мы пользуемся не профессиональной измерительной техникой, но в силу отсутствия необходимости очень точного измерения это не столь существенно.

Электрические приборы предназначены для измерения электрических ве­личин. Приборы, изучаемые в данной работе, относятся к группе показываю­щих, т. е. прямого действия (искомое значение физической величины определяют непосредственно по показанию прибора). По способу преобразования электрической энергии, подводимой к прибору, в механическую энергию перемещения подвижной части и по конструктивным особенностям измерительного механизма приборы делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, ферродина­ми­ческие, индукци­он­­ные и др.

Условное обозначение принципа действия электроизмерительного прибора указывается на его шкале (табл. 1).

Таблица 1

Условные обозначения на шкале прибора

Магнитоэлектрические приборы, в которых катушка с током взаимо-действует с полем постоянного магнита, по­лучили широкое распространение для измерения постоянного тока (амперметры) и напряжения (вольтметры). Такие приборы имеют равномерную шкалу отсчета и высокую чувствительность. Для расширения предела измерения амперметры включаются в схему с по­мощью шунтов, а вольтметры – с добавочным со­противлением.

Схемы подключения магнитоэлектрических приборов приведены на рис. 1, где r A , r V – сопротивления измерительных приборов; R д – добавочный рези­стор; R ш – сопротивление шунта, которое может быть встроено в прибор или включено отдельно; I , I А – направление тока в цепи и катушке; U V , U д, U – соответственно напряжение на измерительном приборе, резисторе R д, измеряемое.

B электромагнитных приборах магнитное поле неподвижной катушки воздействует на подвижную ферромагнитную пластину, перемещая ее относительно катушки. В электромагнитных амперметрах катушка включается в сеть последовательно. Предел измерения устанавливается изменением числа витков измерительной катушки. Для измерения значительных переменных тока и напряжения применяются измерительные трансформаторы тока и напряжения. Катушки вольтметров включаются в сеть через большое добавочное сопротивление. Электромагнитные приборы просты, надежны, выдерживают значительные перегрузки, могут быть использованы в цепях постоянного и переменного тока, однако они имеют низкую чувствительность, малую точность, неравномерную шкалу, потребляют большую мощность.

В электродинамических приборах используется взаимодействие полей двух катушек с током, работают такие приборы как на постоянном, так и на переменном токе в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, фазометров. Основные недостатки электродинамических приборов – влияние внешних магнитных полей и слабый вращающий момент.

В ферродинамических приборах электродинамической системы в измерительном механизме используется стальной магнитопровод. Применение стали уменьшает точность прибора вследствие влияния гистерезиса и вихревых токов, сильно усложняет конструкцию прибора. В силу этих причин ферродинамические приборы для точных измерений мало пригодны и применяются главным образом в качестве регистрирующих приборов и щитовых ваттметров (посл­едние не имеют недостатков электродинамических ваттметров и значительно точнее индукционных).

В электростатических приборах для перемещения подвижной части измерительного механизма используют энергию электрического поля системы электродов. Такие приборы имеют практически равномерную шкалу, применяются для измерения только напряжения постоянного и переменного тока от 10 до десятков киловольт, имеют высший класс точности (0,05) и не потребляют активной мощности.

В индукционных приборах вращающий момент создается взаимодействием токов, наводимых в подвижной части прибора, металлическом диске, с магнитными потоками неподвижных электромагнитов. В индукционном ваттметре одна катушка включается последовательно в цепь, а вторая – параллельно, благодаря чему поток первой катушки пропорционален току I , a второй – напряжению U . Измерительный механизм индукционной системы применяется также в счетчиках электрической энергии переменного тока.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) имеют следующие преиму­щества по сравнению с аналоговыми: высокую точность измерения, широкий диапазон, индикацию результатов в цифровой форме, быстродействие, возможность вывода информации на ЭВМ, автоматический процесс измерения, выбор пределов измерения.

Большинство ЦИП имеет несколько диапазонов измерения, для которых указываются предельные значения. Выбор диапазона производится вручную или автоматически. Переключение диапазона сопровождается изменением положения запятой на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Точность измерения определяется погрешностью квантования, которая зависит от числа разрядов ЦОУ.

Сегодня сложно представить себе жизнь без электричества. На нем основаны практически все технические достижения нашего мира. Специально для учета и контроля электричества были созданы электроизмерительные приборы. Первым таким прибором стал электроскоп, который был изобретен в 1735 году французским ученым Шарлем Дюфе для определения наличия электрического заряда. Это прибор сыграл очень важную роль в период, когда электричество только начали изучать более подробно. Сегодня электроизмерительных приборов великое множество. Давайте подробно рассмотрим, по каким критериям производят классификацию этих приборов.

Один из самых важных признаков в систематизации аппаратуры для электроизмерений – это измеряемая ими физическая величина. Согласно с этим все электроизмерительные приборы подразделяют на несколько видов:

• амперметры (приборы для измерения силы тока);
• вольтметры (приборы для измерения напряжения и электродвижущей силы);
• омметры (приборы, измеряющие электрическое сопротивление);
• мультиметры (приборы, которые способны измерять сразу несколько показателей, например, силу тока, напряжение, сопротивление, емкость и индуктивность);
• частотомеры (приборы, измеряющие частоту колебаний тока);
• варметры и ваттметры (приборы для измерения электрической мощности);
• электрические счетчики (приборы для измерения электроэнергии, потребленной за определенный период);
• и др.

Электроизмерительные приборы также классифицируются по следующим признакам:

• назначение;
• методы предоставления замеренных показателей;
• методы измерения;
• конструкция и способы применения;
• принцип действия;
• класс точности;
• род тока.

По назначению различают приборы меры, измерительные преобразователи, измерительные системы и установки и вспомогательные устройства. Результаты измерений могут предоставляться в двух видах, в связи с чем, и представлено разделение на показывающие и регистрирующие приборы. Показывающие приборы выдают значение измеряемой величины в виде цифровых значений на шкале или электронном табло. Регистрирующие приборы предоставляют показания измерений в виде различных графиков и диаграмм на бумаге или фотопленке.

По методам измерения различают электроизмерительные приборы сравнения и оценки. По условиям эксплуатации и конструкции приборы бывают переносные, щитовые и стационарные.

Согласно принципу действия электроизмерительные приборы разделяют на магнитоэлектрические, электродинамические, электромеханические, электромагнитные, индукционные, электростатические, магнитодинамические, ферродинамические, электронные, электрохимические и термоэлектрические. Классификация электроизмерительных приборов по роду тока помогает определить, в каких цепях какого тока может применяться тот или иной измерительный аппарат. Как правило, на приборе с помощью условных обозначений помечают, работает ли он в сетях переменного или постоянного тока. На приборах переменного тока дополнительно указывается диапазон частот, в котором они могут работать.

По классу точности определяют степень погрешности того или иного прибора. Как правило, класс точности также указывается в основных параметрах прибора. Класс точности равен допустимой приведенной погрешности и может колебаться в пределах от 0,05% до 4,0%. Чем ниже процент, тем точнее показываемые прибором результаты измерений. Класс точности приборов определяет максимальную погрешность прибора, которая может быть обусловлена конструктивными особенностями, технологией производства и др. Класс точности показывает отклонения в измерениях при нормальных условиях работы прибора.

Электрическая цепь состоит из источника тока, потребителя энергии, соединительных проводов, измерительных приборов и вспомогательных устройств.

В настоящее время создано и используется на практике очень много самых разнообразных по назначению и конструкции электроизмерительных приборов. Чтобы разобраться во всем их многообразии, необходимо знать основы их классификации.

Существует ряд классификаций электроизмерительных приборов по различным признакам. Одна из них.

В зависимости от назначения и устройства приборы классифицируют:

по принципу действия – электромеханические, выпрямительные, термоэлектрические, электронные, электростатические, детекторные, тепловые;

по роду измеряемого тока – для измерения постоянного тока, переменного тока и универсальные;

по диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные;

по виду получаемой информации – стрелочные (аналоговые), цифровые (дискретные);

по форме представления информации – показывающие, регистрирующие, самопищущие и печатающие.

Наиболее распространенными приборами электромеханического принципа действия, используемые в лабораториях университета, являются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.

Прибор магнитоэлектрической системы

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы (рис.11) предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Применяя, различные преобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы можно использовать в цепях переменного тока высокой частоты для измерения неэлектрических величин (температуры, давлений, перемещений и т.д.).

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитных полей создаваемых постоянным магнитом и измеряемым током, протекающим по катушке.

Приборы магнитоэлектрической системы состоят из постоянного магнита создающего постоянное магнитное поле, усиливаемое полюсными башмаками между которыми устанавливается катушка, изготовленная из алюминиевого каркаса и обмотки. На подвижной катушке закреплена показывающая стрелка, а её вращение уравновешивается спиральными пружинами.

В приборах магнитоэлектрической системы вращающий магнитный момент пропорционален силе проходящего по подвижной катушке тока. Противодействующий механический момент создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу закручивания, следовательно, угол отклонения катушки, и скрепленной с нею стрелки, будет пропорционален силе протекающего по обмотке тока.

Линейная зависимость между током и углом отклонения обеспечивает равномерность шкалы прибора. Корректор позволяет изменить положение закрепленного конца одной из спиральных пружин и тем самым производить установку прибора на нуль. Так как каркас подвижной катушки изготовлен из алюминия, то есть из проводника, то возникающие в нем при движении в магнитном поле индукционные токи создают тормозящий момент, что обуславливает быстрое успокоение.

В приборах магнитоэлектрической системы возможны следующие режимы работы:

Апериодический режим. Это такой режим, при котором подвижная катушка прибора под действием тока плавно подходит к положению равновесия, не переходя через него.

Периодический режим. Движение подвижной катушки прибора в этом случае происходит так, что, двигаясь к положению равновесия, она переходит через него и занимает его после нескольких колебаний.

Критический режим. Это такой режим, при котором подвижная катушка прибора под действием тока подходит к положению равновесия за кратчайшее время. Этот режим наиболее выгоден для работы.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: высокая чувствительность и точность показаний; нечувствительность к внешним магнитным полям; малое потребление энергии; равномерность шкалы; апериодичность (стрелка быстро устанавливается на соответствующем делении почти без колебаний).

К недостаткам приборов этой системы относятся: возможность измерения без дополнительных устройств физических величин только в цепи постоянного тока; чувствительность к перегрузкам.

Прибор электромагнитной системы

Электроизмерительные приборы электромагнитной системы (рис.12) предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока.

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля создаваемого протекающим по неподвижной катушке тока и подвижного железного сердечника.

Приборы электромагнитной системы состоят из неподвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток, железного сердечника особой формы с отверстиями закрепленного эксцентрично на оси и имеющего возможность перемещаться относительно катушки, противодействующих спиральных пружин и воздушного успокоителя, представляющего собой камеру в которой перемещается алюминиевый поршенек.

Под действием магнитного поля неподвижной катушки подвижный сердечник стремясь, расположится так, чтобы его пересекало, возможно, больше силовых линий магнитного поля, втягивается в катушку по мере увеличения в ней силы тока. Магнитное поле катушки пропорционально току; намагничивание железного сердечника тоже увеличивается с увеличением тока. Поэтому можно приближенно считать, что в электромагнитных приборах создаваемый вращающий магнитный момент пропорционален квадрату тока. Противодействующий механический момент создаваемый спиральными пружинами пропорционален углу поворота подвижной части прибора, поэтому шкала электромагнитного прибора неравномерная, квадратичная.

В электромагнитных приборах при изменении направления тока меняется как направление создаваемого магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов низких частот без дополнительных устройств.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются: возможность измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов; простота конструкции; механическая прочность; выносливость в отношении перегрузок.

К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы; меньшая точность, чем в магнитоэлектрических приборах; зависимость показаний от внешних магнитных полей.

Прибор электродинамической системы

Электроизмерительные приборы электродинамической системы (рис.13) предназначены для измерения силы тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока.

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей создаваемых измеряемым током, протекающим по неподвижной и подвижной катушкам.

Приборы электродинамической системы состоят из жестко закрепленной неподвижной катушки, закрепленной на оси подвижной катушки (расположена внутри неподвижной катушки) с которой жестко связана стрелка, перемещающаяся над шкалой, противодействующих спиральных пружин и воздушного успокоителя.

Под действием магнитного поля неподвижной катушки и тока в подвижной катушке создается вращающий магнитный момент, под влиянием которого подвижная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельной плоскости витков неподвижной катушки, а их магнитные поля совпадали бы по направлению. В первом приближении вращающий магнитный момент, действующий на подвижную катушку, пропорционален как току в подвижной катушке, так и току в неподвижной катушке. Противодействующий механический момент создаваемый спиральными пружинами пропорционален углу поворота подвижной части прибора, поэтому шкала электродинамического прибора неравномерная. Однако подбором конструкции катушек можно улучшить шкалу, то есть получить равномерную шкалу.

При перемене направления тока в обеих катушках направление вращающего магнитного момента не меняется. Поэтому приборы электродинамической системы применяются для измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов без дополнительных устройств.

В зависимости от назначения электродинамического прибора катушки внутри него соединяются между собой последовательно или параллельно. Если катушки прибора соединить параллельно и установить добавочное сопротивление (шунт – уменьшает сопротивление прибора до требуемого минимального значения), то он может быть использован как амперметр. Если катушки соединить последовательно и присоединить к ним добавочное сопротивление, то прибор может быть использован как вольтметр.

Приборы электродинамической системы используются для измерения потребляемой в цепи мощности – электродинамический ваттметр. Он состоит из двух катушек: неподвижной, с небольшим числом витков толстой проволоки, включенной последовательно с тем участком цепи, в котором требуется измерить расходуемую мощность, и подвижной, содержащей большое число витков тонкой проволоки и помещенной на оси внутри неподвижной катушки. Подвижная катушка включается в цепь подобно вольтметру, то есть параллельно потребителю, и для увеличения её сопротивления последовательно с ней вводится добавочное сопротивление. Отклонение подвижной части прибора пропорционально мощности и поэтому шкалу прибора градуируют в ваттах. Ваттметры электродинамической системы имеют равномерную шкалу.

Достоинствами приборов электродинамической системы являются: возможность измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов; высокая точность. Электродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом в качестве контрольных приборов для измерений в цепях переменного тока.

К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы у амперметров и вольтметров; чувствительность к внешним магнитным полям; большая чувствительность к перегрузкам.

Электростатический вольтметр

Электростатические приборы служат преимущественно для непосредственного измерения высоких напряжений в цепях постоянного и переменного токов – электростатический вольтметр (рис.14).

Принцип действия электростатического вольтметра основан на электростатическом взаимодействии заряженных проводников.

Электростатический вольтметр состоит из неподвижного электрода, представляющего собой металлическую камеру, подвижного алюминиевого электрода в форме пластинки закрепленного на оси, противодействующей спиральной пружины или системы растяжек, системы быстрого успокоения использующей постоянный магнит и светового указателя.

Измеряемое напряжение подводится одним полюсом к неподвижному электроду, а другим к подвижному электроду. Подвижный и неподвижный электроды заряжаются противоположными по знаку зарядами, и возникающая сила притяжения втягивает подвижный электрод внутрь неподвижного. Противодействующий механический момент создается упругими силами спиральной пружины или системы растяжек.

В электростатических приборах моменты, действующие на подвижную часть малы, поэтому для отсчета показаний прибора пользуются световым лучом, отраженным от небольшого легкого зеркальца, укрепленного на оси.

Угол поворота подвижного электрода зависит как от квадрата напряжения, так и от изменения емкости, поэтому шкала электростатического прибора неравномерная, квадратичная. Подбор размеров и формы электродов позволяет получить зависимость емкости от угла поворота постоянной.

Квадратичная зависимость угла поворота подвижного электрода от напряжения позволяет применять такие приборы для измерения не только постоянного напряжения, но и напряжения переменного тока (до частоты прядка 30МГц).

Электростатические приборы имеют малую входную емкость и высокое сопротивление изоляции; поэтому измерение постоянного напряжения происходит практически без потребления мощности самим прибором и с очень малым потреблением мощности при измерении переменного напряжения.

Электростатические вольтметры применяются для измерений высоких напряжений постоянного, а также переменного токов, причем при измерении высокого напряжения переменного тока не требуется применения специальных измерительных трансформаторов.

Электронные приборы

Приборы такой системы содержат одну или несколько электронных ламп и измерительный прибор магнитоэлектрической системы, соединенных в схему позволяющую производить измерения электрических величин(Ламповый милливольтметр В3–38Б рис.15).

Электронные приборы обладают большим входным сопротивлением, выдерживают достаточно большие перегрузки, но имеют малую точность измерений.

Цифровые измерительные приборы

В цифровых измерительных приборах (относятся к электронным приборам) непрерывно измеряемая величина или её аналог, то есть физическая величина, пропорциональная измеряемой, преобразуется в дискретную форму и результат измерения выводится в виде числа, появляющегося на отсчетном или цифропечатающем устройстве.

Достоинствами цифровых измерительных приборов являются: возможность измерения физических величин в цепях как постоянного, так и переменного токов без дополнительных устройств; быстродействие и устойчивость к помехам. Наличие цифрового отсчетного устройства исключает погрешность отсчета измеряемой величины.

Примером многопредельного комбинированного универсального цифрового полупроводникового прибора является вольтметр В7–22А рис.16. Данный прибор используется в цепях как постоянного, так и переменного токов для измерения напряжения, силы тока и сопротивления в широких пределах.

На передней панели полупроводникового вольтметра В7–22А расположены кнопки, нажатием которых, можно выбрать диапазон измерения (например, от 0 до 0,2; от 0 до 2; от 0 до 20 и т.д.) и измеряемую физическую величину (например, напряжение V в вольтах, силу тока mA в миллиамперах, сопротивление kΩ в килоомах).

Многопредельные приборы

Измерительный прибор, электрическую схему которого можно переключать для изменения интервалов измеряемой физической величины, называется многопредельным (рис.17). В случае амперметров изменение пределов измерений достигается включением различных дополнительных сопротивлений называемых шунтами (рис.18а), в случае вольтметров – включением добавочных сопротивлений (рис.18б) расположенных внутри многопредельного прибора.

Применение многопредельных приборов связано с тем, что часто требуется измерять электрические величины в очень широких пределах с достаточной степенью точности в каждом интервале (электромеханические приборы обеспечивают высокую точность, если снимаемые показания находятся в третьей четверти шкалы ). В этом случае многопредельный прибор заменяет несколько однотипных приборов с различными пределами измерения.

Например, при снятии анодных характеристик ламповых и полупроводниковых диодов величина анодного тока, в зависимости от анодного напряжения, может изменяться в пределах от 0 до 5А. Если измерения производить прибором (рис.17), шкала которого рассчитана на 5А, то небольшие токи будут измерены таким прибором с большой погрешностью.

Шкала прибора;

Зеркало, позволяющее исключить погрешность параллакса;

Переключатель пределов измерений;

Клеммы, предназначенные для подключения прибора в электрическую цепь.

Пусть класс точности прибора γ=0,5. Тогда абсолютная погрешность определится из условия:

.

При измерении тока в 4А относительная погрешность составит

.

Если измерить тем же прибором в данном пределе ток в 0,8А, то относительная погрешность возрастет в 5 раз

.

В таких случаях многопредельные приборы переключают на меньший предел измерения, чтобы стрелка отклонилась на максимальный угол, но не выходила за пределы шкалы, то есть прибор следует включить так, чтобы относительная погрешность измерения была минимальной.

Многопредельные приборы снабжаются несколькими шкалами. В этом случае отсчет производится по шкале, соответствующей включению прибора. Если многопредельный прибор имеет одну шкалу, то нахождение измеряемой величины связано с пересчетом. Пересчет состоит в определении переводного коэффициента, которым является цена деления шкалы для данного предела измерений, на который следует умножить отсчет по прибору для того, чтобы получить значение измеряемой величины в соответствующих единицах.

Например, если переключатель измерения силы тока установлен в пределах от 0 до 5А (рис.17) то цена деления прибора равна

.

В этом случае если стрелка прибора расположена на 41 делении, то сила измеряемого тока равна 41·0,1 = 4,1А.

Если переключатель измерения силы тока установлен в пределах от 0 до 2,5А то цена деления прибора равна

.

В этом случае если стрелка прибора расположена на 41 делении, то сила измеряемого тока равна 41·0,05 = 2,05А.

Если переключатель измерения силы тока установлен в пределах от 0 до 1А, то цена деления прибора равна

.

В этом случае если стрелка прибора расположена на 41 делении, то сила измеряемого тока равна 41·0,02 = 0,82А.

Наряду с электромеханическими, электронными и цифровыми приборами в лабораторных работах широко используются электронные осциллографы, генераторы сигналов звуковой частоты, блоки питания, реостаты, потенциометры, магазины сопротивлений, добавочные сопротивления и шунты.

Электронный осциллограф

Электронный осциллограф – прибор для графического изображения функциональной зависимости между двумя или более величинами, характеризующими какой–либо физический процесс.

Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ состоит из стеклянного болона, из которого выкачан воздух до давления порядка 10 -8 мм.рт.ст. рис.19.

Источником электронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Фокусирующий цилиндр 3, регулирует количество вылетающих в единицу времени электронов, то есть яркость пятна на экране. Потенциал фокусирующего цилиндра отрицательный, его иначе называют управляющим электродом. Аноды 4 и 5 ускоряют и фокусируют электроны, концентрируют их в узкий пучок. Подогреватель 1, катод 2, фокусирующий цилиндр 3 и оба анода 4 и 5 образуют так называемую электронную пушку, а фокусирующий цилиндр 3 и система анодов 4 и 5 фокусирующую систему. Выходя из второго анода, электронный пучок проходит между двумя парами пластин 6 и 7 – это вертикально и горизонтально отклоняющие пластины. Между катодом и первым анодом приложено напряжение порядка 10 3 В, электроны ускоряются. Второй анод имеет потенциал выше первого и фокусирует электроны. Между катодом и вторым анодом напряжение составляет 2…5 кВ.

На передней панели электронного осциллографа С1–68 (рис.20) расположены управляющие лучом устройства, позволяющие регулировать фокус, яркость, синхронизировать исследуемый сигнал, перемещать луч вдоль оси Х и Y.

Генераторы сигналов звуковой частоты

Генератор сигналов низкочастотный Г3–109 представляет собой источник переменного напряжения звуковой частоты в пределах от 17,7 до 200000 Гц (рис.21).

На передней панели звукового генератора находится:

Тумблер подключения прибора к сети “вкл.” – “откл.”.

Вольтметр на выходе генератора является индикатором напряжения (Регулятор амплитуды напряжения грубой и тонкой настройки).

Ручка переключения предела частот (множитель частоты) на четыре положения:

17,7–200 Гц; 177–2000 Гц; 1770–200000 Гц.

Лимб со шкалой (главный регулятор частоты), поворачивая который избирается нужная частота.

Клеммы – выход звукового генератора, к которым подключается нагрузка.

Назначение. Электроизмерительные приборы служат для контроля режима работы электрических установок, их испытания и учета расходуемой электрической энергии. В зависимости от назначения электроизмерительные приборы подразделяют на амперметры (измерители тока), вольтметры (измерители напряжения), ваттметры (измерители мощности), омметры (измерители сопротивления), частотомеры (измерители частоты переменного тока), счетчики электрической энергии и др. Различают две категории электроизмерительных приборов: рабочие - для контроля режима работы электрических установок в производственных условиях и образцовые - для градуировки и периодической проверки рабочих приборов. На железнодорожном транспорте электрические измерения получили широкое распространение при эксплуатации и ремонте э. п. с, тепловозов и устройств энергоснабжения железных дорог.

Типы приборов. В зависимости от способа отсчета электроизмерительные приборы разделяют на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения.

Приборами непосредственной оценки, или показывающими, называются такие, которые позволяют производить отсчет измеряемой величины непосредственно на шкале. К ним относятся амперметры, вольтметры, ваттметры и др. Основной частью каждого такого прибора является измерительный механизм. При воздействии измеряемой электрической величины (тока, напряжения, мощности и др.) на измерительный механизм прибора подается соответствующий сигнал на отсчетное устройство, по которому определяют значение измеряемой величины.

По конструкции отсчетного устройства показывающие приборы делятся на приборы с механическим указателем (стрелочные), со световым указателем (зеркальные), с пишущим устройством (самопишущие) и электронные приборы со стрелочным или цифровым указателем отсчета. В стрелочных приборах измерительный механизм поворачивает стрелку на некоторый угол, который определяет значение измеряемой величины (шкала прибора проградуирована в соответствующих единицах: амперах, вольтах, ваттах и пр.).

В электроизмерительных приборах сравнения измерения осуществляются путем сравнения измеряемой величины с какой-либо образцовой мерой или эталоном. К ним относятся различные мосты для измерения сопротивлении и компенсационные измерительные устройства (потенциометры). Последние измеряют разность между измеряемым напряжением или э. д. с. и компенсирующим образцовым напряжением (э. д. с). В качестве сравнивающего прибора обычно используют гальванометр.

Действие электроизмерительных приборов непосредственной оценки основано на различных проявлениях электрического тока (магнитном, тепловом, электродинамическом и пр.), используя которые можно при помощи различных измерительных механизмов вызвать перемещение стрелки.

В зависимости от принципа действия, положенного в основу устройства измерительного механизма, электроизмерительные приборы относятся к различным системам: магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, тепловой, индукционной и др. Приборы каждой из этих систем имеют свои условные обозначения.

Приборы могут выполняться с противодействующей возвратной пружиной и без пружины. В последнем случае они называются логометрами.

Точность приборов. Каждый электроизмерительный прибор имеет некоторую погрешность, которая определяется трением в его осях, технологическими допусками отдельных его деталей, гистерезисом в магнитной системе и т. д. Для оценки точности измерений используют понятие относительная погрешность ?x %. Она представляет собой отношение абсолютной погрешности?x, которая имеет место при измерениях (разность между измеренной величиной x из и ее действительным значением х д), к действительному значению измеряемой величины в процентах:

?x% = (x из — х д )/х д * 100 (91)

Эта погрешность различна при разных значениях измеряемой величины, т. е. для различных делений шкалы прибора. Поэтому точность электроизмерительных приборов оценивают по основной приведенной погрешности ?, которая равна отношению наибольшей абсолютной погрешности?x max для данного прибора к наибольшему (номинальному) значению х ном той величины (тока, напряжения, мощности и пр.), которую может измерять прибор:

?% = ?x max /х ном * 100 (92)

Основной приведенной погрешностью считается погрешность прибора при нормальных условиях его работы. При отклонении от этих условий возникают дополнительные погрешности: температурная (от изменения окружающей температуры), от влияния внешних магнитных полей, от изменения частоты переменного

Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой

Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом

тока и пр. По степени точности электроизмерительные приборы непосредственной оценки подразделяются на восемь классов:

Класс прибора 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5 2,5 4,0
Основная приведенная
погрешность,% ±0,05 ±0,1 ±0,2 ±0,5 ±1,0 ±1,5 ±2,5 ±4,0

К первым трем классам относят точные лабораторные приборы. Приборы классов 0,5; 1,0 и 1,5 используют для различных технических измерений. Они обычно переносные, подключаемые к электрическим установкам только во время измерений.

Приборы классов 2,5 и 4,0 устанавливают постоянно на щитах и панелях управления электрическими установками.

Ошибка в показаниях прибора определяется его классом точности. Например, амперметр класса 1,5 со шкалой на 100 А может дать погрешность (100*1,5)/100= 1,5А.

Погрешность прибора не следует смешивать с погрешностью измерений. Так как погрешность для рассматриваемого прибора, равная 1,5 А, задается независимо от измеряемого им тока, то при токе 50А погрешность измерений будет составлять 3%, а при токе 5А - 30%. Поэтому при измерениях рекомендуется так выбирать приборы, чтобы значения измеряемой величины не были существенно меньшими наибольшего ее значения, указанного на шкале прибора.
Обозначения на шкале. На шкале каждого прибора проставляют соответствующие условные обозначения, характеризующие назначение прибора (амперметр, вольтметр и т. д.), его класс точности, род тока, при котором он может применяться, систему прибора, нормальное его положение при измерениях, испытательное напряжение, при котором проверялась изоляция прибора, и пр. Для указания назначения прибора в его условное обозначение вписывают буквенные символы измеряемых величин, например А (амперметр), V (вольтметр), W (ваттметр).