Лекция №7

Электрические измерения

1.Виды и методы электрических измерений.

Классификация погрешностей

Измерение – процесс нахождения опытным путем значения физической величины с помощью специальных технических средств (средств измерения).

Существует два вида измерений:

– прямые; – косвенные.

При прямых измерениях искомое значение физической величины определяют непосредственно по показанию прибора. К ним относятся: измерение тока амперметром, электроэнергии счетчиком, напряжения вольтметром и др.

При косвенных измерениях искомое значение физической величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений. Например, измерив ток и напряжение, можно найти величину электрического сопротивления.

Различают два основных метода измерений:

– метод непосредственной оценки: значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (например, значение тока – по амперметру). Этот метод прост, но имеет сравнительно невысокую точность;

– метод сравнения, при котором измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод точнее, но процесс измерения более сложный.

Метод сравнения имеет несколько разновидностей:

– нулевой метод, при котором результирующий эффект взаимодействия сравниваемых величин на измерительный прибор доводят до нуля, например, измерения электрического сопротивления с помощью уравновешенного моста;

– дифференциальный метод: на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, например, измерение электрического сопротивления с помощью неуравновешенного моста;

– метод замещения, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой и изменяя эту величину, добиваются такого же показания прибора, как и при действии измеряемой величины.

В связи с тем, что абсолютно точных приборов нет, каждое средство измерения характеризуется погрешностью.

Погрешности делятся на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешность Δ – это разность между показанием прибора А и действительным значением измеряемой величины: .

Относительная погрешность δ представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины А. Обычно относительная погрешность выражается в процентах: .

Приведенная погрешность γ представляет собой отношение абсолютной погрешности Δ к нормирующему значению А_N измеряемой величины: .

Нормирующее значение обычно принимают равным верхнему пределу измерения для данного прибора.

По характеру проявления погрешности делятся на:

– систематические – сохраняются постоянными или изменяются по определенному закону, их значение всегда можно учесть, если ввести соответствующие поправки;

– случайные – изменяются по случайному закону, их нельзя исключить, но можно уменьшить проведением многократных измерений;

– грубые погрешности (промахи) – существенно превышают ожидаемые при данных условиях измерения. Возникают из-за человеческого фактора или неучтенных внешних условий. Выявляются только при многократных измерениях. Их исключают в процессе обработки результатов.

Класс точности прибора показывает допустимое значение погрешности прибора, выраженное в процентах, и указывается на лицевой панели прибора. По стандарту класс прибора может быть: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4. Цифра, которая обозначает класс точности, определяет наибольшую положительную или отрицательную приведенную погрешность данного прибора. Например, для класса точности 0,5 приведенная погрешность составит ±0,5%.

2. Средства измерения электрических величин

Средства измерения электрических величин – это технические устройства, используемые при измерениях и имеющие заданные метрологические параметры.

К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и установки.

Мера предназначена для воспроизведения физической величины заданного значения.

К основным мерам электрических величин относятся меры: э.д.с., электрического сопротивления, индуктивности, электрической емкости и др. Меры высшего класса называются образцовыми. Они служат для проверки и градуировки рабочих мер и измерительных приборов.

Измерительные преобразователи предназначены для выработки электрического сигнала в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию. К измерительным преобразователям относятся шунты, выпрямители, трансформаторы, усилители и т.д. Измерительные преобразователи могут быть встроены внутрь прибора или присоединяться снаружи к его зажимам.

Измерительные приборы предназначены для выработки сигналов в форме, доступной для непосредственного наблюдения. К ним относятся, например, амперметр, вольтметр, ваттметр и др.

Электроизмерительная установка представляет собой совокупность мер, измерительных преобразователей и приборов, расположенных в одном месте и предназначенных для выработки сигналов в форме, удобной для непосредственного наблюдения.

Средства измерений, в т.ч. электроизмерительные приборы, можно классифицировать по следующим признакам:

– по виду получаемой информации: на приборы для измерения электрических величин (ток, напряжение, мощность и др.) и неэлектрических величин (температура, давление, влажность и др.);

– по методу измерения: на приборы непосредственной оценки (амперметр, вольтметр и др.) и приборы сравнения (измерительные мосты и компенсаторы);

– по способу представления измеряемой информации: на аналоговые (электромеханические и электронные) и цифровые (дискретные) приборы.

Основные характеристики электроизмерительных приборов: погрешность, вариация показаний, чувствительность, потребляемая мощность, время установления показаний, надежность.

Вариация показаний прибора – наибольшая разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины. Причиной вариации является трение в опорах подвижной части прибора.

Чувствительность S прибора – отношение приращения перемещения указателя к приращению измеряемой величины.

Величина, обратная чувствительности называется ценой деления (постоянной) прибора. Она равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы.

Например, при постоянная .

Потребляемая мощность – это мощность, которую потребляет прибор при включении его в цепь.

Время установления показаний – промежуток времени с момента включения измеряемой величины до момента, когда указатель займет положение, отличающееся от установившегося не более чем на 1,5%.

Надежность – способность электроизмерительных приборов сохранять заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Количественная мера надежности – среднее время безотказной или исправной работы прибора.

3. Электромеханические измерительные

приборы

Общими элементами электромеханических измерительных приборов являются отсчетное устройство, подвижная часть измерительного механизма, устройства для создания вращающего, противодействующего и успокаивающего моментов.

Вращающий момент М_вр действует на подвижную часть и является функцией измеряемой величины х (например, тока или напряжения): М_вр = f(х).

Подвижная часть измерительного механизма под действием М_вр поворачивается до тех пор, пока он не уравновесится противодействующим моментом М_пр. Противодействующий момент создается с помощью растяжек или спиральных пружин при из закручивании и направлен навстречу М_вр. Значение М_пр пропорционально углу поворота подвижной части.

Установившееся отклонение подвижной части и укрепленного на ней указателя характеризуется равенством: М_вр = М_пр

Отсчетное устройство обязательно имеет шкалу и указатель. Шкала может быть равномерной (имеет деления постоянной длины) и неравномерной (деления непостоянной длины).

Значение измеряемой величины отсчитывается с помощью указателя, чаще всего выполненного в виде стрелки. Стрелка жестко соединена с подвижной частью измерительного механизма.

В зависимости от физических явлений, создающих вращающий момент, различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические измерительные механизмы.

Принцип действия прибора, возможность его работы в тех или иных условиях, возможные предельные погрешности прибора можно узнать по условным обозначениям, нанесенным на циферблат прибора.

4. Приборы электромагнитной системы

Приборы этой системы имеют наиболее простую конструкцию. Эти приборы построены по схеме преобразования измеряемой величины в угол поворота стрелки за счет создания механического момента.

Принцип действия этих приборов основан на втягивании стального сердечника в неподвижную катушку при существовании в ней тока.

5. Приборы магнитоэлектрической системы

Достоинства: высокая точность, равномерная шкала, малое потребление энергии от объекта измерения

Недостатки: непригодны к работе в цепях переменного тока, чувствительность к перегрузкам, зависимость показаний от окружающей температуры

Область применения: измерение постоянных токов и напряжений (амперметры, вольтметры, гальванометры), сопротивлений (омметры)

6. Приборы электродинамической системы

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии проводников с токами. Известно, что два проводника с токами взаимно притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и взаимно отталкиваются при различном направлении токов.

7. Приборы ферродинамической системы

Достоинства: имеют большой вращающий момент Мвр, лучше защищены от влияния внешних магнитных полей

Область применения: щитовые амперметры, вольтметры, ваттметры, регистрирующие и самопишущие в цепях переменного тока частотой 50-500 Гц, реже в цепях постоянного тока

8. Приборы электростатической системы

Принцип действия этих приборов основан на использовании взаимного притяжения (или отталкивания) между заряженными проводниками.

9. Термоэлектрические приборы

Эти приборы используются для измерения токов высокой частоты. Термоэлектрический прибор состоит из термопреобразователя, термоэлемента и измерительного прибора И магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь содержит подогреватель 2 и термопару 1 из двух разнородных проводников, спаянных между собой.

10.Выпрямительные приборы

Приборы этой системы представляют собой сочетание выпрямителя и механизма магнитоэлектрической системы. Действие их основано на преобразовании с помощью одно- и двухполупериодных диодных схем выпрямления измеряемого переменного тока или напряжения в пропорциональный последнему постоянный ток, который регистрируется магнитоэлектрическим измерителем.

Основное назначение выпрямительных приборов – измерение токов и напряжений низких (звуковых) частот, например, в цепях усилителей и генераторов НЧ или в измерительных мостах переменного тока. Применяются также в виде ампервольтомметров («тестеров»).