Все электроизмерительные приборы подразделяются:
а) по классу (по точности показаний);
б) по роду измеряемой величины (ток, напряжение, мощность и т. п.);
в) по роду тока, при котором могут производиться измерения (постоянный, переменный однофазный, переменный трехфазный);
г) по системе (по принципу действия).
На шкалах приборов всегда наносятся условные обозначения, характеризующие все основные данные прибора. Эти обозначения приведены в табл. 1.
При всяком измерении результат измерения в той или иной мере отличен от истинного значения измеряемой величины. Разность величины показаний и истинного значения измеряемой величины, обусловленная только несовершенством конструкции прибора при нормальных условиях его работы, называется основной абсолютной погрешностью Δa0.
Отношение максимальной основной абсолютной погрешности Δa0 макс к максимальному значению измеряемой при помощи данного прибора величины aмакс, выраженное в процентах, обозначается δмакс и определяет класс прибора
Точность измерения определяется не только классом прибора.
Рассмотрим пример.
Ток величиной 5 а измеряется прибором класса 0,2, имеющим шкалу 100 а, и прибором класса 1, имеющим шкалу 5,0 а. Определим максимальные основные погрешности измерения.
Таблица 1. Условное обозначение систем приборов и их технических характеристик
В большей части приборов и электрических машинах силы, действующие на подвижные части, создают так называемый вращающий момент.
Известно, что момент силы F (рис. 1) относительно точки О, не лежащей на линии действия силы, равен произведению силы F на перпендикуляр, опущенный из точки О на направление силы F.
Рис. 1. Вращающий момент
Рассмотрим моменты, создаваемые силами F1, F2 и F3, действующие на тело m относительно точки О. Момент, создаваемый силой F1, стремится повернуть тело m по часовой стрелке, моменты, создаваемые силами F2 и F3, — против часовой стрелки.
Если считать моменты сил, стремящиеся повернуть тело по часовой стрелке, положительными, а против — отрицательными, то суммарный момент (относительно точки О), действующий на тело, равен алгебраической сумме всех моментов, действующих на тело относительно той же точки: M = F1l1 - F2l2 — F3l3
Тело m будет поворачиваться около точки О, если алгебраическая сумма моментов относительно точки О не будет равна нулю.
В большинстве электроизмерительных приборов вращение подвижной системы и связанной с ней указательной стрелки происходит до тех пор, пока момент, создаваемый силами, обусловливаемыми измеряемой величиной, не уравновешивается моментом, препятствующим движению. При этом момент, препятствующий движению, создается пружиной (или системой пружин), связанной со стрелкой прибора.
Устройство простейших приборов
Измерение тока, напряжения, сопротивления и мощности в большей части электроизмерительных приборов сводится к определению силы тока по результатам его взаимодействия с магнитным полем или по удлинению вследствие нагрева проводника, по которому ток проходит.
Приборы, определяющие ток по величине механических сил, действующих на проводник с током в магнитном поле, подразделяются на:
а) магнитоэлектрические;
б) электромагнитные;
в) электродинамические;
г) индукционные.
Приборы, определяющие напряжение по силе взаимного притяжения пластин конденсатора, называются электростатическими.
Приборы, в которых перемещение стрелки происходит вследствие удлинения проводника с током, называются тепловыми.
Конструкция магнитоэлектрического прибора показана на рис. 2. Между башмаками полюсов постоянного магнита установлен цилиндрический железный сердечник А. В воздушном зазоре между
Рис. 2. Конструкция магнитоэлектрического прибора
башмаками и сердечником вращается подвижная прямоугольная рамка, состоящая из нескольких витков изолированной проволоки, уложенной обычно на алюминиевом каркасе. Ось рамки совпадает с осью сердечника.
Благодаря такому устройству прибора проводники находятся в почти равномерном магнитном поле на всем протяжении воздушного промежутка. Ток подводится к рамке особыми спиральными пружинами (на рисунке не показаны), которые создают противодействующий повороту рамки момент.
При прохождении тока по проводникам рамка поворачивается, стараясь занять положение, при котором ее плоскость перпендикулярна магнитным линиям поля. Вместе с рамкой поворачивается и связанная с ней стрелка до тех пор, пока противодействующий момент спиральной пружины (или пружин) не уравновесит момент, создаваемый силами, действующими на обмотку рамки.
Так как рамка движется в равномерном поле, угол поворота ее пропорционален измеряемому току. Поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу.
При движении рамки в магнитном поле в ее каркасе возникают вихревые токи, тормозящие движение и тем самым успокаивающие колебания стрелки прибора, поэтому рамка в таких приборах движется плавно, стрелка быстро устанавливается в положение, при котором производится отсчет.
Магнитоэлектрические приборы обладают большой точностью и высокой чувствительностью. Они находят широкое применение в производственных и лабораторных установках.
Магнитоэлектрические приборы непригодны для измерения переменного тока, так как подвижная рамка не успевает следовать за переменным током и стрелка остается в нулевом положении.
Электромагнитный прибор изображен схематически на рис. 3. Ток проходит по катушке, в которую втягивается плоская стальная пластинка. Пластинка закреплена на оси, с которой жестко связана стрелка. При прохождении тока пластинка втягивается в катушку, поворачивая ось и стрелку.
Рис. 3. Электромагнитный прибор
По мере поворота стрелки закручивается связанная со стрелкой пружина, увеличивается противодействующий момент. Когда вращающий момент, действующий на пластинку, и противодействующий момент пружины уравновешиваются, стрелка останавливается и производится отсчет. Электромагнитные приборы имеют неравномерную шкалу и применяются для грубых измерений постоянного и переменного тока.
В последнее время нашей промышленностью освоены электромагнитные приборы класса 0,5, не чувствительные к внешним магнитным полям (т. е. астатические).
В электродинамических приборах, в отличие от магнитоэлектрических, магнитное поле, в котором поворачивается рамка, создается не постоянным магнитом, а катушкой с током. Таким образом, в приборе (рис. 4) имеются две катушки: неподвижная I и подвижная II (рамка, жестко связанная со стрелкой). На рис. 4 показано схематическое устройство прибора и схема соединения катушек при измерении тока.
Рис. 4. Устройство прибора и схема соединения катушек при измерении тока
При прохождении тока через катушки (в силу взаимодействия магнитных полей катушек) угол поворота подвижной системы пропорционален произведению токов в обеих катушках и, если токи равны, — то квадрату тока. Электродинамические приборы пригодны для измерения постоянного и переменного тока. При прохождении переменного тока сила взаимодействия катушек все время имеет одинаковое направление, так как одновременно изменяются и направление магнитного поля тока в неподвижной катушке, и направление тока в подвижной катушке.
Вследствие индуктивности катушек их сопротивления при постоянном и переменном токе различны. Поэтому показания приборов при постоянном токе могут несколько отличаться от показаний при переменном токе, имеющем действующее значение, равное постоянному току.
Электродинамические приборы, в которых неподвижная катушка имеет стальной сердечник, называются ферродинамическими. Наличие гистерезиса и вихревых токов в сердечнике катушки увеличивает погрешность при измерениях при помощи таких приборов.
Электродинамические приборы благодаря точности показаний, простоте и компактности конструкции получили весьма широкое распространение. Они применяются при измерениях на переменном токе и служат для измерения почти всех электрических величин: тока, напряжения, мощности, сдвига фаз. Однако мощность, потребляемая электродинамическими приборами, сравнительно велика, что является их недостатком.
Измерения при переменном токе можно производить при помощи приборов постоянного тока и дополнительных устройств: термоэлемента или выпрямителя, иначе говоря, при помощи термоэлектрической или детекторной системы.
Принципиальная схема термоэлектрической системы представлена на рис. 5.
Рис. 5. Принципиальная схема термоэлектрической системы
Переменный ток, проходя в проводнике А, разогревает его. С проводником А контактирует точка спая двух проводников из двух разных металлов или сплавов (например, медь и константан). При нагреве спая между концами проводников возникает э. д. с., имеющая постоянное направление, которая и измеряется прибором постоянного тока.
Возникновение этой э. д. с., носящей название термо-э. д. с., было открыто русским физиком Ф. Эпинусом. Два спаянных в одной точке проводника, при нагреве точки спая которых между внешними (холодными) концами возникает э. д. с., образуют термопару; проводник А носит название нагревательного элемента.
Принципиальная схема детекторной системы представлена на рис. 6.
Рис. 6. Принципиальная схема детекторной системы
Как видим, в этой схеме прибор включен в диагональ мостика, составленного из полупроводниковых вентилей В (обычно купроксных).
Рассматривая схему, мы можем заключить, что если точку А подключить к положительному зажиму батареи, а точку Б — к отрицательному, то в цепи потечет ток в направлении АСДБ.
Если пересоединить точки А и Б к зажимам батареи, соединив точку Б с плюсом, а точку А с минусом батарей, то в цепи потечет ток в направлении БСДА.
Таким образом, при любом направлении тока в неразветвленной части цепи ток в ветви СД имеет неизменное направление. В ветвь СД включается прибор постоянного тока, по показаниям которого судят о величине переменного тока в неразветвленной части цепи.
Магнитоэлектрические приборы с купроксными элементами, называемые иногда просто купроксными приборами, обладают весьма высокой точностью измерений.
