Электроизмерительные приборы

Под относительной погрешностью будем понимать отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженной в процентах:

 

,

 

где – относительная погрешность – величина безразмерная.

Из этой зависимости видно, что даже при неизменной абсолютной погрешности по всей шкале прибора относительная погрешность по мере уменьшения действительного значения измеряемой величины не остается постоянной, а увеличивается, стремясь к бесконечности, а при увеличении действительного значения уменьшается.

Рассмотрим это на примере. Пусть имеется вольтметр магнитоэлектрической системы с пределом измерения 0,250 В, класса точности 1,5, с 50 разными делениями шкалы. Абсолютная погрешность показания прибора в любом месте шкалы не более чем 1,5% от 250 В, т.е.

,

или не более, чем 1,5% от 50 делений:

.

 

Следовательно, при отсчете, например, 150 В (30 делений) относительная погрешность измерения не превышает значения, определяемого по формуле:

 

,

 

а при отсчете 50 В (10 делений) эта погрешность будет равна:

 

.

 

Обратите внимание на эти цифры. Измерения производились одним и тем же прибором, причем в первом случае измеряемая величина (150 В) находилась ближе к пределу измерения, а во втором (50 В) – дальше от него. Точность же измерения первой величины превышает точность измерения второй величины в 3 раза. Если бы этим прибором измерялось напряжение еще меньшее, и точность измерения была бы меньшей.

Отсюда следует два вывода:

1. Характеризовать точность прибора  по относительной погрешности  нельзя, так как она является величиной переменной, зависящей от численного значения измеряемой величины.

2. Точность измерения тем выше, чем ближе значение измеряемой  величины к пределу измерения. Поэтому, работая с многопредельными  приборами, надо так выбирать  предел измерения, чтобы измеряемая величина по возможности приближалась к пределу измерения прибора (чтобы отсчет получался в конце шкалы в последней трети ее).

Относительная погрешность служит сравнительной оценкой точности измерений.

Для сравнения же приборов по степени достоверности их результатов пользуются не относительной, а приведенной погрешностью.

Под приведенной погрешностью прибора понимают отношение абсолютной погрешности к пределу измерений прибора, выраженное в процентах:

 

,

 

где – приведенная погрешность – величина безразмерная;

       – предел измерения прибора.

По приведенной погрешности устанавливается класс точности прибора, который указывает максимальное значение этой погрешности для данного типа прибора.

 

Принцип действия электроизмерительных приборов

 

В основе работы электроизмерительных приборов заложены различные системы. Рассмотрим основные из них: магнитоэлектрическую, электромагнитную и электродинамическую:

а) магнитоэлектрическая – работа приборов этой системы основана на взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Между полюсами постоянного магнита (рис. 4) на цилиндрическом стержне помещена легкая рамка с обмоткой из тонкой проволоки, по которой пропускается измеряемый ток.

При прохождении тока через обмотку рамки поле магнита действует на проводники рамки и поворачивает ее. Чем больше ток, тем больше поворачивается рамка и скрепленный с ней указатель прибора.

Достоинствами приборов этой системы являются: высокая чувствительность (могут быть рассчитаны на измерение весьма малых токов и напряжений), точность показаний, равномерность шкалы, малое потребление энергии. К недостаткам относятся возможность измерения только в цепях постоянного тока, чувствительность к перегрузкам;

 

 

Рис. 4. Магнитоэлектрическая система

 

б) электромагнитная – приборы этой системы имеют неподвижную катушку и подвижной сердечник из мягкого железа, укрепленный на оси со стрелкой (рис. 5).

 

Рис. 5. Электромагнитная система

Когда измеряемый ток проходит по обмотке катушки, магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его в неподвижную катушку.

Чем больше ток, тем сильнее втягивается сердечник и на больший угол поворачивается стрелка прибора. С изменением направления тока меняется как направление магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника, поэтому приборы этой системы применяются для измерения как на постоянном, так и на переменном токе.

Достоинствами приборов этой системы являются возможность измерения переменного и постоянного тока, простота конструкции, выносливость в отношении кратковременных перегрузок. К недостаткам относятся неравномерность шкалы, зависимость показаний от внешних магнитных полей;

в) электродинамическая – принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии токов, протекающих по двум рамкам (катушкам),  из которых одна подвижная, другая неподвижная (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Электродинамическая система

 

Внутри неподвижно закрепленной катушки может вращаться на оси подвижная катушка, с которой жестко связан указатель прибора. Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки и тока в подвижной катушке создается вращающий момент, под действием которого подвижная катушка и вместе с ней стрелка прибора поворачивается на некоторый угол. В зависимости от назначения приборов катушки соединяются либо последовательно (в этом случае прибор используется как вольтметр), либо параллельно (прибор в этом случае используют в качестве амперметра).

Достоинствами приборов этой системы являются возможность измерения как на постоянном, так и на переменном токе, достаточная точность. К недостаткам относятся неравномерность шкалы, чувствительность к внешним магнитным полям, большая чувствительность к перегрузкам.

 

Амперметры, вольтметры, омметры

 

Амперметры – приборы, предназначенные для измерения величины тока. При измерениях амперметр включается в цепь последовательно. Для получения высокой точности измерения внутреннее сопротивление амперметра должно быть во много раз меньше сопротивления всей цепи. Чтобы измерить токи больше, чем ток полного отклонения прибора, необходимо параллельно прибору включить сопротивление, называемое шунтом.

 

 

Сопротивление шунта рассчитывают, используя закон распределения токов при параллельном соединении проводников:

 

,

 

где – ток в амперметре; – ток в шунте; – сопротивление амперметра; – сопротивление шунта.

Приборы часто снабжают не одним шунтом, а набором их. При шунтировании через амперметр проходит не весь, а только часть измеряемого тока, измерив которую, легко определить весь ток цепи I.

Вольтметры – это приборы, предназначенные для измерения напряжения. Они включаются параллельно участку цепи, на котором нужно измерить напряжение. Для того чтобы включение вольтметра не изменило режима цепи, сопротивление его должно быть очень велико по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Для измерения переменных напряжений в схему вольтметра постоянного напряжения включают выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянный. Для расширения пределов измерений вольтметра необходимо в цепь включить последовательно с ним добавочное сопротивление.

 

 

При этом: ,

где – сопротивление вольтметра;

       – общее сопротивление;

        U – полное подводимое напряжение;

       – напряжение на вольтметре.

Омметры – приборы, предназначенные для измерения сопротивления, шкала которых проградуирована в единицах сопротивления. Омметр представляет собой миллиамперметр со встроенным источником постоянного тока.

Сопротивление можно вычислить и по закону Ома, измерив по вольтметру и амперметру падение напряжения на измеряемом сопротивлении и ток, протекающий по нему.

 

Контрольные вопросы

 

1. По какому принципу  классифицируются электроизмерительные приборы?

2. Устройство и принцип  действия приборов различных  систем.

3. Основные технические требования, предъявляемые к измерительным приборам.

4. Как определить чувствительность  прибора?

5. Как расширить пределы  измерения электроизмерительных приборов?

6. Для каких целей  используются многопредельные приборы? Каким образом проводятся измерения с помощью этих приборов?

7. Как по классу точности  определяются абсолютная, относительная и приведенная погрешность измерений?