Меры электрических величин

Методы и средства измерений электрических величин.

Несмотря на то, что в историческом плане средства измерений электрических величин появились намного позже чем, например, средства измерений геометрических или механических величин, изложение темы начинаем с этих СИ. Причина такого подхода заключается в том, что, в связи с развитием средств автоматизации технологических процессов и необходимостью передачи измерительной информации на расстояния, удобной формой сигнала измерительной информации является электрический сигнал. Поэтому измерение неэлектрических величин часто сопровождается преобразованием исходного сигнала в электрический сигнал. Значение информативного параметра электрического сигнала отображается с помощью средств электрических измерений. При этом шкала средства измерений, как правило, градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.

При измерении электрических величин реализуют методы непосредственной оценки и методы сравнения с мерой. В первом случае используют измерительные приборы, во втором меры электрических величин и устройства сравнения. При измерении очень больших и очень малых величин применяют масштабные преобразователи.

Меры электрических величин

К числу мер электрических величин относят меры: электродвижущей силы (ЭДС) постоянного тока, электрического сопротивления, индуктивности, емкости.

Мерой ЭДС постоянного тока является нормальный элемент – обратимый гальванический элемент с точно известной ЭДС (рис. 1).

Рис. 1. Нормальный элемент: а – насыщенный, б - ненасыщенный

Электролитом 1 элемента служит водный раствор сульфата кадмия, положительным электродом – ртуть 4 и сульфат закиси ртути 5, отрицательным – амальгама кадмия (раствор кадмия в ртути) 3, выводы 6 электродов изготовлены из платиновой проволоки. В зависимости от состояния электролита НЭ могут быть насыщенными и ненасыщенными. ЭДС насыщенных элементов при 20 ^оС составляет 1,01859 … 1,0187 В, ненасыщенных 1,0188 … 1,0196 В.

Основные характеристики НЭ нормированы ГОСТ 1954—82 «Меры электродвижущей силы рабочие. Элементы нормальные. Общие технические условия».

Диапазон классов точности насыщенных НЭ 0,0002 … 0,005, ненасыщенных – 0,002 … 0,02.

При работе с нагрузкой ЭДС НЭ изменяется, так как под действием электрического тока изменяется концентрация электролита. Мерами напряжения, лишенными недостатков НЭ, являются меры, создаваемые на основе кремниевых стабилитронов. Они обеспечивают стабилизацию напряжения от единиц до сотен вольт при допустимом значении силы тока потребления от микроампер до ампер.

Мерами электрического сопротивления R в цепях постоянного и переменного токов являются измерительные катушки и магазины резисторов (ГОСТ 23737—79 «Меры электрического сопротивления»). Для намотки катушек используется манганиновая проволока или лента. Номинальное значение сопротивления катушек R_ном=10ⁿ (где n = -5…9).

Конструктивная и электрическая схемы катушек приведены на рис. 2. На фарфоровый или латунный каркас 2 бифилярно накладывают обмотку (если сопротивление свыше 0,01 Ом), пластину, пластину, спираль или петлю (если сопротивление 0,01…0,0001 Ом). Концы резисторного элемента 1 подсоединены к токопроводам 3, смонтированным на пластмассовой панели 4, в центре которой расположено гнездо для термометра. На токопроводящих колодках размещены две пары выводов тока

Рис. 2. Схемы измерительной катушки: а – конструктивная, б – электрическая

5 и напряжения 6. Выводы тока подключают в цепь тока, а выводы напряжения – в измерительную цепь, причем значение сопротивления между этими выводами равно номинальному значению сопротивления измерительной катушки. Классы точности измерительных катушек (0,0005 - 0,2) устанавливаются в соответствии с пределом допустимой относительной погрешности.

Сопротивление меры в случае отличия температуры Т окружающей среды от нормальной вычисляется по формуле

,

где α и β - коэффициенты, устанавливаемые стандартом.

Для уменьшения реактивной составляющей сопротивления катушки (в цепях переменного тока) используют специальные виды намотки резистивного элемента и систему экранирования.

Перспективным направлением развития конструкций катушек более низкого сопротивления являются прецизионные печатные резисторы.

При поверке средств измерений широко применяются измерительные магазины резисторов – многозначные меры сопротивления. Магазины сопротивлений имеют переключающие устройства, которые обеспечивают включение резисторов в различных комбинациях и с необходимым значением сопротивления. В зависимости от конструкции переключающих устройств различают следующие типы магазинов: рычажные (рис.3), штепсельные, клавишные, зажимные и др.

Резисторы магазинов объединяют в декады (секции). Номинальное значение сопротивления каждого из резисторов в декаде соответствует определенному десятичному разряду. Требуемое значение сопротивление в декаде набирается с помощью переключателя Номинальное значение сопротивления ступени наименьшей декады 0,01 или 0,1 Ом, наибольшей декады 1000 … 10000 Ом.

Рис. 3. Рычажный магазин резисторов

Класс точности магазинов сопротивлений обозначается в виде отношения c/d, в соответствии с которым предел допускаемой относительной погрешности будет равен

δ=±[c+d·(R_k /R-1)],

где R и R_k - набранное и наибольшее значение сопротивление магазина.

Мерами индуктивности и взаимной индуктивности являются измерительные катушки, характеризуемые малым активным сопротивлением и его независимостью от частоты. Для этого их обмотки выполняются из высокочастотного многожильного медного провода, каждая жила которого изолирована. Номинальные значения индуктивности катушек L_ном=0,000001 …1 Гн при максимальных значениях силы тока 1000 … 10 мА, сопротивления постоянному току 0,1 … 800 Ом и классе точности 0,01 - 5.

Катушки взаимоиндуктивности выполняют аналогично катушкам индуктивности, но имеют две обмотки.

Магазины индуктивностей и взаимоиндуктивностей являются многозначными мерами со ступенчатым или плавным изменением параметров L и M , осуществляемым с помощью штепсельных или рычажных переключателей. Класс точности этих средств измерений не выше 0,01 - 5, индуктивность младшей ступени 0,01 мГн, , частота 20 Гц – 30 МГЦ.

Основные характеристики этих мер нормированы ГОСТ 21175—75 «Меры индуктивности. Общие технические условия» и ГОСТ 20798— 75 «Меры взаимной индуктивности. Общие технические условия».

Мерами емкости (ГОСТ 6746—94) служат измерительные конденсаторы и магазины емкостей. Магазины емкостей конструктивно подобны магазинам сопротивлений и магазинам индуктивностей.

В качестве изолятора в измерительных конденсаторах используют воздух при постоянной и переменной емкости и слюдяные диэлектрики. Выпускают:

-воздушные конденсаторы постоянной емкости;

-воздушные конденсаторы переменной емкости (снабжены шкалой).

Воздушные конденсаторы переменной емкости конструктивно выполнены в виде двух систем алюминиевых пластин - подвижной и неподвижной, снабженной шкалой.

У слюдяных конденсаторов электродами являются алюминиевая или оловянная фольга.

Магазины ёмкостей бывают штепсельными и рычажными. Класс точности не более 0,1 емкость меньшей декады 0,1 пФ, рабочая частота от 40 Гц до 30 кГц, напряжение 5…100 В.

Появление цифровых приборов привело к созданию многозначных мер напряжения и тока, называемых калибраторами.

Таблица 1. Характеристики мер электрических величин

1.2.Электроизмерительные приборы.

По роду измеряемой величины различают электроизмерительные приборы:

-для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры);

-для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры);

-для измерения мощности (ваттметры);

-для измерения энергии (электрические счетчики);

-для измерения угла сдвига фаз (фазометры);

-для измерения частоты тока (частотомеры);

-для измерения сопротивлений (омметры), и т.д.

В зависимости от рода измеряемого тока различают приборы постоянного, переменного однофазного и переменного трехфазного тока.

Исполнение в зависимости от группы эксплуатации:

Группа А – приборы, предназначенные для работы в закрытых сухих отапливаемых помещениях при температуре от +10 до + 35 С и относительной влажности до 80 % (при 30 С);

Группа Б – приборы, предназначенные для работы в закрытых неотапливаемых помещениях при температуре от -30 до + 40 С и относительной влажности до 95 % (при 35 С);

Группа В (В1, В2, В3) – приборы, предназначенные для работы в полевых, морских, а также передвижных установках при температуре от -50 до + 60 С и относительной влажности до 95 % (при 35 С).

По условиям механических воздействий при эксплуатации приборы разделяют на: обыкновенные (О), обыкновенные с повышенной прочностью (ОП), устойчивые к механическим воздействиям – тряскопрочные (ТП), вибропрочные (ВП), нечувствительные к тряске (ТН - тряскоустойчивые), нечувствительные к вибрации (ВН – вибрационно-устойчивые), ударопрочные (УП).

По степени точности приборы подразделяют на классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0.

В зависимости от формы корпуса приборы бывают круглые, квадратные, прямоугольные и секторообразные; по характеру применения — стационарные (жестко укрепленные на месте установки) и переносные, а по положению при измерении — вертикальные, горизонтальные или устанавливаемые под некоторым углом.

Обозначение большинства электроизмерительных приборов состоит из буквы, характеризующей принцип действия, и цифры, определяющей вид и тип прибора, например, обозначение мегаомметра – М4100, амперметра – Д5099. Кроме указанных обозначений применяются буквы: Н – самопишущие приборы; Ф – электронные, фотоэлектронные, фотокомпенсационные; Р – меры и измерительные преобразователи и др. В зависимости от измеряемой физической величины измерительные электрические приборы классифицируются по группам.

Обозначение групп приборов принято буквенное: например, А - амперметры, Б - источники питания, В - вольтметры, Г - генераторы, Е - измерители сопротивления, индуктивности и емкости, С - осциллографы и т. д. Всего электроизмерительные приборы классифицируют по 20 подгруппам.

В зависимости от формы представления измерительной информации на отсчетном устройстве электроизмерительные приборы делят на аналоговые и цифровые. Аналоговые приборы подразделяют на электромеханические и электронные. В первом случае основным является преобразование электрической энергии в механическую энергию, во втором случае дополнительно присутствует изменение параметров электрического сигнала.

Электромеханические измерительные приборы. Электромеханические приборы применяют для измерения электрических величин в цепях постоянного тока и переменного тока низкой (в том числе промышленной) частоты. Также их используют в качестве выходных устройств при измерении неэлектрических величин.

По принципу действия измерительные механизмы электромеханических приборов и сами приборы делят на следующие системы:

1) магнитоэлектрическую М, основанную на взаимодействии подвижной рамки, по которой протекает ток, с полем постоянного магнита;

2) электродинамическую Д, в которой ток протекает по двум взаимодействующим катушкам (подвижной и неподвижной);

3) электромагнитную Э – неподвижная токопроводящая катушка взаимодействует с подвижным ферромагнитным сердечником;

Таблица 2. Условные знаки, указываемые на шкалах электроизмерительных приборов

Знак	Значение знака	Знак	Значение знака
	Магнитоэлектрическая система Магнитоэлектрический логометр   Магнитоэлектрическая система с подвижным магнитом Магнитоэлектрический логометр с подвижным магнитом Электромагнитная система   Электромагнитный логометр   Электродинамическая система		Электродинамический логометр     Ферродинамическая система   Индукционная система     Электростатическая система   Термопреобразователь изолированный   Термопреобразователь неизолированный   Выпрямительный преобразователь

Таблица 2 (продолжение). Условные знаки, указываемые на шкалах электроизмерительных приборов

Знак	Значение знака	Знак	Значение знака
	Электронный преобразователь     Постоянный ток   Переменный однофазный ток   Переменный трехфазный ток   Постоянный и переменный ток   Переменный ток частотой 400 Гц     Горизонтальное положение шкалы   Вертикальное положение		Наклонное положение   Направление ориентировки прибора в земном магнитном поле Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана на напряжение 2 кВ Общий зажим для многопредельных приборов   Зажим, соединенный с экраном   Зажим для заземления   Класс точности прибора Категория защищенности от внешних магнитных полей

4) индукционную И, основанную на взаимодействии переменных магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками, питаемыми переменным током, с токами, индуцированными этими полями в подвижной части механизма;

5) электростатическую С, использующую силы электрического взаимодействия между подвижным и неподвижным электрически заряженными проводниками (электродами).

Разновидностью электродинамической системы является ферродинамическая система, основанная на взаимодействии рамки, по которой протекает ток, с полем электромагнита.

Существуют также измерительные механизмы магнитоиндукционной, вибрационной и тепловой систем. Однако они применяются сравнительно редко и здесь не рассматриваются.

Основной частью конструкции приборов является измерительный механизм. Он преобразует электрическую энергию в механическую энергию, необходимую для отклонения (поворота) его подвижной части. Величина угла поворота подвижной части определяется значением вращающего момента, обусловленным уровнем сигнала измерительной информации, и противодействующим моментом, создаваемым электрическим или механическим способом (спиральные пружины и растяжки) и пропорциональным углу поворота.

Показывающее устройство аналоговых приборов состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и шкалы. Указатели бывают стрелочные и световые.

Магнитоэлектрические измерительные приборы.