Электроизмерительные приборы

Содержание

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно самих приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.

Назначение

Электроизмерительные приборы служат для контроля режима работы электрических установок, их испытания и учета расходуемой электрической энергии. К измерительным приборам относятся разнообразные аппараты, позволяющие получить максимально точные показатели в обозначенных диапазонах.

Классификация

В зависимости от измеряемой или воспроизводимой физической величины электроизмерительные приборы подразделяют на:

Различают две категории электроизмерительных приборов:

Принцип работы

Как выбрать

При выборе электроизмерительных приборов нужно обязательно помнить о том, что для официальных исследований, контроля качества, гарантийного обслуживания, проверки устройств безопасности могут быть использованы только модели, который включены в Государственный реестр средств измерений.

Также имеет смысл выбирать “интеллектуальные” электроизмерительные приборы, преимуществом которых является то, что с их помощью можно не только собирать, но и анализировать измерения. Такие устройства обладают наибольшей производительностью и функциональностью.

Сферы применения

На сегодняшний день большей популярностью пользуются цифровые устройства, так как помимо повышенной точности и чувствительности к измеряемой величине, они обладают компактностью и широким диапазоном измерений. Аналоговые приборы используются в основном в качестве учебных.

Источник

Виды и методы электрических измерений

При изучении электротехники приходится иметь дело с электрическим, магнитными и механическими величинами и измерять эти величины.

В этой статье рассмотрена классификация измерений, наиболее важная для теории и практики электрических измерений. К такой классификации можно отнести классификацию измерений с методологической точки зрения, т. е. в зависимости от общих приемов получения результатов измерений (виды или классы измерений), классификацию измерений в зависимости от использования принципов и средств измерений (методы измерений) и классификацию измерений в зависимости от динамики измеряемых величин.

Виды электрических измерений

В зависимости от общих приемов получения результата измерения делятся на следующие виды: прямые, косвенные и совместные.

К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой Y = Х, где Y — искомое значение измеряемой величины; X — значение, непосредственно получаемое из опытных данных. К этому виду измерений относятся измерения различных физических величин при помощи приборов, градуированных в установленных единицах.

Например, измерения силы тока амперметром, температуры — термометром и т. д. К этому виду измерений относятся и измерения, при которых искомое значение величины определяется непосредственным сравнением ее с мерой. Применяемые средства и простота (или сложность) эксперимента при отнесении измерения к прямому не учитываются.

Методы электрических измерений

В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения.

Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина.

Простейшим примером метода непосредственной оценки может служить измерение какой-либо величины одним прибором, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах.

Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.

Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким образом, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи или напряжения на нем, что может быть зафиксировано при помощи служащих для этой цели приборов — нуль-индикаторов. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также потому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, получается и большая точность измерений.

Примером применения нулевого метода может быть измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

Дифференциальный метод сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и часть признаков нулевого метода. Он может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга.

Например, если разность этих двух величин равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01%, если не учитывать погрешности меры. Примером применения дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое является искомой величиной.

Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины прибором и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По результатам двух измерений может быть вычислена искомая величина. Вследствие того что оба измерения делаются одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Так как погрешность прибора обычно неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.

Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого электрического сопротивления на постоянном токе путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производиться от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изменяемым и образцовым сопротивлениями.

Метод совпадений — это такой метод, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко применяется в практике неэлектрических измерений.

Примером может служить измерение длины штангенциркулем с нониусом. В электрических измерениях в качестве примера можно привести измерение частоты вращения тела стробоскопом.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Характеристика средств измерения электрических величин

Средства измерения электрических величин

Измерением называется процесс нахождения опытным путем значения физической величины с помощью специальных технических средств. Электроизмерительные приборы широко используются при наблюдении за работой электроустановок, при контроле за их состоянием и режимами работы, при учете расхода и качества электрической энергии, при ремонте и наладке электротехнического оборудования.

Электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами в форме, доступной для восприятия наблюдателем или автоматическим устройством.

Электроизмерительные приборы делятся:

Наибольшее распространение получили аналоговые приборы непосредственной оценки, которые классифицируются по признакам: род тока (постоянный или переменный), род измеряемой величины (ток, напряжение, мощность, сдвиг фаз), принцип действия (магнитоэлектрические, электромагнитные, электро- и ферродинамические), класс точности и условия эксплуатации.

Для расширения пределов измерения электрических приборов на постоянном токе используются шунты (для тока) и добавочные сопротивления Rd (для напряжения); на переменном токе трансформаторы тока (тт) и напряжения (тн).

Используемые приборы для измерения электрических величин.

Измерение напряжения осуществляется вольтметром (V), подключаемым непосредственно на зажимы исследуемого участка электрической цепи.

Измерение тока осуществляется амперметром (А), включаемым последовательно с элементами исследуемой цепи.

Измерение мощности (W) и сдвига фаз () в цепях переменного тока производится с помощью ваттметра и фазометра. Эти приборы имеют две обмотки: неподвижную токовую, которая включается последовательно, и подвижную обмотку напряжения, включаемую параллельно.

Для измерения частоты переменного тока (f) применяются частотометры.

Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются: погрешность, вариации показаний, чувствительность, потребляемая мощность, время установления показаний и надежность.

Основными частями электромеханических приборов являются электроизмерительная цепь и измерительный механизм.

Измерительная цепь прибора является преобразователем и состоит из различных соединений активного и реактивного сопротивлений и других элементов в зависимости от характера преобразования. Измерительный механизм преобразует электромагнитную энергию в механическую, необходимую для углового перемещения его подвижной части относительно неподвижной. Угловые перемещения стрелки а функционально связано с крутящим и противодействующим моментом прибора уравнением преобразования вида:

— электрическая величина, под действием которой стрелка прибора отклоняется на угол

На основании данного уравнения можно утверждать, что если:

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

Отсчетное устройство имеет шкалу и указатель. Интервал между соседними метками шкалы называют делением.

Цена деления прибора представляет собой значение измеряемой величины, вызывающее отклонение стрелки прибора на одно деление и определяется зависимостями:

Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. Область между начальным и конечным значениями шкалы называют диапазоном показаний прибора.

Показания электроизмерительных приборов несколько отличаются от действительных значений измеряемых величин. Это вызвано трением в измерительной части механизма, влиянием внешних магнитных и электрических полей, изменением температуры окружающей среды и т.д. Разность между измеренным Аи и действительным Ад значениями контролируемой величины называется абсолютной погрешностью измерений:

Так как абсолютная погрешность не дает представления о степени точности измерений, то используют относительную погрешность:

Поскольку действительное значение измеряемой величины при измерении неизвестно, для определения и можно воспользоваться классом точности прибора.

Амперметры, вольтметры и ваттметры подразделяются на 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, обозначающая класс точности, определяет наибольшую положительную или отрицательную основную приведенную погрешность, которую имеет данный прибор. Например, для класса точности 0,5 приведенная погрешность составит ±0,5%.

Технические характеристики амперметров

Наименование параметра	Амперметры Э47	Вольтметры Э47
Система	электромагнитная	электромагнитная
Способ вывода информации	аналоговый	аналоговый
Диапазон измерений	0. 3000 А	0. 600 В
Способ установки	на панель щита	на панель щита
Способ включения	100 А-через трансформатор тока с вторичным током 5 А	непосредственный
Класс точности	1,5	1,5
Предел допускаемой основной погрешности приборов, %	±1,5	±1,5
Номинальное рабочее напряжение, не более	400 В	600 В
Допустимая длительная перегрузка (не более 2 ч)	120% от конечного значения диапазона измерений	120% от конечного значения диапазона измерений
Средняя наработка до отказа, не менее, ч	65000	65000
Средний срок службы, не менее, лет	8	8
Температура окружающего воздуха, °С	20±5	20±5
Частота измеряемой величины, Гц	45. 65	45. 65
Положение монтажной плоскости	вертикальное	вертикальное
Габариты, мм	72x72x73,5 96x96x73,5	72x72x73,5 96x96x73,5

Электроизмерительные приборы (амперметры и вольтметры) серии Э47

Применяются в низковольтных комплектных устройствах в распределительных электрических сетях жилых, коммерческих и производственных объектов.

Широкий диапазон измерений: амперметры до 3000 А, вольтметры до 600 В. Класс точности 1.5.

Амперметры, рассчитанные на измерение токов выше 50 А подключают к измеряемой цепи через трансформатор тока с номинальным вторичным рабочим током 5 А.

Принцип действия амперметров и вольтметров серии Э47

Амперметры и вольтметры Э47 относятся к приборам с электромагнитной системой. В составе имеют круглую катушку с помещенными внутрь подвижным и неподвижным сердечниками. При протекании тока через витки катушки, создается магнитное поле, намагничивающее оба сердечника. Вследствие чего.

одноименные полюса сердечников отталкиваются, и подвижный сердечник поворачивает ось со стрелкой. Для защиты от негативного влияния внешних магнитных полей, катушка и сердечники защищены металлическим экраном.

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

Измерительные трансформаторы тока и напряжения имеют ферромагнитные магнитопроводы, на которых располагаются первичные и вторичные обмотки. Число витков вторичной обмотки всегда больше первичной.

Сопротивление вольтметра и цепей напряжения измерительных приборов всегда велико и составляет не менее тысячи Ом. В связи с этим трансформатор напряжения работает в режиме холостого хода.

Показания приборов, включенных через трансформаторы тока и напряжения, необходимо умножать на коэффициент трансформации.

Трансформаторы тока ТТИ

Трансформаторы тока ТТИ предназначены: для применения в схемах учета электроэнергии при расчетах с потребителями; для применения в схемах коммерческого учета электроэнергии; для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам или устройствам защиты и управления. Корпус трансформатора выполнен неразборным и опломбирован наклейкой, что делает невозможным доступ ко вторичной обмотке. Клеммные зажимы вторичной обмотки закрываются прозрачной крышкой, что обеспечивает безопасность при эксплуатации. Кроме того, крышку можно опломбировать. Это особенно важно в схемах учета электроэнергии, так как позволяет исключить несанкционированный доступ к клеммным зажимам вторичной обмотки.

Технические характеристики трансформаторов ТТИ

Модификации трансформаторов	Номинальный первичный ток трансформатора, А
ТТИ-А	5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 80; 100; 120; 125; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600; 800; 1000
ТТИ-30	150; 200; 250; 300
ТТИ-40	300; 400; 500; 600
ТТИ-60	600; 750; 800; 1000
ТТИ-85	750; 800; 1000; 1200; 1500
ТТИ-100	1500; 1600; 2000; 2500; 3000
ТТИ-125	1500; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000

Электронные аналоговые приборы представляют собой сочетание различных электронных преобразователей и магнитоэлектрического прибора и служат для измерения электрических величин. Они обладают высоким входным сопротивлением (малым потреблением энергии от объекта измерения) и высокой чувствительностью. Используются для измерения в цепях повышенной и высокой частоты.

Источник

Глава 2. Технические средства измерений электрических величин

Электромеханические измерительные приборы

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) от- личаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разно- образием применения, относительно высокой точностью.

Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразовате- лей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. Так, самый простейший измерительный электро- механический прибор прямого преобразования (вольтметр, ампер- метр) состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ) и отсчетного устрой- ства (ОУ) (рис. 2.1).

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электри- ческой измеряемой величины X в промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемойвеличинойи непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

Рис. 2.1. Структурная схема электромеханического измерительного прибора прямого преобразования

Измерительный механизм является электромеханическим преобразователем, осуществляющим преобразование электриче- ской величины Y в наглядное аналоговое показание – угол α.

На магнитном воздействии электрического тока основаны магнитоэлектрический, электромагнитный, индукционный, элек- тродинамический и вибрационный измерительные механизмы.

Тепловое воздействие электрического тока используют биме- таллический и тепловой измерительные механизмы. На взаимо- действии заряженных электродов, находящихся под напряжени- ем, основан принцип работы электростатического измерительно- го механизма.

Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связан- ного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бываютстрелочные (механические) и световые.

Шкала – это совокупность отметок в виде штрихов, располо- женных вдоль линии, по которым определяют числовое значение измеряемой величины. Шкалы градуируют в единицах измеряе- мой величины – именованная шкала, либо в делениях – неимено- ванная шкала. В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют моменты: вращающий М_вр, противодей- ствующий М_пр и успокоения М_усп.

Вращающий момент М_вр для ИМ, использующих силы элек- тромагнитного поля:

где dW_м – изменение запаса энергии магнитного поля; α – угол отклонения подвижной части.

Противодействующий момент М_пр в электромеханических приборах необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвиж- ной части. В аналоговых электромеханических приборах проти- водействующий момент создается либо при помощи спиральных пружин (растяжек и подвесов), либо за счет энергии электромаг- нитного поля (в логометрах).

В случае, когда противодействующий момент создается спи- ральной пружинкой:

где W_α – удельный противодействующий момент, зависящий от геометрическихразмеров и материала пружины (растяжек).

Момент успокоения М_усп является моментом сил сопротивле- ния движению, направлен всегда навстречу движению подвиж- ной части ИМ и пропорционален угловой скорости отклонения:

где Р –коэффициент успокоения (демпфирования).

В измерительных механизмах наиболее часто применяют магнитоиндукционныеивоздушныеуспокоители. Для созда- ния очень большого успокоения применяют жидкостные успо- коители.

Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов при- боров все они имеют ряд общих узлов и деталей. Такими деталя- ми являются: корпус, шкала, указатель, устройства для установки и уравновешивания подвижной части, создания противодейству- ющего момента и успокоения, корректор, а в высокочувствитель- ных приборах – арретир.

Магнитоэлектрические приборы. Магнитоэлектрические приборы (МЭП) состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства (см. рис. 2.1). Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвиж- ным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Постоянный маг- нит 1, магнитопровод сполюсными наконечниками 2 и непо- движный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником со- здается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в кото- ром находится подвижная прямоугольная катушка 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (применяют ибескаркасные рамки). Катушка (рамка) 4 может поворачиваться в зазоре на полуосях 5 и 6. Спиральные пружины

7 и 8 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (механические и электрические соединения на рис. 2.2 не показа- ны). Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10.

Запас электромагнитной энергии в контуре с током I, находя- щемся в поле постоянного магнита, выражается формулой

где Ψ – полное потокосцепление данного контура с магнитным полем постоянного магнита.

₄ 5

Рис. 2.2. Схема устройства магнитоэлектрического прибора:

1 – постоянный магнит; 2 – полюсные наконечники; 3 – неподвижный сердечник; 4 – прямоугольная катушка; 5, 6 – полуоси, 7, 8 – спиральные пружины; 9 – стрелка; 10 – передвижные грузики

Тогда выражение(2.1) можно представить как

Полное изменение потокосцепления с рамкой через конструк- тивные параметры рамки запишется следующим образом:

где В – индукция в зазоре; S – площадь рамки; w – число витков рамки.

Если положить dα = 1 рад, то произведение BSw – величина постоянная для каждого данного прибора и равная изменению

потокосцепления при повороте рамки на 1 рад. Обозначая его через Ψ₀ запишем:

Подставляя выражение (2.6) в формулу (2.5), получим выра- жение вращающего момента для магнитоэлектрического меха- низма в следующемвиде:

Установившееся положение подвижной части ИМ наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов М_вр = М_пр, т.е. с учетом формулы (2.2) запишем:

Следовательно, уравнение преобразования для магнитоэлек- трического ИМ будет иметь вид:

Также можно записать формулу (2.8) через конструктивные параметры измерительного механизма:

Из формулы (2.9) следует, что угол отклонения подвижной части ИМ прямо пропорционален току в катушке, поэтому маг- нитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы.

В магнитоэлектрических приборах успокоение подвижной ча- сти приборов магнитоиндукционное, т.е. создается взаимодей- ствием магнитных полей от вихревых токов в каркасе катушки и поля постоянного магнита.

Д о с т о и н с т в а : высокий класс точности – 0,05 и ниже, рав- номерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое собственное потребление мощности, большой диапазон измере-

ний, на показания МЭП не влияют внешние магнитные и элек- трические поля.

Н е д о с т а т к и : без преобразователей МЭП используют толь- ко в цепях постоянного тока, имеют малую нагрузочную способ- ность, сложны и дороги, на их показания влияют колебания тем- пературы.

П р и м е н е н и е : магнитоэлектрические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, омметрах и гальванометрах (обыч- ных, баллистических и вибрационных).

Амперметры. Магнитоэлектрический измерительный меха- низм, включенный в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, позволяет измерять токи порядка 20. 50 мА. Для рас- ширения пределов измерения используют шунты (манганиновый резистор), сопротивление которых мало зависит от температуры. Сопротивление шунта R_ш меньше сопротивления прибора R_пр и выбирается из соотношения:

где n – коэффициент шунтирования по току, n=I/I_пр.

Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный меха- низм, включенный параллельно нагрузке. Для расширения преде- лов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор R_доб,сопротивление которогобольше со- противления R_пp:

где m –коэффициент шунтирования по напряжению, m=U/U_пр.

Логометры. Приборы электромеханической группы, измеря- ющие отношение двух электрических величин, обычно двух то- ков α=f(I₁/I₂), что позволяет сделать их показания независимыми в известных пределах от напряжения источника питания. В лого- метрах вращающий и противодействующий моменты создаются

электрическим путем и направлены навстречу друг другу. На рис.2.3 приведена схема устройства магнитоэлектрического ло- гометра.

В поле постоянного магнита помешена подвижная часть, со- стоящая из двух жестко закрепленных под определенным углом рамок. Особой формой полюсных наконечников и сердечника, находящегося между ними, искусственно создается неравномер- ное магнитное поле постоянного магнита. Токи к рамкам подво- дятся через безмоментные токоподводы, не создающие противо- действующего момента.

Направления токов в рамках логометра выбираются так, что- бы моменты М_вр, и М_пр были направлены в разныестороны. Тогда в общем виде можно записать

где I₁ и I₂ – токи в рамках; α – угол отклонения подвижной части от некоторого условного нулевого положения.

3

Рис. 2.3. Схема устройства магнитоэлектрического логометра

Источник