2.1.2. Вольтметры

Аналоговые вольтметры постоянного и переменного периодического напряжения строят на базе измерительных механизмов различных типов. Измерительный механизм (ИМ) имеет следующие характеристики: R_м – сопротивление механизма, І_м – ток полного отклонения механизма и следовательно, напряжение полного отклонения стрелки механизма.

.

Если измеряемое постоянное напряжение превышает U_м (U_x>U_м), то включают масштабный преобразователь (делитель) измеряемого напряжения (рис. 2.2). Тогда конечное значение шкалы вольтметра будет U_к = U_{м ∙}К_мп.

Недостатками вольтметра постоянного напряжения будут малое сопротивление между зажимами вольтметра R_v и недостаточная чувствительность.

Рис. 2.2 – Электромеханический вольтметр постоянного напряжения

Электронный аналоговый вольтметр имеет большее R_v и большую чувствительность за счет включения электронного масштабного преобразователя с К_мп ≥ 1 (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 – Электронный вольтметр постоянного напряжения

3. Амперметры

Электрический ток в цепи может быть измерен прямыми или косвенными методами. При прямом измерении постоянного тока используется измерительный механизм, имеющий ток полного отклонения I_м и сопротивление R_м. Расширение шкалы (рис. 2.4) до значения I_х производится за счет включения шунта, сопротивление которого выбирают из условия:

.

Рисунок 2.4 – Расширение шкалы амперметра

При косвенном методе измерения значение тока с помощью измерительного преобразователя преобразуют в другую физическую величину, значение которой измеряют. Так, при преобразовании значения измеряемого тока в напряжение используют вольтметр, шкала которого градуируется в единицах тока.

При R_ш << R_v измеряемое

значение тока определится

.

Рисунок 2.5 – Косвенное измерение тока

3. Виды измерений

Измерение тока и напряжения в электрической цепи проводят в диапазоне частот от 0 Гц до 1 ГГц. На более высоких частотах эти величины теряют свою однозначность в линии передачи и в её поперечном сечении. По этим причинам на сверхвысоких частотах предпочитают измерять мощность, а не ток и напряжение.

С точки зрения получения значения измеряемой величины по результатам первичных измерений различают прямые и непрямые (косвенные) измерения.

Прямое измерение – это измерение, при котором значение величины Х получают непосредственно по показанию соответствующего прибора Х_п без дополнительных расчетов Х= Х_п.

Примеры прямых измерений: измерение силы тока – амперметром, напряжения – вольтметром и т.д. При непрямом (косвенном) методе измерения величину Х определяют по результатам прямых измерений величин у₁, у ₂, … у _п, которые связаны с нею определенной функциональной зависимостью

Х = f (у ₁, у ₂,… у _п).

2.1.5. Классификация погрешности измерений

Качество измерений тем выше, чем ближе результат измерения Х_i к истинному значению Х. Абсолютная погрешность:

∆ = Х_i – Х. (2.1)

Количественной характеристикой качества измерения является погрешность измерения. Погрешность измерительных приборов отражает свойства только самого измерительного устройства, обусловленные структурными схемами, конструктивными особенностями приборов, применяемых в них материалов и элементов, технологии их изготовления, регулировки и градуировки. Следует различать погрешность измерительного прибора (инструментальная погрешность) и погрешность измерения прибором некоторого сигнала. Погрешность прибора – это часть погрешности измерения некоторого сигнала измерительным прибором, обусловленная неидеальностью (несовершенством) средств измерительной техники; она в определенной степени влияет на точность измерений. Погрешность прибора, определяемая по формуле (2.1), называется абсолютной. Более наглядное представление о точности измерений дает относительная погрешность прибора, которая рассчитывается по формуле (2.2).

. (2.2)

Для сравнения приборов между собой введено понятие приведенная погрешность прибора , равная отношению его абсолютной погрешности ∆ к значению шкалыХ_к, которое принимается равным номинальному значению Х_ном для приборов с равномерной шкалой:

Если абсолютная погрешность прибора постоянна по всей шкале, то его относительная погрешность существенно увеличивается к началу шкалы. Поэтому целесообразно выбирать прибор (или шкалу прибора) с таким пределом измерения, при котором его указатель при измерении располагается ближе к концу шкалы.

Одной из характеристик прибора является класс точности. Класс точности прибора К_п определяет наибольшую (предельную) допустимую приведенную погрешность прибора в рабочей области шкалы, выраженную абсолютным числом, значение которого равно приведенной погрешности в процентах. По классу точности можно определить наибольшую абсолютную погрешность ∆, которую может иметь прибор в любой точке шкалы (без учета знака).

Например, при использовании вольтметра со шкалой 0 ? 100 В (Х_ном=100В) класса точности 1.5 на любой отметке его шкалы основная абсолютная погрешность не превышает значения

∆ ≤ ± К_п ∙ Х_ном / 100% = ± 1.5 ∙ 100 / 100% =± 1.5 В

При этом она может на отдельных отметках шкалы быть меньше 1.5 В или даже равна нулю. Приведенная погрешность соответствует максимальной относительной погрешности.

Класс точности электроизмерительного прибора устанавливают на заводе при калибровке по образцовому прибору в нормальных условиях. Нормальными условиями считаются температура окружающей среды (20 ± 5)˚С, относительная влажность (65 ± 15)%, атмосферное давление (100 000 ± 4 00) Па или (760 ± 30) мм рт. ст., напряжение питающей сети 220В ± 2% с частотой 50 Гц.

По зависимости погрешности от измеряемой величины Х различают аддитивные погрешности (независящие от Х), и мультипликативные (линейно зависящие от Х). Для аналоговых измерительных приборов с аддитивной погрешностью установлены такие классы точности:

К (%) = (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)∙10ⁿ, где n = 1, 0, -1,-2,..

В зависимости от места и причины возникновения различают такие основные составляющие погрешности от:

• несоответствия (неадекватности) модели измеряемого объекта его реальным свойствам и величине;

• упрощения математических моделей измерительных преобразований;

• взаимного влияния средств измерений и объекта;

• несовершенство средств измерений;

• влияния внешних факторов на объект и средства измерений;

• несовершенства вычислительного алгоритма и обработки результата наблюдения.