Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС)

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

Электроизмерительные приборы

Методические указания

для студентов заочной формы обучения

Санкт-Петербург

2009

1. Общие сведения

Измерение – это нахождение размера физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, в частности с помощью электроизмерительных приборов.

Электроизмерительный прибор – это средство электрических измерений, которое вырабатывает сигнал измерительной информации.

Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговыми приборами в отличие от цифровых приборов, вырабатывающих дискретные сигналы измерительной информации.

По методам измерения различают приборы непосредственной оценки и приборы сравнения, в которых измеряемая величина сравнивается с размером известной величины (измерительные мосты, компенсаторы).

Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются следующие.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины X, для которой нормированы допустимые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений, то есть наибольшим и наименьшим значениями диапазона измерений.

Чувствительность S аналогового прибора к измеряемой величине X – это производная от перемещения указателя по измеряемой величине. Для приборов с угловым перемещением указателя где   угол отклонения указателя. Если функция F(x) = const, то прибор имеет равномерную шкалу, в противном случае шкала неравномерная. Данное определение не распространяется на интегрирующие приборы (счетчики).

Чувствительность не следует смешивать с порогом чувствительности, под которым понимают наименьшее изменение входной величины X, способное вызвать заметное изменение показания прибора.

Потребляемая мощность характеризует экономические возможности прибора: чем меньше потребляемая мощность, тем выше качество прибора, т.к. потребляемая мощность может нарушить режим исследуемой цепи, и это приведет к погрешности измерения.

Погрешность измерения – это качество измерения, характеризующее отклонение результата измерения от действительного значения измеряемой величины. Погрешности измерения по форме нормирования классифицируются на абсолютную, относительную и приведенную.

Абсолютная погрешность  измерения определяется как разность результата измерения Х и действительного значения измеряемой величины Х₀, то есть  = Х – Х₀. Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины.

Относительная погрешность   это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. С учетом того, что Х  Х₀ можно сказать, что

Приведенная погрешность   это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению X_N измеряемой величины (для большинства приборов нормирующее значение – это предел измерения):

Если Х_min = 0, то

В паспорте измерительного прибора приводится значение приведенной погрешности, выраженное в процентах. Это значение округляется до одного из чисел: 4.0; 2.5; 1.5; 1.0; 0.5; 0.2; 0.1; 0.05 – и называется классом точности прибора. Класс точности определяет допустимые пределы основной погрешности.

Основным узлом электроизмерительного прибора является электроизмерительный механизм, который состоит из подвижной и неподвижной частей, взаимодействующих между собой в процессе измерения. В результате этого взаимодействия подвижная часть поворачивается относительно подвижной, причем угол поворота находится в функциональной зависимости от измеряемой величины.

Принцип действия измерительных механизмов различных типов основан на использовании взаимодействия магнитного поля с током в катушке, магнитных полей двух катушек, обтекаемых токами, а также воздействия магнитного поля катушки на подвижной элемент из ферромагнитного материала.

В электроизмерительных приборах непосредственной оценки (прямого отсчета) кроме измерительного механизма имеются электрические цепи, содержащие катушки, резисторы, конденсаторы и т.п.

В результате взаимодействия подвижной и неподвижной частей измерительного механизма возникает вращающий момент М_вр, который должен быть уравновешен для того, чтобы подвижная часть вместе со стрелочным указателем занимала определенное положение, соответствующее значению измеряемой величины.

В большинстве случаев противодействующий момент М_пр создается механическими элементами (пружинами, растяжками). Значение этого момента прямо пропорционально углу закручивания пружины. Установившемуся отклонению соответствует равенство моментов: М_вр = М_пр.

Для устранения колебаний подвижной части механизма после нарушения равновесия моментов из-за изменения измеряемой величины электроизмерительные приборы снабжаются успокоителями (демпферами).

2. Приборы магнитоэлектрической системы

   1. Принцип действия и устройство

Принцип действия магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и рамки с током. В воздушном зазоре 1 (рис.1) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными наконечниками N–S неподвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с обмоткой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки.

Р

Рис. 1

амка жестко соединена с двумя полуосями О и О, которые своими концами опираются на подшипники. На полуоси О закреплены указательная стрелка 4, две спиральные пружинки 5 и 5, через которые к катушке подводится измеряемый ток I, а также противовесы 6. Полюсные наконечники N–S и стальной цилиндр 2 обеспечивают в воздушном зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В.

В результате взаимодействия магнитного поля с током рамки создается вращающий момент, и рамка вместе со стрелкой поворачивается на угол . Электромагнитная сила, действующая на проводники с током, согласно закону Ампера равна F_эм = wBIl. Вращающий момент

М

(1)

_вр = F_эмd = wBIld = C₁I,

где d и l – соответственно ширина и длина рамки; С₁ – постоянный коэффициент, зависящий от размера и числа витков обмотки, а также магнитной индукции В = const.

Противодействующий момент, создаваемый пружинками 5 и 5, прямо пропорционален углу закручивания пружин :

М

(2)

_пр = С₂,

где С₂ – постоянный коэффициент, зависящий от жесткости пружинок.

Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов М_вр = М_пр, то есть когда C₁I = C₂. Угол поворота стрелки

(3)

,

где С = С₁/С₂ – постоянный коэффициент.

Как видно из равенства 3, угол поворота  прямо пропорционален току, то есть шкала равномерная, что является достоинством приборов магнитоэлектрической системы.

Если такой прибор включить непосредственно в цепь переменного тока, то стрелка прибора останется на нулевой отметке, поскольку рассматриваемый измерительный механизм измеряет среднее за период значение тока, а оно при синусоидальном законе изменения равно нулю. Очевидно, и среднее значение вращающего момента М_вр тоже будет равно нулю.

Успокоение подвижной части прибора достигается тормозящим действием вихревых токов, наводимых в алюминиевой рамке при перемещении ее в магнитном поле постоянного магнита (рис.1). Алюминиевая рамка относится к классу успокоителей (демпферов) магнитоиндукционного типа.

2. Измерительные приборы выпрямительной и термоэлектрической систем

Приборы магнитоэлектрической системы находят также применение при измерениях в цепях переменного тока. При этом в цепь подвижной катушки включают преобразователь переменного тока в постоянный или пульсирующий.

Наибольшее распространение получили приборы выпрямительной и термоэлектрической систем.

Рис. 2

На рис. 2а показана принципиальная схема для измерения переменного тока прибором выпрямительной системы. Измерительный прибор А включен в диагональ АВ моста, в которой возникает пульсирующий ток, среднее значение которого I_ср = 2/I_m = 0,637I_m (I_m – амплитуда измеряемого синусоидального тока). Чтобы отградуировать шкалу для действующих значений I синусоидального тока (), необходимо учитывать коэффициент формы синусоидального тока I/I_ср = 1,11. Так, например, в комбинированных приборах – ампервольтметрах (авометрах) предусматриваются две шкалы для измерения токов и напряжений: средних и действующих значений.

В приборах термоэлектрической системы (рис. 2б) в качестве преобразователя используется термопара 1. Рабочие концы термопары, образующие горячий спай, нагреваются измеряемым током проволочного нагревательного элемента 3. Количество теплоты Q, выделяемое в нагревателе, пропорционально квадрату действующего значения тока, а температура спая находится в прямой зависимости от Q. Поэтому отклонение стрелки измерительного прибора, пропорциональное ЭДС термопары, также находится в прямой зависимости от квадрата действующего значения тока.

Достоинства приборов с магнитоэлектрическим измерительным механизмом: точность измерения; малая чувствительность к посторонним магнитным полям; равномерность шкалы; незначительное потребление мощности.

Недостатком этих приборов является чувствительность к перегрузкам, поскольку тонкие токоподводящие пружинки 5 (рис.1) из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства.