Что такое электроизмерительный прибор: точность и принцип действия

Прибор находится в нормальных условиях, если установлен в положение, указанное на шкале прибора, находится в среде с нормальной температурой (+20 °C) и не подвергается действию внешнего магнитного поля (кроме земного).

Номинальной величиной

измерительного прибора называется верхний предел его измерения. Погрешность может быть положительной или отрицательной.

Относительной погрешностью при измерении прибором величины называют выраженное в процентах отношение наибольшей возможной абсолютной погрешности прибора к измеренному значению величины, то есть погрешность измерения равна погрешности прибора, умноженной на отношение номинальной величины прибора к измеренному значению.

Чем меньше измеряемая величина по сравнению с номинальной величиной прибора, тем больше погрешность измерения этой величины; следовательно, измеряемая величина должна иметь значение не менее половины номинальной величины прибора.

Таблица 1. Условные обозначения принципа действия прибора

Таблица 2. Дополнительные обозначения, указываемые на приборах

Таблица 3. Достоинства, недостатки и область применения приборов

Таблица 4. Классификация приборов по способу защиты от внешних полей

Сфера применения

Электроизмерительный прибор является необходимым устройством в связи, энергетике, промышленности, на транспорте, в медицине и научных исследованиях. Применяется это устройство и в быту, например для учета потребленной электроэнергии. А если применить специальные преобразователи величин неэлектрических в электрические, то диапазон применения электроизмерительных приборов становится значительно шире.

Конструкция и области применения измерительных приборов

Для измерения различных показателей электрического тока используют специальные приборы. Такие устройства разнообразны и классифицируются по нескольким критериям, что позволяет выбрать оптимальный вариант. Все варианты образуют отдельный класс, называющийся электроизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы многообразны, так как необходимы в разных сферах деятельности

Многие варианты приборов обязательно предполагают наличие дисплея, на котором отображается информация. Также в конструкции присутствуют переключатель или кнопка управления прибором. Разъёмы для подключения кабелей, корпус, кнопка включения/отключения тоже являются элементами электроизмерительных приборов.

Дисплей или циферблат всегда присутствуют на приборах измерения электротока

Устройства разного типа применяют в следующих сферах деятельности:

• медицина;
• связь и энергетика;
• научные исследования;
• бытовые условия;
• транспортная промышленность;
• производство любого типа.

Простые или сложные модели приборов позволяют измерить силу тока и другие показатели электроэнергии. Для бытовых условий применяют простой вариант — счётчик электроэнергии, а в промышленности используются более сложные и профессиональные устройства. Таким образом, для электроизмерительных приспособлений каждого типа характерно определённое назначение.

Классификация электроизмерительных приборов

Один из существенных признаков систематизации подобных устройств — воспроизводимая или измеряемая физическая величина. Согласно ему приборы подразделяются:

— на измеряющие силу электрического тока – амперметры,

— измеряющие электрическое напряжение – вольтметры,

— измеряющие электрическое сопротивление – омметры,

— измеряющие частоту колебаний электротока – частотомеры,

— измеряющие различные величины – мультиметры или авометры, тестеры,

— для воспроизведения указанных сопротивлений – магазины сопротивлений,

— измеряющие мощность электрического тока – варметры и ваттметры,

— измеряющие потребление электрической энергии – электросчетчики и пр.

Как подключать

Как подключить вольтметр

Электрические измерительные приборы подключаются:

Амперметр подключается в цепь последовательно, рядом с резистором, возле которого будет проведен замер величины тока.

Как пользоваться амперметром? Данная схема достаточно проста, для того чтобы разобрать, как правильно пользоваться амперметром.

На рисунке 5 указаны:

1. R – резистор;
2. А – элемент измерения тока;
3. I – направление электрического заряда.

Как пользоваться вольтметром? Электроприбор имеет параллельные соединения, в тех местах, где будет измеряться напряжение.

На рисунке 6 указаны:

1. R – элемент сопротивления;
2. V – измеритель напряжения.

Как пользоваться авометром? Эта разновидность (вольтметр амперметр) – комбинированное устройство. В случае измерения токового сигнала – подключается как измеритель электрозаряда. Если измеряется напряжение – как измеритель напряжения.

Более удобным в работе считается цифровой вольтметр амперметр. При использовании электрических приборов, необходимо соблюдать все правила пожарной безопасности и для правильно работы – учитывать все их конструктивные характеристики.

Система обозначений

За рубежом заводы-изготовители устанавливают свои обозначения на выпускаемых измерительных устройствах. В России и некоторых бывших республиках Советского Союза традиционна унифицированная система знаков. Основана она на принципе работы конкретного прибора. Основные электроизмерительные приборы в обозначении всегда имеют прописную букву русского алфавита, которая указывает на принцип действия устройства. А также число, которое обозначает условный номер модели. Иногда можно встретить прописную букву М, которая обозначает, что прибор модернизированный или К (контактный). Есть и другие, обозначения. Например, Д (электродинамические приборы), Н (самопишущие приборы), Р (меры, устройства, измеряющие параметры элементов электросетей, измерительные преобразователи), И (индукционные приборы), Л (логометры) и пр.

Показатели точности

Одна из главных характеристик прибора для электроизмерений – класс точности. Их существует несколько. А определяется он по зависимости от допустимого предела погрешности, вызванной конструктивными особенностями отдельно взятого устройства.

Точность электроизмерительных приборов не может быть равна погрешности относительной или абсолютной. Последняя не является определителем точности, а относительная имеет зависимость от значения величины, подвергшейся изменению, то есть для различных участков шкалы будет иметь разные значения.

Поэтому для характеристики точности электроприбора применяется приведенная погрешность (ɣ). Определяется она отношением погрешности абсолютной конкретного прибора (∆x) к максимуму (или пределу) измеряемой величины (xпр). Полученная величина, выраженная в процентах, и будет классом точности конкретного прибора:

— ɣ = ∆x / xпр * 100%.

Любой электроизмерительный прибор на шкале обязательно имеет указание на класс точности. Согласно ГОСТу он может быть 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0. На этом основании приборы можно классифицировать следующим образом:

— класс точности 0,05 и 0,1 — образцовые, использующиеся для поверки точных приборов (например, лабораторных);

— класс точности 0,2 и 0,5 – лабораторные, используются в лабораториях для производства измерений и поверки технических приборов;

— класс точности 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0 – технические, применяются для технических измерений.

Электроизмерительные приборы: принцип действия

Работа большей части электроизмерительных приборов основана на магнитоэлектрическом эффекте. Электроны, двигаясь по проводнику электрической цепи, образуют вокруг себя магнитное поле. В нем и перемещается стрелка измеряющего устройства, реагируя на силу окружающего поля. Чем магнитное поле слабее, тем меньше отклонение стрелки и наоборот.

Если в непосредственной близости от проводника, через который не протекает электрический ток, подвешена стрелка, то реагировать она может только на магнитное поле Земли. Но если через проводник пропустить ток, стрелка будет уже реагировать на магнитное поле электрического тока. Таким образом, механическое отклонение стрелки провоцируют электроны, двигаясь через проводник. И следовательно, чем больше электрический ток, тем сильнее образованное им поле и тем дальше от начального положения отклоняется стрелка. Этот незатейливый принцип является основополагающим для большинства электроизмерительных приборов.

Один электроизмерительный прибор отличается от другого не измерительным отклонением стрелки (приборов с цифровым индикатором это не касается), а внутренними цепями и способами создания электромагнитного поля. Как известно, для движения в электрической сети электронов необходима нагрузка. Поэтому это движение имеет некоторые различия в омметрах, вольтметрах и амперметрах, имеющих измерительные клещи. Приборы с такими захватами «вытягивают» магнитное поле из пластинок, их образующих. В вольтметре для получения магнитного поля применяется резистор, который получает нагрузку при подаче на цепь напряжения. Омметр имеет индивидуальный источник питания и использует устройство, которое подвергает измерению, для образования магнитного поля.

Описанные выше приборы проводят измерения одинаковым способом, притом что подача нагрузки и источники питания у них разные.

Измерительное смещение стрелки, провоцируемое магнитным полем движущихся электронов, указывает на какое-либо деление шкалы. Их обычно несколько, и у каждой свой предел измерения напряжения, сопротивления и тока. На некоторых приборах для удобства пользователя продуман селекторный переключатель.

Магнитоэлектрический измерительный механизм

Подвижная часть магнитоэлектрического измерительного механизма (рис. 1) состоит из прямоугольной катушки (рамки) В. Обмотка рамки из тонкого изолированного медного провода наложена на алюминиевый каркас. На рамке укреплены две полуоси — керны, установленные в опорах. На одной из полуосей укреплены стрелка и концы спиральных пружин, через которые ток подводится к обмотке рамки.

Рис. 1. Магнитоэлектрический измерительный механизм

Боковые стороны рамки расположены в узком воздушном зазоре А между неподвижным стальным цилиндром Б и полюсными башмаками N, S. Сильный постоянный магнит N—S создает в воздушном зазоре однородное радиальное магнитное поле.

На боковые стороны рамки, расположенные в магнитном поле, при наличии тока в обмотке, будет действовать пара сил F

,
F
(рис. 2). Таким образом создается вращающий момент, пропорциональный току в рамке. Под действием этого момента рамка повернется на угол a, при котором вращающий момент уравновесится противодействующим моментом пружин. Последний пропорционален углу закручивания пружин. Угол поворота рамки пропорционален току.

Рис. 2. Получение вращающего момента в магнитоэлектрическом измерительном механизме

Успокоителем

называется приспособление, предназначенное для уменьшения времени колебаний подвижной части, возникающих после включения прибора. В магнитоэлектрическом измерительном механизме успокоителем является алюминиевый каркас рамки. При повороте подвижной части изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас. В каркасе индуктируются токи, взаимодействие которых с магнитным полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий успокоение.

Рассмотренный измерительный механизм в связи с малым сечением пружин и провода обмотки изготавливается на малые номинальные токи 10—100 мА и меньше.

При включении магнитоэлектрического измерительного механизма рассмотренной конструкции в цепь переменного тока вращающий момент будет изменяться пропорционально мгновенному значению тока. При таком быстром изменении момента вследствие инерции подвижная часть не успеет следовать за изменением момента, и она отклонится на угол, пропорциональный среднему за период значению вращающего момента. При синусоидальном токе среднее значение тока, а следовательно, и момента равно нулю и подвижная часть не отклонится. Таким образом, рассмотренный измерительный механизм пригоден только для измерений в цепи постоянного тока.

Как работают цифровые измерители

Цифровые электроизмерительные приборы имеют высокий класс точности (погрешность варьируется от 0,1 до 1,0 %) и широкий предел измерений. Они быстродейственны и могут совместно работать с электронно-вычислительными машинами, что позволяет передавать результаты измерений без каких-либо искажений на различные расстояния.

Эти устройства считаются приборами сравнения и непосредственной оценки. Их работа основана на принципе перевода измеряемой величины в код, благодаря чему пользователь имеет цифровое представление информации. Ещё какие электроизмерительные приборы относятся к цифровым? Это устройства, которые, измеряя непрерывную электрическую величину, автоматически конвертируют её в дискретную, кодируют и выдают результат в цифровой форме, удобной для считывания пользователем.

Ферродинамический измерительный механизм

Принцип работы этого измерительного механизма тот же, что и электродинамического. Он отличается от последнего наличием стального сердечника из листовой стали, на который наложена неподвижная катушка, и неподвижного цилиндра из той же стали, который охватывается подвижной катушкой (рис. 6).

Стальной магнитопровод усиливает поле измерительного механизма, вследствие чего увеличивается вращающий момент, что приводит к более прочной конструкции и уменьшает влияние внешних магнитных полей на показания измерительного механизма. Применение стали увеличивает погрешности от остаточной индукции и вихревых токов в магнитопроводе.

Рис. 6. Ферродинамический измерительный механизм

Устройства, расположенные в одном корпусе

Это приборы, которые для неодновременного измерения нескольких величин используют один механизм для измерения. Или же они имеют несколько преобразователей с общим для всех отсчетным устройством (шкалой). Она градуируется в единицах измеряемых величин. Чаще всего комбинированные электроизмерительные приборы совмещают в себе устройства, измеряющие силу постоянного или переменного тока и электрического напряжения (ампервольтметры); сопротивления, силы постоянного и переменного тока, напряжение (авометры или ампервольтомметры). А также существуют универсальные цифровые электроизмерительные приборы, которые измеряют напряжение постоянного и переменного тока, индуктивность и количество импульсов.

Примером такого устройства может служить новая разработка «Актаком ADS-4031». Прибор от гармонично сочетает в себе функциональный генератор, цифровой осциллограф, частотомер, RLC-метр и цифровой мультиметр. Кроме основных пяти совмещенных устройств, осциллографический тестер благодаря дополнительным приспособлениям может использоваться для ряда других измерительных задач.

Электродинамический измерительный механизм

Электродинамический измерительный механизм (рис. 4 и 5) состоит из двух катушек — неподвижной А, имеющей две секции, и подвижной Б, укрепленной на одной оси с указательной стрелкой, крылом В воздушного успокоителя и двумя спиральными пружинами.

При прохождении тока I

1, по неподвижной катушке и тока
I
2 по подвижной катушке между ними возникает электродинамическое взаимодействие. В результате на подвижную катушку будет действовать пара сил
FF
(рис. 4), то есть вращающий момент. Поворот подвижной катушки происходит до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом пружин.

При постоянном токе вращающий момент и угол поворота подвижной катушки пропорционален произведению токов в катушках. При переменном токе

Рис. 4. Электродинамический измерительный механизм

Рис. 5. Получение вращающего момента в электродинамическом измерительном механизме

вращающий момент и пропорциональный ему угол поворота подвижной катушки определяется произведением действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига между ними.

Отсутствие стали в измерительном механизме, а следовательно, и погрешности от остаточной индукции обеспечивают возможность изготовить эти механизмы для измерений высокой точности.

Для уменьшения погрешностей от внешних магнитных полей, обусловленных слабым магнитным полем измерительного механизма, применяются те же средства, что и для электромагнитных измерительных механизмов.

Слабому магнитному полю соответствует слабый вращающий момент и, следовательно, для получения высокой точности необходимо уменьшить погрешность от трения. Это достигается уменьшением веса подвижной части и безупречной обработкой осей и опор. Кроме того, поперечное сечение пружин и проводов подвижной катушки мало, поэтому электродинамический измерительный механизм чувствителен к перегрузке.

ОАО «Электроприбор»

Один из таких долгожителей — Чебоксарский завод электроизмерительных приборов. Сегодня он называется ОАО «Электроприбор». Его цеха выпускают аналоговые и цифровые электроизмерительные устройства и шунты. В прайсах завода – амперметры, вольтметры, ватт- и варметры, многофункциональные устройства для измерений. А также измерительные преобразователи напряжения, тока, частоты и мощности. В современных реалиях завод принял к производству линейку вспомогательных изделий – шунтов, которые способны расширять диапазон измерения по напряжению и току. Выпускает «Электроприбор» трансформаторы и добавочные сопротивления.

Пользуются большим спросом приборы с электронными преобразователями, измеряющими частоту реактивной или активной мощности, а также ее коэффициент. Не менее популярны индикаторы, приборы для оснащения специализированных учебных кабинетов, различные цифровые приборы и комплектующие. В конце прошлого века предприятие получило сертификат, подтверждающий систему менеджмента качества ИСО 9001, соответствующую международному стандарту.

Чебоксарский завод более 55 лет занимает лидерские позиции среди производителей электроизмерительных приборов.

ОАО «НИИ Электромера»

65 лет назад, согласно Постановлению Совета министров СССР, был образован ВНИИЭП — Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов. Кроме научно-исследовательских работ по разработке новейших образцов техники здесь изготавливали небольшие серии высокоточных, уникальных приборов. Разрабатывая системы электроизмерительных приборов, предназначенных для автоматизации экспериментов и промиспытаний сложной техники, институт создал измерительно-управляющие комплексы.

В конце прошлого столетия ВНИИЭП преобразован в ОАО «НИИ Электромера».