Электроизмерения и электроизмерительная техника, роль и значение измерений

Что такое измерение

Измерение принадлежит к числу древнейших операций, применяемых человеком в общественной практике, и с развитием общества все больше и больше проникает в различные области деятельности.

Измерение есть познавательный процесс: после измерения некоторой величины мы об этой величине всегда знаем нечто большее, чем это было до измерения: узнаем ее размер, что часто является для нас источником ряда дополнительных сведений, узнаем представление об этой величине, ее связи с другими величинами и т. д.

Процесс измерения есть физический эксперимент: измерение не может осуществляться умозрительно, путем лишь одних теоретических выкладок и т. п.

Измерение физической величины есть сравнение с некоторым значением такой же самой физической величины, принятым за единицу: измерять, например, длину можно только сравнением ее с какой-то определенной длиной.

Из приведенного выше определения вытекает, что для выполнения какого-либо измерения в общем случае необходимы:

мера — вещественное воспроизведение единицы измерения, например при взвешивании необходима гиря ;

измерительный прибор — техническое средство для осуществления процесса сравнения измеряемой величины с мерой.

Следовательно, в шкале таких весов как бы заложена мера массы, которая участвует, таким образом, при каждом взвешивании.

С другой стороны, измерительный прибор не всегда требуется для производства измерения: при простейших измерениях достаточно иметь только меру, прибор же может и отсут ст вовать.

Прямые, косвенные и совокупные измерения

По способу получения результата измерения надо различать:

Прямыми измерениями называются такие измерения, при которых измерению подвергается непосредственно сама интересующая нас величина: взвешивание на весах для определения массы какого-то тела, измерение длины путем непосредственного сравнения данного расстояния с соответствующей мерой длины, измерение электрического сопротивления с помощью омметра, электрического тока с помощью амперметра и т. п.

Прямые измерения являются весьма распространенным видом технических измерений. Косвенными измерениями называются такие измерения, при которых непосредственному измерению подвергается не сама интересующая нас величина, а некоторые другие величины, с которыми измеряемая величина находится в определенной зависимости; определив значения этих величин (путем прямых измерений) и пользуясь известной зависимостью между этими величинами и измеряемой величиной, можно подсчитать значение измеряемой величины.

Например, для определения удельного электрического сопротивления некоторого материала измеряют длину проводника, изготовленного из этого материала, площадь его поперечного сечения и его электрическое сопротивление. По результатам этих измерений можно подсчитать искомое удельное сопротивление.

Косвенные измерения сложнее прямых, но они применяются в технике и научных исследованиях довольно часто, тем более, что во многих случаях прямые измерения некоторых величин оказываются практически невыполнимыми.

Совокупными измерениями называются такие измерения, в которых искомый результат измерения выводится из результатов нескольких групп прямых или косвенных измерений отдельных величин, функциональная связь с которыми интересующих нас величин выражается в виде неявных функций.

По результатам групп прямых или косвенных измерений ряда величин составляется система уравнений, решение которой и дает значения интересующих нас величин.

Роль измерений и значение метрологии в современном обществе

Развитие науки и техники неразрывно связано с развитием и совершенствованием средств измерения. Постановка каждой новой научной или технической задачи заставляет искать новые средства измерения, а совершенствование средств измерения способствует развитию новых отраслей науки и техники.

Накопление научных и прикладных знаний в области электричества и магнетизма чрезвычайно обогатило теорию и технику измерений и привело к образованию самостоятельной и разветвленной отрасли — электроизмерительной техники.

Электроизмерительная техника охватывает методы электрических измерений, проектирование и производство необходимых для этого технических средств (измерительных приборов), а также вопросы практического их использования.

Однако благодаря высокой точности, чувствительности и большому экспериментальному удобству электрических методов измерений, все шире распространяются приемы измерений, сводящиеся к предварительному преобразованию подлежащих измерению величин в пропорциональную им электрическую величину, которая затем непосредственно и измеряется.

Такие методы измерения, получившие название «не электрические измерения неэлектрических величин » (температуры, давления, влажности, скорости, ускорения, вибраций, упругих деформаций и т. п.), завоевали самое широкое признание, так как они обеспечивают значительное расширение диапазона измерений, повышение быстродействия и точности измерительных устройств, передачу значений измеряемых величин на расстояние, выполнение математических операций н ад измеряемыми величинами и большее удобство записи их во времени.

Электроизмерительная техника играет роль важнейшего фактора научно-технического прогресса в эксплуатации энергетических систем, а измерение электрических параметров энергетических установок является стимулом для рационализации энергетического хозяйства.

Исключительно важное значение электроизмерительная техника имеет также при контроле производственных процессов в самых различных отраслях промышленности, при контроле качества материалов, полуфабрикатов и многих изделий, в геологоразведочных работах и в самых разнообразных научных исследованиях, где методы электрических и магнитных измерений позволяют получить наиболее точные результаты в весьма широком диапазоне измеряемых величин.

Подборка статей про различные электроизмерительные приборы и их пракическое использование:

Источник

Виды и методы измерения электрических величин

Измерение – это сравнения фи­зической величины, которая измеряется, с некоторым значением такой же величины, принятым за еди­ницу. Они измеряются специальными устройствами — средствами измерения. Поскольку не все приборы обладают абсолютно одинаковыми характеристиками существуют различные методы измерений, методы оценки измерений, а также погрешности при измерениях.

Измерения проводят прямым и косвенным путем

Прямые –это когда нужное значение измеряемой величины определяется по шкале (дисплею) прибора.

К таким относятся измерение электроэнергии счетчиком, напряжения и тока – амперметром и вольтметром соответственно и пр.

Косвенное — искомое значение нужной величины находят на основании аналитической зависимости (например формулы) между необходимой величи­ной и величинами, полученными при помощи прямых измерений. То есть эти измерения позволяют сократить количество проводимых измерений, а вычислить нужные значения с помощью формул. Например, измеряв U и I вычисляем R —

Измерения могут проводится различными способами и, соответственно, средствами. Соответственно такие измерения нужно оценить, для этого существуют методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Методы непосредственной оценки и методы сравнения

Непосредственная оценка. При применении данного метода значение нужной величины вычисляют по шкале прибора (тока — по амперметру, напряжения — по вольтмет­ру и пр.). Он довольно прост, но не отличается сравнительно вы­сокой точностью.

Сравнения. Состоит в том, что величина, которая измеряться, сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Он обеспечивает точность, большую, чем метод непосредственной оценки, но процесс из­мерения значительно усложняется. У метода сравнения есть несколько разно­видностей: дифференциальной, нулевой и замещения.

При нулевом методе стараются свести влияние на измерительное устройство измеряемых величин до нуля. Пример — с помощью урав­новешенного моста для измерения электрического сопротивления.

При методе замещения величину которая подлежит измерению замещают из­вестной величиной, которая воспроизводится мерой. При этом, изменяя известную величину, добиваются точно такого же показа­ния прибора, как и то, которое действовало при действии измеряемой величины. Таким образом устанавливают погрешность. При использовании дифференциального метода разность между величиной и измеряемой величиной, вос­производимой мерой действуют на измерительный прибор. Пример — с помощью неуравновешенного моста измерение электрического сопротивления.

Известно, что приборов с точностью абсолютной не существует в мире, то каждый прибор характеризуется погрешностью. Они делятся на относительные, абсолютные и приведенные.

Погрешность абсолютная А — это разность между фактическим значением шкалы прибора А и действительным значением измеряемой величины А_Д:

Погрешность относительная — это отношение погрешности абсолютной ∆ к фактическому значению измеряемой величины А. Выражается она в процентах:

Погрешность приведенная — представляет собой ничто иное как отношение абсолютной погрешности ∆ к нормирующему значению А_N измеряемой величины:

Обычно нормирующее значение принято принимать равным верхнему пределу измерения для прибора.

Погрешности бывают: системати­ческие и случайные

Погрешность систематическая. Она остается постоянной, но может и меняться по любому, но определенному закону. Значение ее всегда учитывается путем введения соответствующих поправок, для минимизации влияние погрешностей.

Погрешность случайная.Она появляется непредсказуемо и изменяется по случайному закону. Их нельзя исключить, но можно систематизировать и минимизировать их влияние произведя несколько измерений.

Также на появление погрешностей производит влияние и условия эксплуатации приборов. Поэтому, погрешности могут быть двух видов: основная и дополнительная.

Погрешность основная. Она появляется на измерительных приборах, которые находятся в нормальных условиях эксплуатации (атмосферное давление, влажность, температура внешней среды, напряжение и пр.).

Погрешность дополнительная. Она происходит тогда, когда устройство не эксплуатируется в нормальных условиях.

Уровень точности приборов характеризуется классом точности. Для электроизмерительных приборов уста­новлены такие классы точности как: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4.

Цифры эти указывают указывают основную приведенную погрешность γ, которая показывается в про­центах. Абсолютная ∆ и относительная δ погреш­ности могут быть представлены в таком виде:

Из данной статьи можно сделать вывод, что при измерении электрических величин следует учитывать класс точности прибора и условия окружающей среды. Для более высокой точности измерений необходимо использовати различные методы измерений. Для исключения влияния случайных факторов нужно провести одно и тоже измерение несколько раз.

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

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ, измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств – измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Электрическое измерение – это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах (например, 3 А, 4 В). Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики и единицами механических величин. Поскольку «поддержание» единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют «практическими» эталонами единиц электрических величин. Такие эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Например, в США юридическую ответственность за поддержание эталонов единиц электрических величин несет Национальный институт стандартов и технологии. Время от времени проводятся эксперименты по уточнению соответствия между значениями эталонов единиц электрических величин и определениями этих единиц. В 1990 государственные метрологические лаборатории промышленно развитых стран подписали соглашение о согласовании всех практических эталонов единиц электрических величин между собой и с международными определениями единиц этих величин.

Электрические измерения проводятся в соответствии с государственными эталонами единиц напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и емкости. Такие эталоны представляют собой устройства, имеющие стабильные электрические характеристики, или установки, в которых на основе некоего физического явления воспроизводится электрическая величина, вычисляемая по известным значениям фундаментальных физических констант. Эталоны ватта и ватт-часа не поддерживаются, так как более целесообразно вычислять значения этих единиц по определяющим уравнениям, связывающим их с единицами других величин.
См. также ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы – ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.

Аналого-цифровые преобразователи.

Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1–0,0003%. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4–0,002%), но зато время преобразования – от

1 мс. Параллельные АЦП – самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность – от 0,4 до 2%.

Методы дискретизации.

Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала; их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала («в реальном времени»), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.

Цифровые вольтметры и мультиметры.

Цифровые вольтметры и мультиметры измеряют квазистатическое значение величины и указывают его в цифровой форме. Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение, обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление постоянному току и иногда температуру. Эти самые распространенные контрольно-измерительные приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2 до 0,001% могут иметь 3,5- или 4,5-значный цифровой дисплей. «Полуцелый» знак (разряд) – это условное указание на то, что дисплей может показывать числа, выходящие за пределы номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5-разрядный) дисплей в диапазоне 1–2 В может показывать напряжение до 1,999 В.

Измерители полных сопротивлений.

Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс) соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором. Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г. Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах, близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых значений. Большинство приборов могут показывать также производные величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.

АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ

Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на постоянном токе применяются аналоговые магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и многовитковой подвижной частью. Такие приборы стрелочного типа характеризуются погрешностью от 0,5 до 5%. Они просты и недороги (пример – автомобильные приборы, показывающие ток и температуру), но не применяются там, где требуется сколько-нибудь значительная точность.

Магнитоэлектрические приборы.

В таких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю. Момент этой силы уравновешивается моментом, создаваемым противодействующей пружиной, так что каждому значению тока соответствует определенное положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет форму многовитковой проволочной рамки с размерами от 3 ґ 5 до 25 ґ 35 мм и делается как можно более легкой. Подвижная часть, установленная на каменных подшипниках или подвешенная на металлической ленточке, помещается между полюсами сильного постоянного магнита. Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий момент, служат также токопроводами обмотки подвижной части.

Магнитоэлектрический прибор реагирует на ток, проходящий по обмотке его подвижной части, а потому представляет собой амперметр или, точнее, миллиамперметр (так как верхний предел диапазона измерений не превышает примерно 50 мА). Его можно приспособить для измерения токов большей силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля полного измеряемого тока. Такое устройство пригодно для токов, измеряемых многими тысячами ампер. Если последовательно с обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор превратится в вольтметр. Падение напряжения на таком последовательном соединении равно произведению сопротивления резистора на ток, показываемый прибором, так что его шкалу можно проградуировать в вольтах. Чтобы сделать из магнитоэлектрического миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему последовательно измеряемые резисторы и подавать на это последовательное соединение постоянное напряжение, например от батареи питания. Ток в такой схеме не будет пропорционален сопротивлению, а потому необходима специальная шкала, корректирующая нелинейность. Тогда можно будет производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя и с не очень высокой точностью.

Гальванометры.

К магнитоэлектрическим приборам относятся и гальванометры – высокочувствительные приборы для измерения крайне малых токов. В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть подвешена на тонкой ленточке или нити, используется более сильное магнитное поле, а стрелка заменена зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 1). Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а угол его поворота оценивается по смещению отбрасываемого им светового зайчика на шкале, установленной на расстоянии около 1 м. Самые чувствительные гальванометры способны давать отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока всего лишь на 0,00001 мкА.

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ

Регистрирующие приборы записывают «историю» изменения значения измеряемой величины. К таким приборам наиболее распространенных типов относятся ленточные самописцы, записывающие пером кривую изменения величины на диаграммной бумажной ленте, аналоговые электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса на экране электронно-лучевой трубки, и цифровые осциллографы, запоминающие однократные или редко повторяющиеся сигналы. Основное различие между этими приборами – в скорости записи. Ленточные самописцы с их движущимися механическими частями наиболее подходят для регистрации сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее. Электронные осциллографы же способны регистрировать сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей секунды до нескольких секунд.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ

Измерительный мост – это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой – нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется наивысшая точность измерения. (Для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001%. Простейший мост для измерения сопротивления носит имя своего изобретателя Ч.Уитстона.

Двойной измерительный мост постоянного тока.

К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом ошибка будет составлять 10%. Двойной измерительный мост (мост Томсона), схема которого представлена на рис. 2, предназначен для измерения сопротивления эталонных резисторов малого номинала. Сопротивление таких четырехполюсных эталонных резисторов определяют как отношение напряжения на их потенциальных зажимах (р₁, р₂ резистора R_s и р₃, p₄ резистора R_x на рис. 2) к току через их токовые зажимы (с₁, с₂ и с₃, с₄). При такой методике сопротивление присоединительных проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого сопротивления. Два дополнительных плеча m и n исключают влияние соединительного провода 1 между зажимами с₂ и с₃. Сопротивления m и n этих плеч подбирают так, чтобы выполнялось равенство M/m = N/n. Затем, изменяя сопротивление R_s, сводят разбаланс к нулю и находят

Измерительные мосты переменного тока.

Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50–60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц. Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла – Вина.

Измерительный мост Максвелла – Вина.

Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, их легче экранировать, и они практически не создают внешних электромагнитных полей. Условия равновесия этого измерительного моста таковы: L_x = R₂R₃C₁ и R_x = (R₂R₃) /R₁ (рис. 3). Мост уравновешивается даже в случае «нечистого» источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты), если величина L_x не зависит от частоты.

Трансформаторный измерительный мост.

Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока – простота задания точного отношения напряжений посредством трансформатора. В отличие от делителей напряжения, построенных из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, трансформаторы в течение длительного времени сохраняют постоянным установленное отношение напряжений и редко требуют повторной калибровки. На рис. 4 представлена схема трансформаторного измерительного моста для сравнения двух однотипных полных сопротивлений. К недостаткам трансформаторного измерительного моста можно отнести то, что отношение, задаваемое трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты сигнала. Это приводит к необходимости проектировать трансформаторные измерительные мосты лишь для ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется паспортная точность.

Заземление и экранирование.

Измерительные мосты необходимо тщательно заземлять и экранировать, чтобы паразитные емкости между разными частями схемы моста не вносили ошибку уравновешивания.

Типичные нуль-детекторы.

В измерительных мостах переменного тока чаще всего применяются нуль-детекторы двух типов. Нуль-детектор одного из них представляет собой резонансный усилитель с аналоговым выходным прибором, показывающим уровень сигнала. Нуль-детектор другого типа – это фазочувствительный детектор, который разделяет сигнал разбаланса на активную и реактивную составляющие и пригоден в тех случаях, когда требуется точно уравновешивать только одну из неизвестных составляющих (скажем, индуктивность L, но не сопротивление R катушки индуктивности).

ИЗМЕРЕНИЕ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока обычно требуется измерять некоторые их характеристики, связанные с мгновенными значениями сигнала. Чаще всего желательно знать среднеквадратические (эффективные) значения электрических величин переменного тока, поскольку мощности нагревания при напряжении 1 В постоянного тока соответствует мощность нагревания при напряжении 1 В (эфф.) переменного тока. Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины, например максимальное или среднее абсолютное значение. Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения (или силы) переменного тока определяется как корень квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения (или силы тока):

где Т – период сигнала Y(t). Максимальное значение Y_макс – это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение Y_AA – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний Y_эфф = 0,707Y_макс и Y_AA = 0,637Y_макс.

Измерение напряжения и силы переменного тока.

Почти все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока показывают значение, которое предлагается рассматривать как эффективное значение входного сигнала. Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле измеряется среднее абсолютное или максимальное значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы показание соответствовало эквивалентному эффективному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Не следует упускать из виду, что точность таких приборов крайне низка, если сигнал несинусоидален. Приборы, способные измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из трех принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала или теплового преобразования. Приборы, основанные на первых двух принципах, как правило, реагируют на напряжение, а тепловые электроизмерительные приборы – на ток. При использовании добавочных и шунтовых резисторов всеми приборами можно измерять как ток, так и напряжение.

Электронное умножение.

Возведение в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такого типа могут иметь погрешность порядка всего лишь 0,009%.

Дискретизация сигнала.

Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких приборов составляет 0,01–0,1%.

Тепловые электроизмерительные приборы.

Наивысшую точность измерения эффективных значений напряжения и тока обеспечивают тепловые электроизмерительные приборы. В них используется тепловой преобразователь тока в виде небольшого откачанного стеклянного баллончика с нагревательной проволочкой (длиной 0,5–1 см), к средней части которой крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары. Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно электроизоляцию. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением тока в нагревательной проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС (напряжение постоянного тока). Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц.

На рис. 5 показана принципиальная схема теплового электроизмерительного прибора с двумя подобранными по параметрам тепловыми преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока V_ас на выходе термопары преобразователя ТС₁ возникает напряжение постоянного тока, усилитель А создает постоянный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС₂, при котором термопара последнего дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный прибор постоянного тока измеряет выходной ток.

С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно превратить в вольтметр. Поскольку тепловые электроизмерительные приборы непосредственно измеряют токи лишь от 2 до 500 мА, для измерения токов большей силы необходимы резисторные шунты.

Измерение мощности и энергии переменного тока.

С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина – энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается так:

Счетчики электроэнергии с разделением времени.

Дискретизирующие ваттметры и счетчики электроэнергии.

Такие приборы основаны на принципе цифрового вольтметра, но имеют два входных канала, дискретизирующих параллельно сигналы тока и напряжения. Каждое дискретное значение e(k), представляющее мгновенные значения сигнала напряжения в момент дискретизации, умножается на соответствующее дискретное значение i(k) сигнала тока, полученное в тот же момент времени. Среднее по времени таких произведений есть мощность в ваттах:

Сумматор, накапливающий произведения дискретных значений с течением времени, дает полную электроэнергию в ватт-часах. Погрешность счетчиков электроэнергии может составлять всего лишь 0,01%.

Индукционные счетчики электроэнергии.

Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности. Число оборотов диска за то или иное время пропорционально полной электроэнергии, полученной за это время потребителем. Число оборотов диска считает механический счетчик, который показывает электроэнергию в киловатт-часах. Приборы такого типа широко применяются в качестве бытовых счетчиков электроэнергии. Их погрешность, как правило, составляет 0,5%; они отличаются большим сроком службы при любых допустимых уровнях тока.

Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измерения электрических величин. М., 1982
Малиновский В.Н. и др. Электрические измерения. М., 1985
Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л., 1987

Источник