Классификация электроизмерительных приборов, условные обозначения на шкалах приборов

Содержание

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.

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.

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.

Деление по способу снятия измерений

Кроме такого деления, измерительные приборы можно разделить по способу снятия результатов измерений:

прямого действия
сравнения

Приборы прямого действия

К первому виду относятся приборы, позволяющие снять результат измерений непосредственно с индикаторного устройства.

Например: манометр, амперметр, вольтметр, ртутный стеклянный термометр.

Манометры точных измерений применяются для измерения давления неагресcивных к медным сплавам жидких и газообразных

Эти приборы относятся к устройствам непосредственной оценки результатов измерений.

Приборы сравнительные — Компаративные измерительный приборы

Р353 мост постоянного тока — потенциометр электроизмерительный

Двухчашечные весы, мост электрического сопротивления, потенциометр электроизмерительный – это приборы, которые относятся к приборам сравнения, поскольку результат измерений, который можно получить с их помощью, сравниваются со значением известной величины.

Их называют компараторами.

Они должны при проведении измерений обеспечивать высокую чувствительность измерений и небольшую случайную погрешность.

Поверка и калибровка средств измерения: виды и контроль результатов

Еще полезные статьи:

1.4. Виды измерений по метрологии

1.5. Виды средства измерений

2.4. Виды стандартов и нормативных документов

3.4. Виды сертификации по принципу и принадлежности

5.2. Классификация зерносушилок их принцип устройства и назначение

Поверка и калибровка средств измерения: виды и контроль результатов

Виды поверок средств измерений

Измерительный преобразователь СИ

Мера — определение и деление на образцы

3.10. ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Широкое распространение измерения неэлектрических величии (температуры,
угловых и линейных размеров, механических усилий и напряжений, деформаций,
вибраций, химического состава и т.д.) электрическими методами обусловлено
теми преимуществами, которыми они обладают по сравнению с другими методами.
При этом создается возможность дистанционного измерения и контроля неэлектрических
величин с одного места (пульта управления); измерения быстро изменяющихся
неэлектрических величин; автоматизации управления производственным процессом.
Обычно такие приборы состоят из датчика и измерительного устройства.
В датчиках происходит преобразование неэлектрической величины в один
из па-раметров электрической цепи (U, I, R и т.д.).
Измерительное устройство — это один из электрических приборов, рассмотренных
выше.
Не имея возможности остановиться на каждом преобразователе, ограничимся
лишь их кратким перечислением:

Реостатные преобразователи. Работают на изменении сопротивления реостата,
движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической
величины.
Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Их работа основана
на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.
Термопреобразователи (терморезисторы, термосопротивления). В них
изменяется сопротивление датчика под воздействием температуры.
Индуктивные преобразователи. В них при изменении положения разъемных
частей магнитопровода (например, под действием силы, давления, линейного
перемещения) меняется индуктивность катушки.
Емкостные преобразователи. Могут быть использованы в качестве датчиков
перемещения, влажности, химсостава воздуха и др.
Фотоэлектрические преобразователи. В них измерительный прибор реагирует
на изменение освещенности, температура, перемещения и др.
Индукционные преобразователи. Работают на принципе преобразования
неэлектрической величины (например, скорости, ускорения) в индуктированную
ЭДС.
Термоэлектрические преобразователи. Основаны на возникновении термо
ЭДС и ее зависимости от температуры.
Пьезоэлектрические преобразователи. Работают на принципе возникновения
ЭДС при воздействии усилий на кристаллы некоторых материалов.

Поверка приборов, для чего она нужна

Все измерительные приборы измеряют с некой погрешностью, класс точности говорит лишь о том, в каком диапазоне она находится. Бывают случаи, когда диапазон погрешности незаметно увеличивается, и мы начинаем замечать, что измеритель «по-простому» начинает врать. В таких случаях помогает поверка.

Это процесс измерения эталонной величины в идеальных условиях прибором, обычно проводится метрологической службой или в метрологическом отделе предприятия производителя.

Существует первичная и периодическая, первичную проверку проводят после выпуска изделия и выдают сертификат, периодическую проводят не реже чем раз в год, для ответственных приборов чаще.

Поэтому если вы сомневаетесь в правильности работы устройства, вам следует провести его поверку в ближайшей метрологической службе, потому что измеритель может врать как в меньшую, так и в большую сторону.

Как легко проверить потребление электроэнергии в квартире, можете узнать в нашей статье.

3.9. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено
косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае:

Можно использовать омметр — прибор непосредственного отсчета.
Существуют две схемы омметра: а) последовательная; б) параллельная (рис. 3.9.1).

Уравнение шкалы последовательной схемы намерения:

где г — сопротивление цепи гальванометра. При
угол поворота подвижной части прибора определяется величиной измеряемого
сопротивления Rx. Поэтому шкала прибора может быть непосредственно проградуирована
в Омах. Ключ K используется для установки стрелки прибора в нулевое
положение. Омметры параллельного типа удобнее применять для измерения
небольших сопротивлений
Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами. На рис.
3.9.2 приведена принципиальная схема логометра.

Для этой схемы имеем:

Отклонение подвижной части логометра:

Таким образом, показание прибора не зависит от напряжения источника
питания и определяется величиной измеряемого сопротивления Rx.

3.6. ИНДУКЦИОННАЯ СИСТЕМА

Приборы индукционной системы получили широкое распространение для измерения
электрической энергии. Принципиальная схема прибора приведена на рис.
3.6.1. Электрический счетчик содержит магнитопровод — 1 сложной конфигурации,
на котором размещены две катушки; напряжения — 2 и тока — 3. Между полюсами
электромагнита помещен алюминиевый диск — 4 с осью вращения — 5. Принцип
действия индукционной системы основан на взаимодействии магнитных потоков,
создаваемых катушками тока и напряжения с вихревыми токами, наводимыми
магнитным полем в алюминиевом диске.

Вращающий момент, действующий на диск, определяется выражением:

где Ф_U — часть магнитного потока, созданного обмоткой напряжения
и проходящего через диск счетчика; Ф_I — магнитный поток,
созданный обмоткой тока; — угол сдвига между Ф_U и Ф_I.
Магнитный поток Ф_U пропорционален напряжению
Магнитный поток Ф_I пропорционален току:
Для того чтобы счетчик реагировал на активную энергию, необходимо выполнить
условие:

В этом случае

т.е. вращающий момент пропорционален активной мощности нагрузки.
Противодействующий момент создается тормозным магнитом — 6 и пропорционален
скорости вращения диска:

В установившемся режиме
и диск вращается с постоянной скоростью. Приравнивая два последних уравнения
и решив полученное уравнение относительно угла поворота диска

Таким образом, угол поворота диска счетчика пропорционален активной
энергии. Следовательно, число оборотов диска n тоже пропорционально
активной энергии.

Аналоговые и цифровые

Контрольно-цифровые инструменты могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Первые считаются более удобными. В них показатели силы, напряжения или тока переводятся в числа, затем выводятся на экран.

Но при этом внутри каждого такого прибора находится аналоговый преобразователь. Зачастую он представляет собой датчик, снимающий и отправляющий показания с целью преобразования их в цифровой код.

Хотя аналоговые инструменты менее точны, они обладают простотой и лучшей надежностью. А также существуют разновидности аналоговых инструментов и приборов, имеющих в своем составе усилители и преобразователи величин. По ряду причин они предпочтительнее механических устройств.

3.3. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Приборы этой системы (рис. 3.3.1) содержат постоянный магнит — 1,
к которому крепятся полюса — 2. В межполюсном пространстве расположен
стальной цилиндр — 3 с наклеенной на него рамкой — 4. Ток в рамку подается
через две спиральные пружины -5. Принцип действия прибора основан на
взаимодействии тока в рамке с магнитным полем полюсов.

Это взаимодействие вызывает вращающий момент, под действием которого
рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол .
Спиральная пружина, в свою очередь, вызывает противодействующий момент.

Так как вращающий момент пропорционален току, ,
а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин
, то можно написать:

где k и D — коэффициенты пропорциональности. Из написанного следует,
что угол поворота рамки

а ток в катушке

где — чувствительность прибора к току, определяемая числом делений
шкалы, соответствующая единице тока; C_I— постоянная по току, известная
для каждого прибора.
Следовательно, измеряемый ток можно определить произведением угла поворота
(отсчитывается по шкале) и постоянной по току C_I.
К достоинствам этой системы относят высокую точность и чувствительность,
малое потребление энергии.
Из недостатков следует отметить сложность конструкции, чувствительность
к перегрузкам, возможность измерять только постоянный ток (без дополнительных
средств).

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

Классификация электроизмерительных приборов по принципу действия

По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на следующие основные типы:

1. Приборы магнитоэлектрической системы, основанные на принципе взаимодействия катушки с током и внешнего магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом.

2. Приборы электродинамической системы, основанные на принципе электродинамического взаимодействия двух катушек с токами, из которых одна неподвижна, а другая подвижна.

3. Приборы электромагнитной системы, в которых используется принцип взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки с током и подвижной железной пластинки, намагниченной этим полем.

4. Тепловые измерительные приборы, использующие тепловое действие электрического тока. Нагретая током проволока удлиняется, провисает, и вследствие этого подвижная часть прибора получает возможность повернуться под действием пружины, выбирающей образовавшуюся слабину проволоки.

5. Приборы индукционной системы, основанные нa принципе взаимодействия вращающегося магнитного поля с токами, индуктированными этим полем в подвижном металлическом цилиндре.

6. Приборы электростатической системы, основанные на принципе взаимодействия подвижных и неподвижных металлических пластин, заряженных разноименными электрическими зарядами.

7. Приборы термоэлектрической системы, представляющие собой совокупность термопары с каким-либо чувствительным прибором, например, магнитоэлектрической системы. Измеряемый ток, проходя через термопару, способствует возникновению термотока, воздействующего на магнитоэлектрический прибор.

8. Приборы вибрационной системы, основанные нa принципе механического резонанса вибрирующих тел. При заданной частоте тока наиболее интенсивно вибрирует тот из якорьков электромагнита, период собственных колебаний которого совпадает с периодом навязанных колебаний.

9. Электронные измерительные приборы — приборы, измерительные цепи которых содержат электронные элементы. Они используется для измерений практически всех электрических величин, а также неэлектрических величин, предварительно преобразованных в электрические.

По типу отсчетного устройства различают аналоговые и цифровые приборы. В аналоговых приборах измеряемая или пропорциональная ей величина непосредственно воздействует на положение подвижной части, на которой расположено отсчетное устройство. В цифровых приборах подвижная часть отсутствует, а измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, регистрируемый цифровым индикатором.

Индукционный счетчик электроэнергии:

Отклонение подвижной части у большинства электроизмерительных механизмов зависит от значений токов в их катушках. Но в тех случаях, когда механизм должен служить для измерения величины, не являющейся прямой функцией тока (сопротивления, индуктивности, емкости, сдвига фаз, частоты и т. д.), необходимо сделать результирующий вращающий момент зависящим от измеряемой величины и не зависящим от напряжения источника питания.

Для таких измерений применяют механизм, отклонение подвижной части которого определяется только отношением токов в двух его катушках и не зависит от их значений. Приборы, построенные по этому общему принципу, называются логометрами. Возможно построение логометрического механизма любой электроизмерительной системы с характерной особенностью — отсутствием механического противодействующего момента, создаваемого закручиванием пружин или растяжек.

Условные обозначения на вольтметре:

На рисунках ниже приведены условные обозначения электроизмерительных приборов по принципу их действия.

Обозначение принципа действия прибора

Обозначения рода тока

Обозначения класса точности, положения прибора, прочности изоляции, влияющих величин

Система обозначений

Советуем изучить — Провода и защитные оболочки для монтажа электропроводки на станках

Электродинамический механизм

Электродинамический механизм (рис. 11.5) состоит из неподвижной 1 и подвижкой 2 катушек. Катушка 2 укреплена на растяжках и может поворачиваться вокруг оси внутри двух секций неподвижной катушки. При наличии в катушках постоянных токов I1 и I2 возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть катушку 2 соосно с катушкой 1. В результате возникает вращающий момент: MBP=K1I1I2, где K1 — коэффициент, учитывающий изменение взаимной индуктивности подвижной и неподвижной катушек.

Вращающий момент электродинамического ИМ пропорционален произведению действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига фаз между ними.

Рис. 11.5. Конструктивное исполнение измерительного механизма электродинамической системы

Электродинамические приборы, в которых используются электродинамические механизмы, применяют в цепях постоянного и переменного тока в основном для измерения тока, напряжения и мощности.

Электродинамические амперметры обычно выполняются на два предела измерения, что достигается различием схем включения катушек: на малые токи — по схеме рис. 11.6, а, на большие токи — по схеме рис. 11.6, б. В первом случае ток IХ проходит через неподвижную 1 и подвижную 2 катушки, соединенные последовательно. Во втором случае катушки соединяются параллельно. В электродинамическом приборе отклонение подвижной части ИМ пропорционально квадрату измеряемого тока IХ.

Рис. 11.6. Схемы построения амперметров электродинамической системы на малые (а) и большие (б) токи

Выпрямительные приборы

Выпрямительные приборы (рис. 11.3) представляют собой сочетание магнитоэлектрического ИМ и выпрямительного устройства, состоящего, как правило, из двух диодов и более. Выпрямительные устройства (рис. 11.3, а) преобразуют переменный ток в пульсирующий однополярный iП (рис. 11.3, б). Подвижная часть ИМ, обладающая инерцией, реагирует на среднее значение этого пульсирующего тока — IСР.

Рис. 11.3. Схема выпрямительного прибора с двухполупериодным выпрямителем (а) и временные диаграммы (б) работы двухполупериодного выпрямительного прибора

Шкала выпрямительного прибора градуируется в действующих значениях синусоидального тока (напряжения).

Выпрямительные приборы часто выполняются в виде комбинированных многопредельных — в одном приборе сочетаются амперметр, вольтметр и омметр, каждый на несколько пределов измерения.

Достоинствами выпрямительных приборов являются: высокая чувствительность (наименьшие пределы измерения 0,25 … …0,3 мА; 0,3 В), малое собственное потребление энергии, так как используются магнитоэлектрические ИМ. К недостаткам относятся: неравномерность шкалы в начале (в пределах до 15% от предела измерения), невысокая точность (высший класс точности 1,0).

Электромагнитный измерительный механизм

Электромагнитный измерительный механизм показан на рис. 3. Он состоит из неподвижной катушки А и подвижной части — стального сердечника Б, указательной стрелки, пружины и секторообразного алюминиевого листка В успокоителя, укрепленного на одной оси.

Измеряемый ток, проходя по неподвижной катушке, создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник Б и втягивает его внутрь катушки. По углу поворота сердечника определяют величину тока в катушке.

При движении листка В успокоителя в магнитном поле магнита М в нем индуктируются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий успокоение.

Рис. 3. Электромагнитный измерительный механизм

Электромагнитный измерительный механизм применим для цепей постоянного и переменного тока, так как втягивание сердечника в катушку не зависит от направления тока.

Вследствие влияния остаточной индукции сердечника втягивание, а следовательно, и показания измерительного механизма может быть различным при одинаковых значениях тока при увеличении тока и при уменьшении его. Следовательно, возможна погрешность от остаточной индукции. Для уменьшения этой погрешности сердечники изготавливают из пермалоя, остаточная индукция которого ничтожна.

Для уменьшения погрешности от внешних полей измерительный механизм окружают стальными экранами или кожухами. Для этой же цели применяют астатические измерительные механизмы с двумя последовательно соединенными катушками и соответственно с двумя сердечниками на одной оси. Измеряемый ток создает в катушках поля противоположного направления. Внешнее однородное поле уменьшает магнитное поле одной катушки и настолько же увеличивает поле второй катушки, таким образом, результирующее влияние внешнего поля будет ничтожным.

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 I1, по неподвижной катушке и тока I2 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.