Электрические измерения и измерительные приборы

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции.

По способу получения результатов измерений их разделяют на: прямые; косвенные; совокупные; совместные.

Метод измерения (рисунок 2.1) – это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.

Рисунок 2.1 Методы измерений

В основе обеспечения единообразия средств измерений лежит система передачи размера единицы измеряемой величины. Технической формой надзора за единообразием средств измерений является государственная (ведомственная) поверка средств измерений, устанавливающая их метрологическую исправность.

Структурную схему аналогового электромеханического прибора в общем виде можно представить рисунком 2.2.

Рисунок 2.2 Структурная схема аналогового электромеханического прибора

Измерительная цепь – обеспечивает преобразование электрической величины Х в промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной Х и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом.
Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота a.

Измерение напряжения

При данном виде измерений применяют схему с дополнительным резистором, рисунок 2.3.

Осуществляется в диапазоне частот 0-109 Гц (при более высоких частотах напряжение перестает быть информативным параметром). Напряжение постоянного тока от долей милливольт до сотен вольт часто измеряют магнитоэлектрическими вольтметрами (класс точности до 0,05).

Рисунок 2.3 Схема измерения напряжения

Основной недостаток – низкое входное сопротивление, определяемое величиной добавочного сопротивления (десятки кОм). От этого недостатка свободны электронные аналоговые вольтметры. Их выходное сопротивление составляет десятки кОм. Ими можно измерять сопротивления от единиц мкВ до нескольких кВ. Основные источники погрешностей здесь: нестабильность элементов и собственные шумы электронных схем. Класс точности таких приборов – до 1,5. И магнитоэлектрическим и электронным вольтметрам присуща температурная погрешность, а также механические погрешности измерительного механизма и погрешности шкалы.

Точные измерения напряжения постоянного тока производятся при помощи компенсаторов постоянного тока (см. тему "Метод замещения" в разделе "Методы измерений"). Точность измерения при этом достигает 0,0005 %. Среднеквадратическое (действующее) значение переменного тока измеряется электромагнитными (до 1-2 кГц), электродинамическими (до 2-3 кГц), ферродинамическими (до 1-2 кГц), электростатическими (до 10МГц) и термоэлектрическими (до 100 Мгц) приборами. Отличие формы измеряемого напряжения от синусоидальной иногда может приводить к большим погрешностям.

Наиболее удобными в эксплуатации приборами являются цифровые вольтметры. Они могут измерять как постоянные, так и переменные напряжения. Класс точности – до 0,001, диапазон – от единиц микровольт до нескольких киловольт. Современные микропроцессорные ЦВ снабжены клавиатурой и часто позволяют производить измерения не только напряжения, но и тока, сопротивления и т. д., т. е. являются многофункциональными измерительными приборами – тестерами (мультиметрами или авометрами).

Измерение тока

При данном виде измерений применяют схему с шунтированием, рисунок 2.4.

Рисунок 2.4 Схема измерений тока

В остальном, все сказанное применительно к измерению напряжения, справедливо и для измерений тока.

Измерение электрической мощности

Осуществляется в цепях постоянного и переменного тока при помощи электродинамических и ферродинамических ваттметров. Изменение пределов достигается коммутацией секций токовой катушки и подключением различных добавочных резисторов. Частотный диапазон: от 0 до 2-3 кГц. Класс точности: 0,1-0,5 для электродинамических и 1,5– 2,5 для ферромагнитных. Мощность также может измеряться косвенно, при помощи амперметра и вольтметра с последующим перемножением результатов. На этом же принципе основано действие цифровых ваттметров.

Существуют модификации ваттметров для измерения мощности в трехфазных цепях.

Измерение электрической энергии

Осуществляется в основном индукционными измерительными приборами. В последние годы широкое распространение получили цифровые счетчики энергии, основанные на принципе амперметра-вольтметра с последующим интегрированием результата перемножения по времени.

В пояснительной записке по данному разделу необходимо привести требования, предъявляемые к электрическим измерениям и к измерительной аппаратуре для проведения измерений на постоянном и пе­ременном токе. Произвести анализ существующих методов и способов изме­рений и аппаратуры для проверки электрических параметров кабеля и обо­рудования до применения их в процессе строительства; проведения контроля состояния электрических параметров кабеля в процессе строительства; со­ставления электрических паспортов кабельных линий по усилительным уча­сткам; определения характера и места повреждения. По результатам анализа студент составляет перечень параметров кабеля, необходимых для проверки и контроля; список измерительного оборудования; список методов и спосо­бов проведения измерений и контроля.