Основные понятия измерений
Измерением
называют процесс сравнения измеряемой величины с величиной того же рода, условно приятой за единицу измерения.
Материальный образец единицы измерения ее дробного или кратного значения называется мерой
Устройство, предназначенное для сравнения измеряемой величины с единицей измерения или с мерой, называют измерительным прибором
Меры и приборы, предназначенные для хранения или воспроизводства единиц, а также для поверки и градуировки приборов, носят название образцовых
Результат всякого измерения несколько отличается от действительного значения измеряемой величины. Действительное значение измеряемой величины это значение, определяемое при помощи образцовых приборов (образцовых мер).
Разность между измеренным и действительным значением величины составляет абсолютную погрешность
измерения. Выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному или измеренному значению представляет собойотносительную погрешность , которая применяется для оценки качества измерения.
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.
История
- В 1733—1737 гг французский учёный Ш. Дюфе создал электроскоп. В 1752—1754 гг его работы продолжили М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман в процессе исследований атмосферного электричества. В середине восьмидесятых годов XVIII века Ш. Кулон изобрёл крутильные весы — электростатический измерительный прибор.
- В первой половине XIX века, когда уже были заложены основы электродинамики (законы Био — Савара и Фарадея, принцип Ленца), построены гальванометры и некоторые другие приборы, изобретены основные методы электрических измерений — баллистический (Э. Ленц, г.), мостовой (Кристи, г.), компенсационный (И. Поггендорф, )
- В середине XIX века отдельные ученые в разных странах создают меры электрических величин, принимаемые ими в качестве эталонов, производят измерения в единицах, воспроизводимых этими мерами, и даже проводят сличение мер в разных лабораториях. В России в 1848 г. академик Б. С. Якоби предложил в качестве эталона единицы сопротивления применять медную проволоку длиной 25 футов (7,61975 м) и весом 345 гран (22,4932 г), навитую спирально на цилиндр из изолирующего материала. Во Франции эталоном единицы сопротивления служила железная проволока диаметром в 4 мм и длиной в 1 км (единица Бреге). В Германии таким эталоном являлся столб ртути длиной 1 м и сечением 1 мм² при 0° С
- Вторая половина XIX века была периодом роста новой отрасли знаний — электротехники. Создание генераторов электрической энергии и применение их для различных практических целей побудили крупнейших электротехников второй половины XIX в. заняться изобретением и разработкой различных электроизмерительных приборов, без которых стало немыслимо дальнейшее развитие теоретической и практической электротехники. В 1871 году А. Г. Столетов впервые применил баллистический метод для магнитных измерений и исследовал зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля, создав этим основы правильного подхода к расчету магнитных цепей. Этот метод используется в магнитных измерениях и в настоящее время
- В 1880—1881 гг. французские инженер Депре и физиолог Д’Арсонваль построили ряд высокочувствительных гальванометров с зеркальным отсчетом
- В г. немецкий инженер Ф. Уппенборн изобрел электромагнитный прибор с эллиптическим сердечником, а в 1886 г. он же предложил электромагнитный прибор с круглой катушкой и двумя цилиндрическими сердечниками
- В г. немецкий инженер Т. Бругер изобрел логометр
В развитии электроизмерительной техники конца второй половины XIX и начала XX ст. значительные заслуги принадлежат М. О. Доливо-Добровольскому. Он разработал электромагнитные амперметры и вольтметры, индукционные приборы с вращающимся магнитным полем (ваттметр, фазометр) и ферродинамический ваттметр
Электродинамический измерительный механизм
Когда ток I
При постоянном токе вращающий момент и угол поворота подвижной катушки пропорциональны произведению токов катушек. При переменном токе
Рисунок 4. Электродинамическое движение
Рисунок 5. Создание крутящего момента в электродинамическом движении
Крутящий момент и соответствующий угол поворота подвижной катушки определяются произведением значений токов в катушках и косинуса угла сдвига между ними.
Отсутствие стали в измерительном механизме и, следовательно, остаточных индукционных погрешностей позволяет разрабатывать эти механизмы для высокоточных измерений.
Для уменьшения погрешностей из-за внешних магнитных полей, вызванных слабым магнитным полем механизма, используются те же средства, что и для электромагнитных механизмов.
Поскольку слабое магнитное поле связано со слабым крутящим моментом, для достижения высокой точности необходимо уменьшить ошибки трения. Это достигается за счет снижения веса подвижной части и качественной обработки валов и подшипников. Кроме того, поперечное сечение пружин и проводов звуковой катушки невелико, поэтому электродинамическое движение чувствительно к перегрузкам.
Электродинамические и электромагнитные измерительные приборы
Самая простая система. Это самый простой тип; принцип работы следующий: вокруг маховика натягивается ремень, и за счет изменения натяжения достигается изменение нагрузки на маховик. Основные недостатки тренажеров с такой системой загрузки — высокий рабочий шум, отсутствие возможности корректировки программы тренировки, простой микрокомпьютер. Единственное преимущество — низкая цена. Но не забывайте, что скупой платит дважды.
- Механическая
- Магнитная с ручной регулировкой
- Магнитная с электронной регулировкой
- Электромагнитная
Механическая (ременная) система нагружения
Магнитная система зарядки
Отсутствие программ обучения Громкий щелкающий звук при переключении
Дешевле, чем электрические модели Не нужно подключать к розетке
Подобная система используется, например, в аппарате Oxygen Tornado II EL.
Совет:
Его можно быстро узнать по круглой ручке на подставке.
Электронная регулировка сопротивления позволяет изменять уровень сопротивления с помощью компьютера на орбитреке; это возможно благодаря серводвигателю (небольшой мотор, который изменяет расстояние до вращающегося маховика). Это более современная и технологичная система загрузки, чем механические или ручные соленоидные системы. Помимо установки уровня нагрузки, можно также использовать встроенные программы тренировок.
Электронная регулировка
Hasttings DRE20 имеет именно такую программу.
Измерительный механизм является наиболее важной частью любого измерительного устройства. Когда механизм активируется измеряемой или связанной с функцией вспомогательной переменной, его подвижная часть перемещается
Угол поворота или линейного перемещения подвижной части определяет значение измеряемой величины.
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.
Магнитоэлектрический измерительный механизм + крутящий момент
Для крутящего момента, имеющего место в конструкциях электроприборов с подвижной катушкой на постоянном магните, характерной является обобщённая формула. По этой формуле определяется отклоняющий момент:
Td = N*B*l*d*I
где: N — число витков катушки; B — плотность магнитного потока воздушного зазора; L — длина подвижной катушки; D – ширина подвижной катушки; I – электрический ток.
Теоретически для инструмента с подвижной катушкой отклоняющий момент пропорционален току. Математически это выражается как:
Td = GI
То есть окончательная формула получает следующий вид:
G = N*B*I*d*l
Установившийся режим прибора демонстрирует равными управляющий и отклоняющий моменты. Приравнивая управляющий и отклоняющий крутящий моменты, можно получить:
I = (K / G) * x, где: x – отклонение.
Если отклонение прямо пропорционально току, необходима равномерная шкала на измерительном приборе для измерения тока. Также следует рассмотреть базовую принципиальную электрическую схему измерительного прибора:
Принципиальная электрическая схема на магнитоэлектрический измеритель: 1 – электрический ток; 2 – токовая составляющая Im; 3 – шунт сопротивление; 4 – токовая составляющая Is; 5 – сопротивление индуктивности
На электрической схеме видно — ток I разделяется на две токовые составляющие (Im, Is) в точке «А». В схеме присутствует шунт сопротивление, свойства которого имеет значение. Электрическое сопротивление шунта, в частности, определяется низким значением температурного коэффициента и независимостью изменения во времени.
Кроме того, шунт, используемый в схеме, обладает свойствами пропускания больших токов без риска значительного повышения температуры. Поэтому такие материалы, как «Манганин», обычно применяются для создания шунта — сопротивления постоянному току.
Значение токовой составляющей Is существенно выше значения токовой составляющей Im, учитывая малое сопротивление шунта. Соответственно:
Is * Rs = Im * Rm
где Rs — значение шунта, Rm — сопротивление индуктивности.
Определение Im:
Is = I – Im
Определение m:
m = I/Im = 1 + Rm/Rs
где, m – сила сопротивления шунта.
Магнитоэлектрический измерительный прибор + системные ошибки
При всех положительных моментах, связанных с технологией измерения посредством магнитоэлектрических систем, такого рода приборы не исключают проявления ошибочных показаний. В основном на практике пользования магнитоэлектрическими измерительными приборами отмечаются три вида системных ошибок.
- По причине температурных воздействий и «старения» магнита, со временем отмечается снижение свойств магнетизма измерительного прибора. «Старению» магнита, как правило, способствуют термические и вибрационные воздействия.
- Износ пружины может стать причиной ошибочных показаний магнитоэлектрического измерительного прибора. Однако механический износ пружины и «старение» магнита, компенсируют ошибки, учитывая противоположно действующие силы этих факторов.
Температурный коэффициент медного провода движущейся катушки прибора составляет примерно 0,04 на один градус Цельсия при повышении окружающей температуры. По этой причине отмечается некоторое увеличение сопротивления и, соответственно, магнитоэлектрический измерительный прибор выдаёт неточные показания.
При помощи информации: ElectricaIidea
Магнитоэлектрический измерительный прибор
Магнитоэлектрические измерительные приборы имеют широкое и разнообразное применение: в качестве амперметров и вольтметров в цепях постоянного тока; измерительных элементов — в устройствах для измерений разнообразных неэлектрических величин ( температуры, давлений и др.); в гальванометрах пестоян-ного тока и пр. Приборы магнитоэлектрической системы могут быть изготовлены очень большой степени точности и высокой чувствительности.
|
Частотные характеристики цепи индикатора. |
Магнитоэлектрические измерительные приборы, как было показано, регистрируют не амплитудное значение, а импульс тока, характеризующий одновременно и размер, и глубину залегания дефекта. Поэтому рассчитать изменение импульса весьма трудно.
|
Магнитоэлектрический прибор. |
Магнитоэлектрические измерительные приборы предназначены для измерения величины тока и напряжения в цепях постоянного тока. Эти приборы обладают большой точностью измерений, но очень чувствительны к перегрузкам. Их применяют для лабораторных и производственных измерений в цепях постоянного тока.
Магнитоэлектрические измерительные приборы с подвижной катушкой применяются часто также для установки на распределительных досках.
Магнитоэлектрический измерительный прибор является основной частью любого устройства, предназначенного для измерения напряжений, токов и сопротивлений резисторов. Неподвижная магнитная система образована постоянным магнитом, полюсными наконечниками ( башмаками) и цилиндрической формы сердечником внутри катушки. Башмаки и сердечник изготавливаются из ферромагнитного материала — железа. В собранной магнитной системе между внешней поверхностью сердечника и внутренней поверхностью башмаков образуется кольцевой воздушный зазор, в котором существует радиально направленное магнитное поле. Рамка снабжена торцевыми осями и спиральными пружинками, которые создают противодействующий момент и одновременно являются внешними выводами катушки.
|
Дифференциальная схема с использованием нулевого метода измерения. |
Применение магнитоэлектрических измерительных приборов и чувствительных электромагнитных реле Б подобных схемах возможно лишь при использовании вентильных фотоэлементов, отличающихся от других видов фотоэлементов значительной величиной фототока и малым внутренним сопротивлением. При использовании вакуумных фотоэлементов и фотосопротивлений для усиления фототоков применяют электронные схемы. Усилители постоянного тока, отличающиеся непостоянством нулевой точки, требуют хорошей стабилизации источников питания. Вместо этого, используя метод модуляции светового потока или фототока фотоэлемента, получают фототок, имеющий переменную составляющую, которую дальше легко усилить при помощи усилителей переменного тока.
Вследствие выпрямления магнитоэлектрический измерительный прибор показывает в первом приближении среднее значение измеряемой величины, а не средне-квадратичное значение, которое почти всегда желательно. Такие приборы градуируют в среднеквадратичных значениях, считая форму сигнала синусоидальной, что является обычно правильным для сетевого напряжения. Значение ошибки при искажении формы сигнала в отдельных случаях может достигнуть 10 %, например в аппаратуре с насыщенными железными сердечниками, или даже при обычном намагничивании вследствие формы кривой намагничивания. Это составляет практический предел точности приборов с выпрямителями. С этим недостатком приходится мириться, так как для большинства измерений малой мощности других приборов не существует.
Наиболее употребительны магнитоэлектрические измерительные приборы. Их работа основана на действии магнитного поля постоянного магнита на проводник с током. Рассмотрим действие магнитного поля на, рамку, обтекаемую током в направлении, указанном на.рис. 271, и расположенную в плоскости, параллельной линиям магнитного поля. На рамку в целом действует пара — сил Ft, Ft, стремящихся повернуть рамку.
Как устроены магнитоэлектрические измерительные приборы, их достоинства, недостатки и область применения.
Как устроены магнитоэлектрические измерительные приборы, их достоинства, недостатки и область применения.
Динамометр лредставляет собой магнитоэлектрический измерительный прибор с подвижной частью, имеющей две токоподво-дящие пружины 5, суммарный момент которых известен.
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА — магнитоэлектрические измерительные приборы, служащие для измерения электрич.
Измерение переменных токов и напряжений
Чтобы тот же микроамперметр использовать для измерения переменных токов и напряжений, их предварительно надо выпрямить. Выпрямление производят при помощи полупроводниковых диодов. На рис. 8, а показана схема однонолупериодного выпрямителя. Выпрямителем является диод VD1, который пропускает через прибор прямую волну измеряемого тока. Обратная полуволна, для которой диод VD1 закрыт, проходит через диод VD2. Последовательно с ним часто включают резистор R сопротивлением, равным сопротивлению микроамперметра.
Рис. 8 — Измерители переменных токов и напряжений:
а) — с однополупериодным выпрямителем,
б) — с двухполупериодным выпрямителем.
Недостаток прибора с одпополупериодным выпрямителем — низкая чувствительность, так как среднее значение выпрямленного тока не может быть больше половины амплитуды измеряемого тока. Преимущество же такого прибора — более линейная шкала по сравнению со шкалами приборов, выпрямители которых построены по двухполупериодным схемам, например, по мостовым (рис. 7,б).
В остальном схемы миллиамперметра и вольтметра переменного тока аналогичны схемам таких же приборов для измерения постоянных токов и напряжений. Шунты и добавочные резисторы в таких приборах включают до выпрямителя (рис. 9). Но градуировка приборов для измерений переменных токов и напряжений, к сожалению, не совпадет с градуировкой шкал приборов постоянного тока. Объясняется это тем, что характеристики полупроводниковых выпрямителей нелинейны, особенно при малых напряжениях. Поэтому ток через магнитоэлектрический прибор не прямопропорционален измеряемым переменным токам и напряжениям.
Рис. 9 — Схемы подключения шунтов и добавочных сопротивлений для измерения постоянных токов и напряжений
Надо заметить, что показания измерительных приборов выпрямительной системы, о которых мы только что сказали, зависят от частоты измеряемых токов. Низкочастотная граница этих приборов может быть 10—20 Гц. При токах более низкой частоты стрелка магнитоэлектрического прибора заметно колеблется, так как через него течет пульсирующий ток и в промежутках между импульсами стрелка под действием возвратных пружин стремится вернуться в пулевое положение. При измерении токов высокой частоты возникает шунтирование р-п-р переходов полупроводниковых диодов емкостями этих переходов, в результате чего величина выпрямленного тока уменьшается. Показания прибора при этом также уменьшаются. Этот процесс действует при измерении токов всех частот, и если говорить строго, то градуировка шкалы будет соответствовать только току той частоты, на которой она была произведена, но погрешности на низких частотах столь незначительны, что ими можно пренебречь, по крайней мере до частот 20—30 кГц.
Чтобы несовпадение шкал постоянного и переменного токов было незначительным, выпрямительный мост видоизменяют так, как показано на рис. 9, то есть диоды VD3 и VD4 (см. рис. 8,б) заменяют резисторами R1, и R2 сопротивлением в несколько килоом. Это, конечно, снижает чувствительность прибора.
Сопротивление добавочных резисторов и шунтов для измерения переменных токов несколько отличается от подобных резисторов прибора для измерения постоянного тока. Объясняется это тем, что при измерении переменного тока параллельно магнитоэлектрическому прибору включены шунтирующие его диоды. Поэтому расчет добавочных резисторов и шунтов для измерений переменного тока надо вести не на ток , а на значение , зависящее от схемы выпрямителя, параметров диодов и др. В любительских условиях все это определить трудно, поэтому лучше подобрать сопротивление добавочных резисторов и шунтов опытным путем.
Классификация
- Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов: амперметры — для измерения силы электрического тока;
- вольтметры — для измерения электрического напряжения;
- омметры — для измерения электрического сопротивления;
- мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы
- частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока;
- магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений;
- ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока;
- электрические счётчики — для измерения потреблённой электроэнергии
- и множество других видов
Кроме этого существуют классификации по другим признакам:
- по назначению — измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства;
по способу представления результатов измерений — показывающие и регистрирующие ( в виде графика на бумаге или фотоплёнке, распечатки, либо в электронном виде);
по методу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
по способу применения и по конструкции — щитовые (закрепляемые на щите или панели), переносные и стационарные;
по принципу действия: (см. статью Системы измерительных приборов ): магнитоэлектрические;
электромагнитные;
электродинамические;
электростатические;
ферродинамические;
индукционные;
магнитодинамические;
электронные;
термоэлектрические;
электрохимические.
Графические обозначения по ГОСТ 23217
Магнитоэлектрические приборы. Принцип действи, достоинства, недостатки, область применения.
ПредыдущаяПредыдущий пункт 5 из 10 Следующая⇒
В магнитоэлектрическом механизме крутящий момент создается за счет взаимодействия постоянного тока в катушке механизма с полем постоянного магнита. Существует два основных типа магнитоэлектрических систем: Подвижная рамка (подвижная катушка) и вращающийся соленоид, причем первый используется гораздо чаще, чем второй.
Принцип действия магнитоэлектрических устройств основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и катушки с током. В воздушном зазоре 1 (рис. 7.1) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными клеммами NS неподвижного постоянного магнита находится алюминиевый каркас с обмоткой 3, состоящей из w витков изолированного провода.
Рама жестко связана с двумя полуосями O и O’, которые поддерживаются на своих концах. К полуоси O прикреплены стрелка указателя 4 и две винтовые пружины 5 и 5′, через которые измеряемый ток I и противовесы 6 соединены с катушкой. Концы полюсов NS и стальной цилиндр 2 создают в зазоре 1 однородное радиальное магнитное поле с индукцией В. Взаимодействие магнитного поля с током в проводниках катушки 3 создает вращающий момент. Каркас катушки вращается, и стрелка отклоняется на угол a. Электромагнитная сила Fem, действующая на катушку, равна Fem = wBlI.
Крутящий момент, создаваемый силой Fem,
Mvr = Femd = wBlId = C1I1,
Поворот рамы компенсируется спиральными пружинами 5 и 5′, которые создают компенсирующий момент, пропорциональный углу поворота α:
Где C2 — коэффициент, зависящий от жесткости пружин.
Индекс располагается в определенном диапазоне шкалы, когда моменты равны
Mvr = Mpr, т.е. когда C1I = C2a. Угол поворота индикатора
C2 пропорциональна силе тока. Следовательно, магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу, что является преимуществом.
Направление вращающего момента (определяемое по правилу левой руки) изменяется при изменении направления тока. Когда магнитоэлектрический прибор подключен к цепи переменного тока, катушка подвергается воздействию быстро меняющихся механических сил, среднее значение которых равно нулю. В результате игла прибора не отклоняется от нулевого положения. Поэтому эти приборы нельзя использовать непосредственно для измерений в цепях переменного тока.
15. электромагнитные устройства, принцип действия, преимущества, недостатки, область применения.
Электромагнитные измерители — это класс устройств, используемых для измерения различных электрических величин.
Электродинамический механизм (рис. 4 и 5) состоит из двух катушек — неподвижной А с двумя секциями и подвижной В, которая находится на одной оси со стрелкой указателя, лезвия воздушного ножа В и двух спиральных пружин.