Тема 1.4. Електричні вимірювання

Загальні відомості.Вимірювання — це один із основних засобів пізнання природи, її явиш та законів. Сучасна вимірювальна техніка має велику кількість різноманітних вимірювальних приладів, які забезпечують можливість вимірювання понад двохсот п'ятдесяти електричних, магнітних, теплових, світлових, акустичних, механічних та інших фізичних величин (ФВ).

Більшість ФВ під час вимірювання перетворюються в електричні величини як найзручніші для порівняння, передачі, масштабування, відтворення тощо. А тому сьогодні в галузі вимірювальної техніки найінтенсивніше розвиваються саме електровимірювальні прилади. При цьому слід зауважити, що електровимірювальні прилади призначені для вимірювання як електричних, так і неелектричних ФВ.

Основне завдання електричних вимірювань — знаходження значень ФВ дослідним шляхом за допомогою спеціальних електротехнічних засобів і вираження цих значень у прийнятих одиницях.

Вимірювальними приладами (ВП) називають технічні засоби вимірювання, які мають нормовані метрологічні характеристики.

Технічні засоби вимірювання класифікуються за різними критеріями та ознаками.

За призначенням вони поділяються на міри, вимірювальні перетворювачі, електровимірювальні прилади, інформаційно-вимірювальні системи, інтелектуальні вимірювальні та експертні комплекси.

Мірою називають технічні засоби вимірювання, призначені для відтворення фізичної величини заданого розміру. Міри бувають однозначні, багатозначні, регульовані та нерегульовані.

Однозначна міра може відтворити тільки одне значення ФВ, наприклад, гиря вагою 1 кг, резистор постійного опору в 10 Ом.

Багатозначна міра може відтворити велику кількість значень ФВ, наприклад, конденсатор змінної ємності, реостат опорів.

Вимірювальними перетворювачаминазивають технічні засобивимірювання, призначені для формування сигналів вимірювальної інформації у формі, найзручнішій для наступних її перетворювань, передачі, обробки, зберігання, але не для спостереження оператором.

Залежно від виду вимірюваних фізичних величин вимірювальні перетворювачі поділяються на дві групи:

перетворювачі електричних величин в електричні — вимірювальні електричні трансформатори, дільники напруги тощо;

перетворювачі неелектричних величин в електричні — терморезистори, індуктивні перетворювачі, за допомогою яких можна неелектричні величини, температуру і тиск перетворити в електричні,— електричний опір та індуктивність

Останнім часом вимірювальні перетворювачі називають також датчиками та сенсорами, під якими найчастіше розуміють конструктивно оформлені вимірювальні перетворювачі, розміщені безпосередньо на об'єктах вимірювання чи контролю.

Електровимірювальними приладами називають технічні засоби вимірювань, призначені для одержання сигналів вимірювальної інформації, а саме сигналів, які функціонально пов'язані з вимірюваними ФВ і мають форму, зручну для безпосереднього сприймання оператором. Ці прилади побудовані на різних принципах дії, мають різноманітне конструктивне виконання і класифікуються за різними ознаками (рис.1.27).

Рис.1.27 - Класифікація вимірювальних приладів

Аналоговими ВП називають такі прилади, в яких результат вимірювання подається у формі, неперервній за значенням, а відлік значення ФВ проводиться за положенням покажчика (стрілки) чи реєструючого органу відносно шкали.

Цифровими ВП називають такі прилади, які автоматично виробляють дискретні сигнали вимірювальної інформації, значення яких виражені у цифровій формі.

Важливою ознакою класифікації електровимірювальних приладів є вид системи перетворення енергій під час вимірювання.

В аналогових вимірювальних приладах вирізняють такі системи: магнітоелектричну, електромагнітну, електродинамічну, феродинамічну, електростатичну, індукційну.

Розглянемо принцип дії, теоретичні основи та призначення електровимірювальних приладів цих систем.

Магнітоелектричні аналогові вимірювальні прилади.Вимірювальні механізми магнітоелектричного ВП (рис.1.28) використовуються головним чином в амперметрах, вольтметрах, гальванометрах та рідше в омметрах.

Рис. 1.28 - Магнітоелектричний вимірювальний прилад:

1 — рухома рамка; 2 — магніти.

Магнітоелектричний ВП складається з рухомої рамки 1, яка міститься в рівномірному радіальному магнітному полі, що створюється магнітами 2. Під час протікання електричного струму по вітках рамки виникає сила F яка намагається повернути рамку вертикально, так, щоб її вісь стала перпендикулярно до напрямку

А1 — А2. Коли обертаючий момент рамки і протидіючий момент урівноважаться, рамка зупиняється. Залежність між кутом відхилення рамки і величиною струму в ній описується рівнянням:

,

де Ф — магнітний потік, який зчіплюється з рамкою; І — сила струму в рамці, М — обертаючий момент; α — кут відхилення рамки (стрілки приладу).

Чутливість магнітоелектричних ВП не залежить від кута відхилення рамки і є постійною по всій шкалі, що дозволяє мати в магнітоелектричних ВП рівномірну шкалу. Важливою особливістю таких ВП є їхня висока точність — 0,1. Недоліки — порівняно складна конструкція, мала перевантажувальна спроможність, можливість (без перетворювачів) використання тільки в колах постійного струму.

Магнітоелектричні ВП використовуються також для побудови логометрів — приладів, призначених для вимірювання відношення двох величин, а також незалежних від полярності вимірюваних сигналів. Нульова позначка у таких ВП міститься посередині шкали.

Електромагнітні вимірювальні прилади (рис. 1.29). Обертальний момент в електромагнітних ВП виникає внаслідок взаємодії магнітного поля котушки, по якій протікає вимірюваний електричний струм, з одним або кількома магнітними осердями, що рухаються всередині котушки. Якщо через котушку протікає електричний струм, то магнітне осердя 3 намагається втягнутися у проріз котушки і повертає вісь 2, на якій міститься стрілка 5, що починає рухатися відносно шкали 4.

Коли обертальний момент магніту з котушкою буде врівноважений пружиною 1, стрілка зупиниться, і можна робити відлік значення вимірюваної величини за шкалою 4 та за положенням стрілки 5.

Рис. 1.29 - Електромагнітний вимірювальний прилад:

1 - пружина; 2 - вісь; 3 - магнітне осердя: 4 — шкала; 5 — стрілка;

6 — котушка; 7 — камера демпфера;8 — крило демпфера.

Для зменшення коливань стрілки і заспокоєння рухомої частини в електромагнітних ВП використовуються повітряні або рідинні демпфери, що складаються з камери 7 та крила 8. Такі вимірювальні механізми слід розміщати в електромагнітних екранах, тому що власні електромагнітні поля невеликі, а зовнішні електромагнітні поля будуть істотно впливати на роботу ВП. Вплив зовнішніх електромагнітних полів можна зменшити так званим астазеруванням, яке полягає у використанні двох послідовно ввімкнених котушок, у кожній з яких є магнітне осердя. Під час протікання через рамку електричного струму створюються два магнітні потоки, сумарне значення яких не залежить від зовнішнього магнітного поля.

Для електромагнітного вимірювального приладу знак кута повороту стрілки не залежить від напрямку протікання струму в котушці, а це означає, що такі ВП можна використовувати для вимірювання в електричних колах як постійного, так і змінного струму, в амперметрах, вольтметрах, фазометрах і частотомірах.

Перевага таких ВП — проста і дешева конструкція, надійність, можливість витримувати великі вхідні сигнали. Недолік — чутливість до зовнішніх магнітних полів і як наслідок — мала точність.

Електромагнітні ВП використовуються переважно як щитові промислові прилади.

Для вимірювання частоти використовуються також резонансні електромагнітні ВП, в яких частота власних коливань осердя настроюється в резонанс із частотою струму в обмотці.

Електродинамічні вимірювальні прилади.В електродинамічних ВП обертальний момент виникає внаслідок взаємодії магнітних полів рухомої та нерухомої котушок з електричними струмами.

Конструкція електродинамічного ВП та напрямки дії обертального моменту, який створюється електромагнітною енергією двох котушок із струмом, показана на рис.1.30.

Рис. 1.30 – Електродинамічний ВП

В електродинамічних ВП відсутні металеві елементи, вони є найточнішими серед тих, що використовуються для вимірювання в електричних колах змінного струму.

Електродинамічні ВП бувають таких класів точності: 0,1, 0,2, 0,5 і використовуються переважно як переносні високої точності, а як щитові майже не використовуються.

Їх можна використовувати для вимірювання в колах постійного струму, а також змінного струму з частотами від 2000 до 20000 Гц.

Електродинамічні ВП використовуються переважно як амперметри, вольтметри, ватметри, а якщо їхні вимірювальні механізми виготовлені у вигляді логометрів,— то як фазометри, вимірювачі параметрів електричних кіл, частотоміри.

Недоліком таких ВП є те, що вони майже не переносять вібрацій, ударів, трясіння, тобто різних механічних дій.

Фотодинамічні ВП на відміну від електродинамічних можуть працювати в умовах трясіння, ударів та вібрацій. У цих ВП нерухомі котушки розміщені на осерді із феромагнітного матеріалу, що дає можливість збільшувати обертальний момент і значно зменшити вплив зовнішніх магнітних полів. Оскільки феромагнітне осердя має нелінійні характеристики, то й точність феродинамічних ВП не може бути високою у всьому діапазоні їхньої роботи.

Феродинамічний вимірювальний прилад (рис.1.31) складається з котушки 1, осердя 2, набраного з пластин електротехнічної сталі, та рухомої котушки 3.

Обертальний момент виникає внаслідок взаємодії магнітного поля рухомої котушки зі струмом і поля, яке створюється нерухомими котушками зі струмом. У таких ВП протидіючий момент створюється за допомогою пружного елемента, і тоді кут повороту стрілки буде мати значення

де к — коефіцієнт, що визначається конструкцією та системою одиниць.

Рис. 1.31 - Феродинамічний вимірювальний прилад:

1 — нерухома котушка; 2 — осердя, З - рухома котушка.

Феродинамічні ВП використовуються в основному в електричних колах змінного струму як стаціонарні прилади. При наявності в них високоякісних електротехнічних сталей такі ВП можна використовувати і в колах постійного струму.

Індукційні вимірювальні прилади .Індукційні вимірювальні прилади (рис.1.32) складаються з кількох нерухомих магнітів та рухомого алюмінієвого диска.

Рис. 1.32 - Індукційний вимірювальний прилад

Обертальний момент в індукційних ВП виникає через взаємодію магнітних потоків нерухомих магнітів з вихровими струмами, індукованими в алюмінієвих осердях.

Індукційні ВП використовуються переважно в електричних колах змінного струму як щитові, які можуть не тільки вимірювати фізичні величини, але й сигналізувати про зміни вимірюваної фізичної величини, що можна використати для керування різними процесами.

Електростатичні вимірювальні прилади.Обертальний момент в електростатичних ВП виникає внаслідок взаємодії двох систем провідників чи пластин, на яких накопичені електричні заряди, й одна із систем пластин є рухомою. Вимірювальний механізм електростатичних ВП, відхилення рухомої частини вимірювальних механізмів яких пов'язане зі зміною ємності системи вимірювального механізму, показано на рис. 1.33.

Рис.1.33 - Електростатичний вимірювальний прилад:

1— камера; 2 алюмінієві пластини 3 – вісь;4 - стрілка

Нерухома частина таких ВП складається з кількох камер 1, а рухома являє собою алюмінієві пластини 2, що вільно входять у зазори камер нерухомої частини. Якщо до рухомих і нерухомих пластин підвести електричну напругу, то пластини електрично зарядяться протилежними за знаком зарядами і рухомі пластини намагатимуться втягнутись у камери нерухомих пластин. На вісь 3 закріплюють стрілку 4 і пружний елемент для створення протидіючого моменту.

Електронні вимірювальні прилади.Електронні — це такі вимірювальні прилади, основними функціональними вузлами та блоками яких є різноманітні електронні вимірювальні блоки — електронні вимірювальні перетворювачі, підсилювачі, інтегратори, модулятори тощо.

Вихідними елементами електронних ВП найчастіше є магнітоелектричні вимірювальні механізми та електронно-променеві трубки. їх ще називають аналоговими електронними вимірювальними приладами.

Усі електронні ВП поділяються на чотири групи:

· електронні ВП, призначені для вимірювання параметрів та характеристик електричних сигналів (осцилографи, вольтметри, аналізатори спектра, частотоміри та ін.);

· електронні ВП, призначені для вимірювання характеристик 2- і 4-полюсників (вимірювальні прилади електричного опору, ємності, індуктивності, параметрів радіоелектронних елементів, мікросхем та мікропроцесорів);

· електронні джерела вимірювальних сигналів (генератори вимірювальних сигналів);

· різні електронні вимірювальні пристрої, призначені для розширення функціональних можливостей ВП (атенюатори, повертачі фази сигналів та ін.).

Основне призначення електронних ВП — вимірювання значень різних ФВ. У промисловості частки різних ФВ, що вимірюються, складають, %: температура — 50, витрати — 15, тиск — 10, переміщення — 7, маса — 5, фізичний та хімічний склад речовин та матеріалів — 4, магнітні величини — 5, інші ФВ — 4.

Якщо ж узяти в цілому науку, промисловість, сільське господарство та інші галузі народного господарства, то з усіх ФВ, що вимірюються, більшість складають електричні величини, а саме: електричний струм, напруга постійного та змінного струму, електричний опір, ємність та індуктивність, потужність, енергія, магнітні величини.

Крім цього, велику групу електронних ВП складають прилади для електричних вимірювань неелектричних величин — вимірювання сили струму, напруги постійного та змінного струму, потужності, енергії, електричного опору, параметрів кіл, кута зсуву фаз, частоти сигналів та інші.

Вимірювання сили електричного струму.Значення сили постійного та змінного електричного струму вимірюють у діапазоні від 10 ^-17 до тисяч ампер. При цьому використовують як прямі, так і непрямі вимірювання. Весь діапазон можливих значень напруги та струму умовно поділяється на три діапазони:

· малих струмів і напруг — від 10^-17А до 10^-3А та від одиниць нановольт до 10 мілівольт;

· середніх струмів і напруг — від 10^-3А до 100А та від 10 мВ до 600 В;

· великих струмів та високих напруг — від 100А і більше та від 600В і вище.

Для вимірювання сили малих струмів використовуються методи як прямих, так і непрямих вимірювань. Прямі методи використовують дзеркальні гальванометри (величини струму від 10^-11А) та магнітоелектричні ВП (величини струму від 10^-8А). Балістичний гальванометр дає можливість вимірювати електричний струм силою 10^-12А.

Прилади електромагнітної системи використовуються для вимірювання струмів від 10 мА до 200 А, напруг від 1,0 В до 100 В.

Вони поступаються перед приладами магнітоелектричної системи щодо точності, але їхня перевага в тому, що вони значно дешевші.

Прилади феромагнітної системи в цьому діапазоні майже не використовуються через низьку точність та підвищену потужність

Для вимірювань із вищою точністю користуються цифровими електронними вольтметрами та амперметрами, а також потенціометрами постійного струму. Цифрові амперметри мають клас точності 0,02, цифрові вольтметри — 0,002, а потенціометри постійного струму — 0,001.

Великі струми і напруги вимірюють за допомогою ВП магнітоелектричної системи з використанням шунтів, що дозволяє вимірювати струми силою до тисяч ампер. Використання окремих шунтів поодинці дає можливість вимірювати струми до 10000 А, а якщо потрібно вимірювати більші струми, то застосовують паралельне з'єднання шунтів (рис.1.34).

Рис.1.34 - Схема паралельного з’єднання шунтів

Високі напруги до 300 кВ вимірюються електростатичними вольтметрами, а ще вищі — електронними вольтметрами, які вмикають до джерел високої напруги через вимірювальні трансформатори напруги.

Для малих струмів можна використовувати цифровий пікоамперметр, який переважно вимірює падіння напруги на зразковому опорі за допомогою мілівольтметра.

Такий метод дозволяє вимірювати струми від 10 А з похибкою не більше 0,5 %.

Крім цього, малі напруги можна вимірювати магнітоелектричними гальванометрами, потенціометрами постійного струму, а також за допомогою цифрових мікровольтметрів. Для вимірювання напруг від 10 В і нижче користуються нановольтметрами, які мають у своєму складі фотогальванометричний підсилювач із вимірювальним механізмом магнітоелектричної системи. Клас точності таких приладів 1—1,5.

Середні струми й напруги вимірюють усі системи ВП. Для прямих вимірювань середніх струмів використовують прилади магнітоелектричної, електромагнітної, феродинамічної та інших систем, а також електронні та цифрові ВП. Крім цього, застосовують потенціометри постійного струму. Прилади магнітоелектричної системи вимірюють постійні струми від І мкА до 6,0 кА і напруги постійного струму від 1 мВ до 1,5 кВ. Вони мають рівномірну шкалу, високу точність вимірювання і малу потужність власного споживання.

Прилади електродинамічної системи використовують для вимірювання струмів від 10 мА до 100 А і напруг від 100 мВ до 600 В.

За точністю вимірювання вони наближаються до магнітоелектричних ВП, але мають нерівномірну шкалу і більшу потужність власного споживання.

Контрольні запитання

1. Прилади якої системи можна використовувати для вимірювань в електричних колах як постійного, так і змінного струму?

2. Вимірювальний механізм якої системи має найпростішу конструкцію?

3. Як впливають зовнішні магнітні поля на вимірювальний механізм електродинамічної системи?

4. Які переваги мають електромагнітні вимірювальні прилади?

5. Чи можна захистити електромагнітний вимірювальний механізм від зовнішніх магнітних полів? Якщо можна, то яким чином?

6. Який вимірювальний механізм доцільно використовувати для вимірювань у широкому діапазоні частот?

7. Які причини зниження точності та зменшення частотного діапазону в приладах феродинамічної системи?

8. Який із вимірювальних механізмів має найменшу потужність власного споживання енергії?

Нелінійні кола

Нелінійним називається електричне коло, електричний опір ділянок якого залежить від величини або від напрямків струмів та напруг. Нелінійні елементи цих кіл мають нелінійну вольт-амперну характеристику (рис.1.35).

Рис. 1.35 - До визначення опору нелінійних елементів

Нелінійні елементи поділяють на некеровані й керовані. До некерованих лінійних елементів належать: лампи розжарювання, термістори. До керованих: напівпровідникові тріоди, магнітні підсилювачі, та ін. Керовані нелінійні елементи мають керуючі електроди або обмотки, які вмикаються в коло керування.

Широке впровадження нелінійних елементів пояснюється тим, що їхнє використання пов’язане з одержанням таких явищ, які неможливі в лінійних електричних колах, наприклад, випрямлення змінного струму в постійний, або зворотне перетворення, стабілізація напруги, множення й поділ частоти, підсилення, перетворення та одержання сигналів різної форми й ін..

Контрольні запитання

1. Які електричні кола називають лінійними та нелінійними ?

2. З чого складається електричне коло з нелінійними елементами?

3. Як позначають конденсатори, котушки індуктивності?

4. Яке призначення нелінійних елементів?