Устройство электродинамического механизма и векторная диаграмма, поясняющая его работу, приведены на рисунке:
Электродинамический измерительный механизм работает по принципу взаимодействия магнитных потоков двух катушек. Электродинамический механизм состоит из двух катушек. Одна из них подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, протекающие по этим катушкам и магнитные потоки ими образуемые при своем взаимодействии создают вращающий момент.
Приборы электродинамической системы имеют малую чувствительность и большое самопотребление. Применяются в основном при токах 0.1…10А и напряжениях до 300 В.
Ферродинамические приборы
Ферродинамическими называются приборы, у которых неподвижная катушка электродинамического механизма намотана на магнитопроводе. Это защищает от внешних электромагнитных полей и создает больший вращающий момент, т. е. повышается чувствительность.
Электромагнитные измерительные приборы
Устройство измерительного механизма электромагнитного типа показано на рисунке:
В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферромагнитный (чаще пермоллоевый) лепесток. Достоинства электромагнитных механизмов: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного тока; большая перегрузочная способность; возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений; простота конструкции. Недостатки электромагнитных механизмов: неравномерная шкала; невысокая чувствительность; большое самопотребление мощности; подверженность влиянию изменения частоты; подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры.
Электростатические измерительные приборы
Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке а приведена схема с изменяющейся площадью электродов, а на рисунке б- с изменяющимся расстоянием между электродами.
Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами. Достоинства электростатических приборов: высокое входное сопротивление, малую входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон, могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока, показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала. Недостатки электростатических приборов: приборы имеют малую чувствительность и невысокую точность.
Индукционные измерительные приборы
На основе индукционного измерительного механизма выполняются, как правило, счетчики электрической энергии. Устройство и векторная диаграмма прибора индукционной системы показаны на рисунке:
Механизм состоит из двух индукторов выполненных в виде стержневого и П-образного индукторов, между которыми находится подвижный неферромагнитный (алюминиевый) диск. На индукторах намотаны обмотки, по которым протекают соответственно токи I1 и I2, возбуждающие магнитные потоки Ф1 и Ф2. С осью диска связан счетный механизм, который считает число оборотов диска. Для предотвращения холостого вращения диска (для предотвращения самохода) в непосредственной близости от него укреплен постоянный магнит (тормозной магнит).
Если катушку 1 включить параллельно источнику энергии, а катушку 2 последовательно потребителю, тогда получим однофазный счетчик электрической энергии. Совокупность двух или трех однофазных измерительных механизмов образуют трехфазный счетчик. Достоинства приборов индукционной системы: большой вращающий момент, малое влиянию внешних магнитных полей, большую перегрузочную способность. Недостатки приборов индукционной системы: невысокая точность, большое самопотребление, зависимость показаний от частоты и температуры.
В последние годы электромеханические измерительные приборы почти повсеместно вытесняются цифровыми.
Измерение параметров электрических сигналов
Измерение напряжения
При данном виде измерений применяют схему с дополнительным резистором..
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). 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.
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.
Измерение параметров электрических цепей
Измерительные мосты
Одинарные мосты постоянного тока предназначены для измерения сопротивлений величиной от 10 Ом и более. Схема одинарного моста приведена на рисунке:
Диагональ, обозначенная на рисунке bd- называется диагональю питания. В нее включен источник питания (батарея) G. Диагональ ас называется измерительной диагональю. В нее включен указатель равновесия (гальванометр) Р. Условия равновесия моста:. В качестве практического примера приведены параметры моста Р-369. Диапазон измеряемых сопротивлений: 10-4…1.11111*1010 Ом. Класс точности в диапазоне до 10-3 Ом- 1 и при измерении сопротивлений от1 до 103Ом класс точности - 0.005.
Для точных измерений сопротивлений малой величины применяют двойные мосты постоянного тока. Схема двойного моста представлена на рисунке:
В процессе измерения измеряемое сопротивление Rx сравнивается с образцовым сопротивлением R0. Сопротивление неизвестного резистора в случае равновесия моста можно выразить следующим образом:
;
Двойные мосты позволяют измерять сопротивления в диапазоне 10-8…1.11111*1010 Ом.
Мосты переменного тока применяются для измерения, как активных, так и реактивных сопротивлений (емкостных и индуктивных). В качестве элементов моста в этом случае могут использоваться реактивные элементы – емкости и индуктивности. Уравнения равновесия записываются по аналогии с мостами постоянного тока.
В последние годы для измерений параметров электрических цепей часто применяют автоматические мосты и компенсаторы, в которых процесс уравновешивания моста происходит автоматически (при помощи реверсивного двигателя или электронной схемы). Особенно актуально применение автоматических мостов в высокоточных цифровых измерительных устройствах
Измерение сопротивлений
Сопротивление постоянному току измеряестся как приборами непосредственной оценки – омметрами, так и мостами. Омметры чаще всего выполняют на основе магнитоэлектрического механизма. Диапазон измерений омметров: от десятитысячных долей ома до сотен мегом. Погрешность измерения омметров обычно от 1 до нескольких процентов, но резко возрастает на краях шкалы. Широкое распространение в последнее время получили цифровые многопредельные омметры, чаще всего входящие в состав универсальных цифровых измерительных приборов. Наиболее точно сопротивление можно измерить при помощи мостов постоянного тока.
Измерение емкости и индуктивности
Производится в основном при помощи мостов переменного тока с частотами питания 100-1000 Гц. Чаще всего мосты для измерения сопротивления, емкости и индуктивности совмещаются в одном приборе – универсальном измерительном мосте. Такие приборы могут измерять индуктивность от долей микрогенри до тысяч генри, емкость – от сотых долей пикофарад до тысяч микрофарад. Погрешность универсальных мостов обычно не превышает сотых долей процента.
Основы стандартизации