Сущность и значение электрических измерений кратко
Обновлено: 02.07.2024
Для измерения электрических и магнитных величин служат электроизмерительные приборы : амперметры , вольтметры , гальванометры и др ., а также их комбинации .
Процесс измерения состоит в сравнении измеряемой физической величины с ее значением , принятым за единицу .
Измерение одной величины можно заменить измерением другой , с ней связанной . Как правило , всякое измерение в конечном счете сводят к измерению перемещения стрелки или светового пятна на шкале .
Измерительная аппаратура разделяется на измерительные приборы и эталоны . Измерительные приборы обладают высокой точностью и надежностью работы ,
возможностью автоматизации процесса измерений и передачи показаний на дальние расстояния , простотой ввода результатов измерений в электрические вычислительные устройства и т . д .
Поэтому они широко используются в системах ручного или автоматического контроля и поддержания на заданном уровне параметров промышленных установок и технологических процессов .
С помощью измерительных устройств контролируются качество и количество выпускаемой продукции , соответствие ее характеристик установленным нормам . Разработаны и применяются электрические измерители влажности , температуры , давления и т . д .
Первостепенную роль электрические измерения играют в научных исследованиях . Установки , используемые в ядерной физике , наземные и бортовые измерительные комплексы для запуска и контроля параметров космических кораблей , сложные эксперименты с живой материей в медицине и биологии неосуществимы без совершенной электроизмерительной техники .
Карточка № 11.1 (275).
Сущность и значение электрических измерений
Что такое электрические измерения ?
Сравнение измеряемой величины с ее
значением , принятым за единицу
Способ оценки физических величин
Измерения величин , характеризующих
электрические и магнитные явления
прибор используется для измерения
Высокая точность и надежность
Удобство сопряжения с ЭВМ
Все перечисленные достоинства
Где применяются электроизмерительные приборы ?
Для контроля параметров космических
в физике , химии , биологии и др .
Во всех перечисленных областях
Вспомните основные единицы в СИ
Метр , килограмм , секунда , ампер
Сантиметр , грамм , секунда , ампер
Метр , килограмм , секунда , вольт
§11.2. Основные единицы электрических и магнитных величин в международной системе единиц
В процессе измерений определяется отношение измеряемой физической величины к ее значению , принятому за единицу . Выбор этого единичного значения связан с учетом многих факторов .
Напомним , что единицы физических величин принято делить на основные и производные . Основные единицы вводятся независимо друг от друга , производные устанавливаются на основе экспериментально открытых законов или принятых определений , связывающих различные физические величины .
В принципе , выбор основных единиц произволен , и можно было бы каждую физическую величину характеризовать своей собственной ( основной ) единицей . Например , на парусном флоте скорость движения корабля измерялась узлами .
Увеличение числа основных единиц приводит к практическим неудобствам : затрудняется их запоминание , появляются многочисленные постоянные коэффициенты в формулах , усложняются вычисления , увеличивается работа по созданию и хранению эталонов .
Уменьшение числа основных единиц до одной или до нуля также практически неудобно ,
так как затрудняется процесс построения производных единиц и усложняется анализ размерностей для членов выражений , характеризующих физические явления .
Теоретически в качестве основных можно выбрать единицы любых физических величин , например единицу ускорения движущегося тела или единицу потенциала электрического поля . Однако выбор основных единиц существенно ограничен требованиями практики .
Основная единица должна обеспечивать удобство измерений и относительную простоту ее воспроизводства в разных странах . Изготовление и хранение эталонов единицы физической величины не должно приводить к чрезмерным материальным затратам . Желательно также , чтобы основные единицы были связаны с фундаментальными физическими величинами , например с такими , как протяженность , время , количество вещества .
В СИ в качестве основных единиц электрических и магнитных величин приняты следующие четыре единицы : единица длины — метр ( м ), единица времени — секунда ( с ), единица массы — килограмм ( кг ) и единица силы тока — ампер ( А ).
Метр , секунда и килограмм были введены во Франции по предложению специальной комиссии в 1799 г . Эти единицы были связаны с фундаментальными природными объектами и процессами . Метр определялся как сорокамиллионная доля земного меридиана , секунда — как 1/86400 средних солнечных суток и . килограмм — как масса кубического дециметра воды при 4° С . Были изготовлены прототипы метра и килограмма в виде линейки и гири из сплавов , наиболее устойчивых к внешним воздействиям металлов ..
Развитие техники позволило зафиксировать размер метра и секундный интервал времени с предельной для наших дней точностью с помощью атомных эталонов .
В настоящее время приняты следующие определения основных единиц электрических и магнитных величин , входящих в СИ :
метр ( м ) — длина , равная 16507763,73 длины волн в вакууме излучения атома криптона -86,
соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5 d 5 ;
килограмм ( кг ) — масса международного прототипа килограмма , который хранится в Национальном архиве Франции ;
секунда ( с ) — продолжительность 9192631770 периодов излучения , соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133;
ампер ( А ) — сила тока , при котором на каждый метр длины двух параллельных прямолинейных круглых проводников , расположенных в 1 м один от другого , приходится
механическая сила 2 × 10 -7 Н . При этом оговаривается , что проводники имеют бесконечную длину и ничтожно малую площадь сечения .
Карточка № 11.2 (198)
Основные единицы электрических и магнитных величин в международной системе единиц
Электрическим измерением называют нахождение значений физических величин в электронике и электротехнике опытным путем с помощью специальных технических средств (например, с помощью электроизмерительных приборов).
Устройства, воспроизводящие единицу измерения, с которой сравнивается измеряемая величина, называются мерами.
В зависимости от степени точности и области применения меры подразделяют на эталоны, образцовые и рабочие.
Эталоны обеспечивают воспроизведение и хранение единицы физической величины с наивысшей для данного уровня техники точностью.
Образцовые меры служат для поверки и градуировки рабочих мер и измерительных приборов.
Рабочие меры используют для поверки измерительных приборов и для непосредственных измерений в научных организациях и на промышленных предприятиях.
В зависимости от способа получения результатов измерения делят на два вида: прямые и косвенные.
Прямыми называют измерения, при которых искомое значение физической величины определяют непосредственно по показанию прибора. К ним относятся: измерение тока амперметром, электроэнергии — счетчиком, напряжения — вольтметром и др.
Косвенными называют измерения, при которых искомое значение физической величины находят на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, полученными в результате прямых измерений (определение электрического сопротивления R по показаниям амперметра и вольтметра, т. е. R = U/I).
В зависимости от приемов использования принципов измерений и измерительных приборов все методы измерения делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения.
Под методом непосредственной оценки понимают метод, при котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (значение тока — по амперметру, значение напряжения — по вольтметру и др.).
Метод непосредственной оценки прост, но отличается сравнительно невысокой точностью.
Методом сравнения называют метод, при котором измеряемая величина в измерительной цепи сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой.
Методы сравнения подразделяют на нулевой, дифференциальный и замещения.
Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, в котором результирующий эффект воздействия сравниваемых величин на прибор доводят до нуля (измерение электрического сопротивления с помощью уравновешенного моста).
Дифференциальный метод — это метод сравнения, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой (измерение электрического сопротивления с помощью неуравновешенного моста).
Метод замещения — это метод сравнения, в котором измеряемую величину в измерительной цепи замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.
Виды и методы электрических измерений
При изучении электротехники приходится иметь дело с электрическим, магнитными и механическими величинами и измерять эти величины.
Измерить электрическую, магнитную или какую-либо иную величину - это значит сравнить ее с другой однородной величиной, принятой за единицу.
В этой статье рассмотрена классификация измерений, наиболее важная для теории и практики электрических измерений. К такой классификации можно отнести классификацию измерений с методологической точки зрения, т. е. в зависимости от общих приемов получения результатов измерений (виды или классы измерений), классификацию измерений в зависимости от использования принципов и средств измерений (методы измерений) и классификацию измерений в зависимости от динамики измеряемых величин.
Виды электрических измерений
В зависимости от общих приемов получения результата измерения делятся на следующие виды: прямые, косвенные и совместные.
К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой Y = Х, где Y — искомое значение измеряемой величины; X — значение, непосредственно получаемое из опытных данных. К этому виду измерений относятся измерения различных физических величин при помощи приборов, градуированных в установленных единицах.
Например, измерения силы тока амперметром, температуры — термометром и т. д. К этому виду измерений относятся и измерения, при которых искомое значение величины определяется непосредственным сравнением ее с мерой. Применяемые средства и простота (или сложность) эксперимента при отнесении измерения к прямому не учитываются.
Косвенным называется такое измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях числовое значение измеряемой величины определяется путем вычисления по формуле Y = F (Xl, Х2 . Х n ), где Y — искомое значение измеряемой величины; Х 1 , Х2, Х n — значения измеренных величин. В качестве примера косвенных измерений можно указать на измерение мощности в цепях постоянного тока амперметром и вольтметром.
Совместными измерениями называются такие, при которых искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами . В качестве примера совместных измерений можно привести определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление резистора с его температурой: Rt = R20 [1+α (T1-20)+β(T1-20)]
Методы электрических измерений
В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения.
Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина.
Простейшим примером метода непосредственной оценки может служить измерение какой-либо величины одним прибором, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах.
Вторая большая группа методов электрических измерений объединена под общим названием методов сравнения . К ним относятся все те методы электрических измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Таким образом, отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.
Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.
Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким образом, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи или напряжения на нем, что может быть зафиксировано при помощи служащих для этой цели приборов — нуль-индикаторов. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также потому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, получается и большая точность измерений.
Примером применения нулевого метода может быть измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
При дифференциальном методе , так же как и при нулевом, измеряемая величина сравнивается непосредственно или косвенно с мерой, а о значении измеряемой величины в результате сравнения судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов и по известной величине, воспроизводимой мерой. Таким образом, в дифференциальном методе происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального метода от нулевого.
Дифференциальный метод сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и часть признаков нулевого метода. Он может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга.
Например, если разность этих двух величин равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01%, если не учитывать погрешности меры. Примером применения дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое является искомой величиной.
Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины прибором и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По результатам двух измерений может быть вычислена искомая величина. Вследствие того что оба измерения делаются одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Так как погрешность прибора обычно неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.
Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого электрического сопротивления на постоянном токе путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производиться от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изменяемым и образцовым сопротивлениями.
Метод совпадений — это такой метод, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко применяется в практике неэлектрических измерений.
Примером может служить измерение длины штангенциркулем с нониусом. В электрических измерениях в качестве примера можно привести измерение частоты вращения тела стробоскопом.
Укажем еще классификацию измерений по признаку изменения во времени измеряемой величины . В зависимости от того, изменяется ли измеряемая величина во времени или остается в процессе измерения неизменной, различаются статические и динамические измерения. Статическими называются измерения постоянных или установившихся значений. К ним относятся и измерения действующих и амплитудных значений величин, но в установившемся режиме.
Если измеряются мгновенные значения изменяющихся во времени величин, то измерения называются динамическими . Если при динамических измерениях средства измерений позволяют непрерывно следить за значениями измеряемой величины, такие измерения называются непрерывными.
Можно осуществить измерения какой-либо величины путем измерений ее значений в некоторые моменты времени t 1 , t2 и т. д. В результате окажутся известными не все значения измеряемой величины, а лишь значения в выбранные моменты времени. Такие измерения называются дискретными .
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Тема 1.5 Электрические измерения и измерительные приборы.
Лекция 10. Электрические измерения. Класс точности приборов. Погрешности при измерениях. Классификация эл. изм. приборов. Условные обозначения на шкале. Магнитоэлектрический и электромагнитный измерительные механизмы.
Измерение напряжения и тока. Шунт и добавочное сопротивление . Измерение мощности. Электродинамический и ферродинамический измерительные механизмы. Индукционные счетчики. Измерение сопротивления изоляции.
Электрические измерения. Класс точности приборов. Погрешности при измерениях.
Процесс измерения состоит в сравнении измеряемой величины с её значением, принятым за единицу.
В системе измерений (СИ) приняты четыре основные единицы измерения:
1) Единица длинны – МЕТР [ м ];
2) Единица времени – СЕКУНДА [ с ];
3) Единица массы – КИЛОГРАММ [ кг ];
4) Единица силы тока – АМПЕР - [ А ];
Существуют эталоны этих единиц измерений.
метр (м ) — длина, равная 16507763,73 длины волн в вакууме излучения атома криптона-86, соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5 d 5;
килограмм (кг) — масса международного прототипа килограмма, который хранится в Национальном архиве Франции;
секунда (с) — продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;
ампер (А) — сила тока, при котором на каждый метр длины двух параллельных прямолинейных круглых проводников, расположенных в 1 м один от другого, приходится
механическая сила 2×10-7 Н. При этом оговаривается, что проводники имеют бесконечную длину и ничтожно малую площадь сечения.
Используя основные единицы измерений можно определить проризводные единицы других электрических и магнитных величин. Например, электрический заряд [ Кулон ]= [ А ] [ с ].
Это видно из определения силы тока i = dq / dt , где dq -изменение заряда, dt -изменение времени.
Широко применяют кратные единицы:
10 -12 — пико (п), 10 -9 — нано (н), 10 -6 — микро (мк), 10 -3 — милли (м),
10 3 — кило (к), 10 6 — мега (М), 10 9 —гига (Г), 10 12 — тера (Т)
Существует два основных метода электрических измерений:
- метод непосредственной оценки ,
В методе непосредственной оценки измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора. Шкала измерительного прибора предварительно градуируется по эталонному прибору в единицах измеряемой величины. Такая градуировка производится на заводе при изготовлении прибора. Достоинства этого метода — удобство отсчета показаний прибора и малая затрата времени на операцию измерения.
В методе сравнения измеряемая величина сравнивается непосредственно с эталоном, образцовой или рабочей мерой. В этом случае точность измерений высокая. Метод сравнения используется главным образом в лабораторных условиях, он требует сравнительно сложной аппаратуры, высокой квалификации операторов и значительных затрат времени.
При всяком измерении непрерывной величины неизбежна погрешность.
АБСОЛЮТНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ Δ = А из — А
Δ — разница между измеренным А из и действительным А значениями измеряемой величины.
Она определяется систематическими и случайными погрешностями прибора, а также ошибками
оператора. Систематическая погрешность – это влияние внешних условий, несовершенство метода измерений и прибора.
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ
Используется для более полной характеристики измерений.
Величины Δ и δ характерезуют точность измерений.
ПРИВЕДЁННАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ γ = Δ / А мах 100% ,
где А мах - максимальное значение шкалы прибора, т. е. предельное значение измеряемой величины. γ называют КЛАСС ТОЧНОСТИ ПРИБОРА.
Классификация эл. изм. приборов. Условные обозначения на шкале.
Электроизмерительные приборы классифицируются по различным признакам.
- ПО КЛАССУ ТОЧНОСТИ: 0,05; 0,1; 0,2; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 .
- ПО ИЗМЕРЯЕМОМУ ТОКУ: , , ,
- ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ: -магнитоэлектрическия система прибора,
- электромагнитная система прибора,
- индукционная система прибора, и т.д.
- ПО ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЕ: амперметр, вольтметр, омметр, ваттметр, частотометр и т.д.
Магнитоэлектрический и электромагнитный измерительные механизмы.
Рис. Механизм прибора а) магнитоэлектрической системы, б) электромагнитной системы.
Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на использовании
взаимодействия поля постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток.
Между полюсами постоянного магнита NS с помощью полюсных наконечников 3 и цилиндрического сердечника 2 создается воздушный зазор такой формы, что силовые линии магнитного поля при любом положении рамки 1 перпендикулярны ее проводникам.
Момент вращения рамки Мвр= k 1 I 2 , где k – коэффициент, зависящий от конструкции.
Ток к рамке подводится через две спиральные пружины, которые одновременно служат для
создания противодействующего момента. Момент, создаваемый пружиной (Мпр), пропорционален углу закручивания. Мпр= k 2 α , где α- угол поворота рамки .
Когда рамка останавливается, то момент вращения рамки равен моменту противодействия пружины Мвр= Мпр и k 1 I = k 2 α. Поэтому, α= I k 1/ k 2 или α= U k 1/ k 2
Угол отклонения рамки пропорционален току или напряжению.
В основе работы приборов электромагнитной системы лежит принцип механического взаимодействия магнитного поля и ферромагнитного материала.
Сердечник 3 из магнитомягкого материала втягивается в катушку 1 при прохождении тока по ее обмотке. Противодействующий момент создается пружиной 2. Демпфирование осуществляется воздушным демпфером 4, представляющим собой гильзу, в которой может перемещаться легкий поршень, связанный со стрелкой.
Вращающий момент пропорционален квадрату тока, так как магнитные поля катушки и
сердечника создаются одним и тем же измеряемым током, проходящим по катушке:
Угол отклонения стрелки пропорционален квадрату тока или напряжения .
Шкала прибора квадратичная, сжатая вначале.
Измерение напряжения и тока. Измерение мощности. Шунт и добавочное сопротивление .
Рис. Схема включения а) амперметра и б) вольтметра в электрическую цепь.
Для измерения тока в какой-либо ветви электрической цепи амперметр включают последовательно с ее элементами. Чтобы включение амперметра не искажало режима
работы электрической цепи, его сопротивление должно быть малым.
Вольтметр включают параллельно той ветви электрической цепи, напряжение на которой
необходимо измерить. Чтобы включение вольтметра не приводило к изменению токов в цепи, его сопротивление должно быть значительно больше сопротивления ветви, параллельно которой подключен измерительный прибор.
Рис. а) и б) Схемы включения ваттметра в электрическую цепь, в) внешний вид прибора.
Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного токов используют ваттметры электродинамической системы.
Ваттметр содержит две обмотки: подвижную и неподвижную. Неподвижную (амперметровую) обмотку включают последовательно потребителю. Подвижную (вольтметровую) включают параллельно потребителю. На лицевую панель ваттметра выведены четыре зажима, два из которых обозначим символом I (токовые зажимы) а два других — символом U (зажимы напряжения). Два зажима помечены точками и называются генераторными
Ваттметр имеет четыре зажима: I , I *, U , U * . Неподвижная I - I *, подвижная U - U * .
Градуировку ваттметров производят по схеме рис. , а. Для получения такой схемы
генераторные зажимы (помечены точками) следует объединить и подключить к одному и тому же проводу. Вместе с тем генераторные зажимы являются началами обмоток. При правильном
включении ваттметра стрелка будет отклоняться вправо. Чтобы изменить направление отклонения стрелки, необходимо изменить направление тока в любой из обмоток ваттметра.
Шунт и добавочное сопротивление .
Обмотка амперметра рассчитана на малые токи. Для расширения пределов измерения амперметра применяют шунт.
Rш — сопротивление шунта; R A — сопротивление амперметра; I — измеряемый ток; Iш — ток, проходящий через шунт; I А — максимально допустимый ток амперметра;
n = I / I А - коэффициент расширения пределов измерения амперметром.
Формула позволяет по известному сопротивлению амперметра и заданному коэффициенту расширения пределов измерения подсчитать сопротивление шунта.
Для расширения пределов измерения вольтметра применяют добавочное сопротивление.
R доп — добавочный резистор, R y — сопротивление вольтметра; U — измеряемое напряжение;
U v — максимально допустимое напряжение вольтметра; I v — ток, проходящий через вольтметр;
m = U / U v — коэффициент расширения пределов измерения вольтметром.
Формула позволяет по заданному коэффициенту расширения пределов
измерения и известному сопротивлению вольтметра найти добавочное сопротивление.
Читайте также: