Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно самих приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.
Назначение
Электроизмерительные приборы служат для контроля режима работы электрических установок, их испытания и учета расходуемой электрической энергии. К измерительным приборам относятся разнообразные аппараты, позволяющие получить максимально точные показатели в обозначенных диапазонах.
Классификация
В зависимости от измеряемой или воспроизводимой физической величины электроизмерительные приборы подразделяют на:
- амперметры (измерители тока)
- вольтметры (измерители напряжения)
- ваттметры (измерители мощности)
- мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы
- частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока
- омметры (измерители сопротивления)
- счетчики электрической энергии и др.
Различают две категории электроизмерительных приборов:
- рабочие — служат для для практических измерений.
- образцовые — для градуировки и поверки рабочих приборов.
Принцип работы
Несмотря на модификацию, во все электроизмерительные приборы вмонтированы преобразующие устройства. Первое выполняет задачу по конвертации измеряемых величин в сигнал, а второе – представляет их в доступной для восприятия форме. Последние устройства, как правило, имеют шкалу и стрелку или же цифровое табло (дисплей).
Как выбрать
При выборе электроизмерительных приборов нужно обязательно помнить о том, что для официальных исследований, контроля качества, гарантийного обслуживания, проверки устройств безопасности могут быть использованы только модели, который включены в Государственный реестр средств измерений.
Также имеет смысл выбирать “интеллектуальные” электроизмерительные приборы, преимуществом которых является то, что с их помощью можно не только собирать, но и анализировать измерения. Такие устройства обладают наибольшей производительностью и функциональностью.
Сферы применения
Электроизмерительные приборы нашли свое применения в различных областях – помимо научных исследований, их применяют как в промышленности и энергетике, так и на транспорте, в связи, а также в медицине. Также электроизмерительные приборы используются и повсеместно в быту для учета электроэнергии.
На сегодняшний день большей популярностью пользуются цифровые устройства, так как помимо повышенной точности и чувствительности к измеряемой величине, они обладают компактностью и широким диапазоном измерений. Аналоговые приборы используются в основном в качестве учебных.
Нормативно-техническая документация
- ГОСТ 22261—94 «Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия»
- ГОСТ 14265—79 «Приборы электроизмерительные аналоговые контактные прямого действия. Общие технические условия»
- ГОСТ 19875—79 «Приборы электроизмерительные самопишущие быстродействующие. Общие технические условия»
Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.
Применение
Средства электрических измерений широко применяются в энергетике, связи, промышленности, на транспорте, в научных исследованиях, медицине, а также в быту — для учёта потребляемой электроэнергии. Используя специальные датчики для преобразования неэлектрических величин в электрические, электроизмерительные приборы можно использовать для измерения самых разных физических величин, что ещё больше расширяет диапазон их применения.
Обозначения
В зарубежных странах обозначения средств измерений устанавливаются предприятиями-изготовителями, в России (и частично в других странах СНГ) традиционно принята унифицированная система обозначений, основанная на принципах действия электроизмерительных приборов. В состав обозначения входит прописная русская буква, соответствующая принципу действия прибора, и число — условный номер модели. Например: С197 — киловольтметр электростатический. К обозначению могут добавляться буквы М (модернизированный), К (контактный) и другие, отмечающие конструктивные особенности или модификации приборов.
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, 1832 г.), мостовой (Кристи, 1833 г.), компенсационный (И. Поггендорф, 1841)
- 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 времяВ 1880—1881 гг. французские инженер Депре и физиолог д’Арсонваль построили ряд высокочувствительных гальванометров с зеркальным отсчетомВ 1881 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 сердечникамиВ 1894 г. немецкий инженер Т. Бругер изобрел логометр - 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 1881 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 1894 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
Литература и документация
- Средство измерений
- Измерительная техника
- Измерительный механизм
- Электроизмерения
- Радиоизмерительные приборы
- Кабельный тестер
где Т – период сигнала Y(t). Максимальное значение Yмакс – это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение YAA – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний Yэфф = 0,707Yмакс и YAA = 0,637Yмакс.
Измерение напряжения и силы переменного тока. Почти все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока показывают значение, которое предлагается рассматривать как эффективное значение входного сигнала. Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле измеряется среднее абсолютное или максимальное значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы показание соответствовало эквивалентному эффективному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Не следует упускать из виду, что точность таких приборов крайне низка, если сигнал несинусоидален. Приборы, способные измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из трех принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала или теплового преобразования. Приборы, основанные на первых двух принципах, как правило, реагируют на напряжение, а тепловые электроизмерительные приборы – на ток. При использовании добавочных и шунтовых резисторов всеми приборами можно измерять как ток, так и напряжение.
Электронное умножение. Возведение в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такого типа могут иметь погрешность порядка всего лишь 0,009%.
Дискретизация сигнала. Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких приборов составляет 0,01-0,1%.
Тепловые электроизмерительные приборы. Наивысшую точность измерения эффективных значений напряжения и тока обеспечивают тепловые электроизмерительные приборы. В них используется тепловой преобразователь тока в виде небольшого откачанного стеклянного баллончика с нагревательной проволочкой (длиной 0,5-1 см), к средней части которой крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары. Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно электроизоляцию. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением тока в нагревательной проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС (напряжение постоянного тока). Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц. На рис. 5 показана принципиальная схема теплового электроизмерительного прибора с двумя подобранными по параметрам тепловыми преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 возникает напряжение постоянного тока, усилитель А создает постоянный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС2, при котором термопара последнего дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный прибор постоянного тока измеряет выходной ток.
Рис. 5. ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР для измерения эффективных значений напряжения и силы переменного тока.
С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно превратить в вольтметр. Поскольку тепловые электроизмерительные приборы непосредственно измеряют токи лишь от 2 до 500 мА, для измерения токов большей силы необходимы резисторные шунты.
Измерение мощности и энергии переменного тока. Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально (как это обычно и бывает), то мощность Р можно представить в виде P = EI cosj, где Е и I – эффективные значения напряжения и тока, а j – фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cosj, называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока. С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина – энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается так:
Если время (t1 – t2) измеряется в секундах, напряжение е – в вольтах, а ток i – в амперах, то энергия W будет выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях (1 Дж = 1 ВтЧс). Если же время измеряется в часах, то энергия – в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах (1 кВт*ч = 1000 ВтЧч).
Счетчики электроэнергии с разделением времени. В счетчиках электроэнергии с разделением времени используется весьма своеобразный, но точный метод измерения электрической мощности. Такой прибор имеет два канала. Один канал представляет собой электронный ключ, который пропускает или не пропускает входной сигнал Y (или обращенный входной сигнал -Y) на фильтр нижних частот. Состоянием ключа управляет выходной сигнал второго канала с отношением временных интервалов “закрыто”/”открыто”, пропорциональным его входному сигналу. Средний сигнал на выходе фильтра равен среднему по времени произведению двух входных сигналов. Если один входной сигнал пропорционален напряжению на нагрузке, а другой – току нагрузки, то выходное напряжение пропорционально мощности, потребляемой нагрузкой. Погрешность таких счетчиков промышленного изготовления составляет 0,02% на частотах до 3 кГц (лабораторных – порядка всего лишь 0,0001% при 60 Гц). Как приборы высокой точности они применяются в качестве образцовых счетчиков для поверки рабочих средств измерения.
Дискретизирующие ваттметры и счетчики электроэнергии. Такие приборы основаны на принципе цифрового вольтметра, но имеют два входных канала, дискретизирующих параллельно сигналы тока и напряжения. Каждое дискретное значение e(k), представляющее мгновенные значения сигнала напряжения в момент дискретизации, умножается на соответствующее дискретное значение i(k) сигнала тока, полученное в тот же момент времени. Среднее по времени таких произведений есть мощность в ваттах:
Сумматор, накапливающий произведения дискретных значений с течением времени, дает полную электроэнергию в ватт-часах. Погрешность счетчиков электроэнергии может составлять всего лишь 0,01%.
Индукционные счетчики электроэнергии. Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности. Число оборотов диска за то или иное время пропорционально полной электроэнергии, полученной за это время потребителем. Число оборотов диска считает механический счетчик, который показывает электроэнергию в киловатт-часах. Приборы такого типа широко применяются в качестве бытовых счетчиков электроэнергии. Их погрешность, как правило, составляет 0,5%; они отличаются большим сроком службы при любых допустимых уровнях тока.
ЛИТЕРАТУРА
Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измерения электрических величин. М., 1982 Малиновский В.Н. и др. Электрические измерения. М., 1985 Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л., 1987
Измеритель солнечного излучения (люксметр)
В помощь техническим и научным сотрудникам разработано немало измерительных приборов, призванных обеспечить точность, удобство и эффективность работы. Вместе с тем, для большинства людей названия этих приборов, а тем более принцип их работы, зачастую незнакомы. В этой статье мы в краткой форме раскроем предназначение самых распространенных измерительных приборов. Информацией и изображениями приборов с нами поделился сайт одного из поставщиков измерительных приборов.
Анализатор спектра — это измерительный прибор, который служит для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот.
Анемометр – прибор, предназначенный для измерения скорости, объема воздушного потока в помещении. Анемометр применяют для санитарно-гигиенического анализа территорий.
Балометр – измерительный прибор для прямого измерения объёмного расхода воздуха на крупных приточных и вытяжных вентиляционных решетках.
Вольтметр — это прибор, которым измеряют напряжение.
Газоанализатор — измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Газоанализаторы бывают ручного действия или автоматические. Примеры газоанализаторов: течеискатель фреонов, течеискатель углеводородного топлива, анализатор сажевого числа, анализатор дымовых газов, кислородомер, водородомер.
Гигрометр – это измерительный прибор, который служит для измерения и контроля влажности воздуха.
Дальномер – прибор, измеряющий расстояние. Дальномер позволяет также вычислять площадь и объем объекта.
Дозиметр – прибор, предназначенный для обнаружения и измерения радиоактивных излучений.
Измеритель RLC – радиоизмерительный прибор, используемый для определения полной проводимости электрической цепи и параметров полного сопротивления. RLC в названии является абревиатурой схемных названий элементов, параметры которых могут измеряться этим прибором: R — Сопротивление, С — Ёмкость, L — Индуктивность.
Измеритель мощности – прибор, который используется для измерения мощности электромагнитных колебаний генераторов, усилителей, радиопередатчиков и других устройств, работающих в высокочастотном, СВЧ и оптическом диапазонах. Виды измерителей: измерители поглощаемой мощности и измерители проходящей мощности.
Измеритель нелинейных искажений – прибор, предназначенный для измерения коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник) сигналов в радиотехнических устройствах.
Калибратор – специальная эталонная мера, которую используют для поверки, калибровки или градуировки измерительных приборов.
Омметр, или измеритель сопротивления – это прибор, используемый для измерения сопротивления электрическому току в омах. Разновидности омметров в зависимости от чувствительности: мегаомметры, гигаомметры, тераомметры, миллиомметры, микроомметры.
Токовые клещи – инструмент, который предназначен для измерения величины протекающего тока в проводнике. Токовые клещи позволяют проводить измерения без разрыва электрической цепи и без нарушения ее работы.
Толщиномер — это прибор, при помощи которого можно с высокой точностью и без нарушения целостности покрытия, измерить его толщину на металлической поверхности (например, слоя краски или лака, слоя ржавчины, грунтовки, или любого другого неметаллического покрытия, нанесенного на металлическую поверхность).
Люксметр – это прибор для измерения степени освещенности в видимой области спектра. Измерители освещения представляют собой цифровые, высокочувствительные приборы, такие как люксметр, яркомер, пульсметр, УФ-радиометр.
Манометр – прибор, измеряющий давление жидкостей и газов. Виды манометров: общетехнические, коррозионностойкие, напоромеры, электроконтактные.
Мультиметр – это портативный вольтметр, который выполняет одновременно несколько функций. Мультиметр предназначен для измерения постоянного и переменного напряжения, силы тока, сопротивления, частоты, температуры, а также позволяет осуществлять прозвонку цепи и тестирование диодов.
Осциллограф – это измерительный прибор, позволяющий осуществлять наблюдение и запись, измерения амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала. Виды осциллографов: аналоговые и цифровые, портативные и настольные
Пирометр — это прибор для бесконтактного измерения температуры объекта. Принцип действия пирометра основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения в диапазоне инфракрасного излучения и видимого света. От оптического разрешения зависит точность измерения температуры на расстоянии.
Тахометр – это прибор, позволяющий измерять скорость вращения и количество оборотов вращающихся механизмов. Виды тахометров: контактные и бесконтактные.
Тепловизор – это устройство, предназначенное для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Тепловизор позволяет преобразовывать инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые затем в свою очередь после усиления и автоматической обработки преобразуются в видимое изображение объектов.
Термогигрометр – это измерительный прибор, выполняющий одновременно функции измерения температуры и влажности.
Трассодефектоискатель – это универсальный измерительный прибор, который позволяет на местности определять местоположение и направление кабельных линий и металлических трубопроводов, а также определять место и характер их повреждения.
pH-метр – это измерительный прибор, предназначенный для измерения водородного показателя (показателя pH).
Частотомер – измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.
Шумомер – прибор для измерения звуковых колебаний.
Таблица: Единицы измерения и обозначения некоторых физических величин.
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter
