Введение

Введение

Измерение – процесс количественной оценки материальных объектов, их свойств, или параметров процесса, или физического явления.

Проблема измерения возникла в давние времена с появлением товарообмена.  Одновременно с ним появились первые эталоны мер длины. Такими эталонами могли служить части тела (локоть, стопа, И т. д.). Позднее на смену примитивным эталонам пришли другие эталоны (аршин, фут, метр).

Развитие международной торговли потребовало создания международных мер длины и эталонов других физических величин.

Под эталоном подразумевается объект или физический процесс, пригодный для воспроизведения меры, признанной единицей измерения.

В виде материальных объектов могут быть изготовлены эталон длины – метр, эталон массы – килограмм. Другие физические величины, как правило, воспроизводятся с помощью физических опытов и расчетов.

Воспроизводство эталонов требует значительных экономических затрат, поэтому в практике технических измерений используются вторичные эталоны. Эти вторичные эталоны воспроизводят первичный эталон с некоторой погрешностью. По величине погрешности вторичные эталоны разбиваются на классы.

Класс точности измерительного эталона (прибора) равен доле полной величины эталонной меры (полной шкалы измерительного прибора) выраженной в процентах. Класс точности характеризует относительную ошибку измерения.

В данном курсе мы познакомимся с приборами для  измерения электрических величин, таких как: - электрический ток, электрическое напряжение, электрическое сопротивление. При выполнении электрических измерений, в большинстве случаев достаточно использовать приборы с классом точности 1. Первый класс измерительного прибора обеспечивает измерение электрической величины с ошибкой 1% от предельного показания прибора (шкалы).

Рекомендуемые материалы

При выборе измерительного прибора для выполнения работы по наладке электронной аппаратуры следует руководствоваться следующими правилами:

- погрешность измерительного прибора не должна превышать допустимой погрешности, указанной в технической документации на настраиваемый прибор.

-значение измеряемой величины должно приходиться на середину шкалы измерительного прибора.

В производственных условиях  использование приборов завышенного класса точности экономически не оправдано, правильный выбор измерительных приборов может дать ощутимый экономический эффект. Достоверные результаты измерений получаются только при использовании проверенных приборов, соответствующих указанному на них классу. Все приборы должны быть аттестованы и, подвергаться периодической поверке.

Аттестация прибора: - сравнение прибора с эталонными измерительными приборами проводится Государственными метрологическими службами и заключается в проверке работоспособности и точности измерений. Устанавливается основная погрешность измерений в « Нормальных условиях», а также дополнительные погрешности, возникающие при работе в условиях указанных в «Технических условиях» на данный измерительный прибор. Порядок и сроки аттестации нормируются  системой Государственных стандартов. Методики аттестации также определяются Стандартами.

Поверка приборов: - это проверка работоспособности и точности измерительного

-4-

прибора силами метрологической службы предприятия, использующего приборы. Проводится в сроки определяемые предприятием, по стандартизованным методикам, согласованным с Государственными метрологическими службами. Во время поверки результаты измерений поверяемого прибора сравниваются с показаниями измерительного прибора, имеющего класс точности на порядок выше.

Измерение силы постоянного тока

Для измерения силы постоянного тока применяются стрелочные и электронные цифровые приборы. Они относятся к классу амперметров (независимо от пределов измерения). С учетом диапазона измеряемой силы тока к названию амперметр добавляется приставка:

 – микро- измеряется сила тока кратная 10^-6А,

 - милли – измеряется сила тока кратная 10^-3А,

 - кило - измеряется сила тока кратная 10³А.

Устройство стрелочного амперметра постоянного тока.

Работа амперметра основана на взаимодействии постоянного тока с постоянным однородным электрическим полем. Магнитное поле создается магнитной системой в кольцевом зазоре. Схема магнитной цепи приведена на рисунке 1.

Рис.1. Схема магнитной цепи амперметра постоянного тока.  (1 – магнитомягкая вставка, 2 – постоянный магнит).

Постоянный магнит создает магнитный поток, замыкающийся через магнитомягкую вставку. Вставка обеспечивает минимальные потери магнитного потока и формирует однородное поле в зазоре. Направление магнитных силовых линий в зазоре показано на рис.2.

Рис.2. Магнитная система амперметра (вид сверху).

-5-

Силовые линии магнитного поля в кольцевом зазоре всегда направлены по нормали к поверхностям магнитных полюсов и магнитомягкой вставки. В кольцевом зазоре магнитной системы  размещается рамка с намотанной на ней катушкой проводника, содержащая n витков. Система крепления рамки показана на Рис.3. Рамка с катушкой 1 закреплена в зазоре магнитной системы амперметра с помощью пружинных элементов 2, механически связанных, но электрически изолированных от корпуса прибора. На рамке жестко закреплена стрелка 3  прибора. Катушка гибкими проводниками связана с зажимами «+» «-», служащими для включения прибора в электрическую цепь. Такое устройство обеспечивает протекание электрического тока только по измерительной катушке. Проводники, соединяющие рамку 1 с зажимами «+»,«-» не препятствуют вращению рамки.

При включении амперметра в электрическую цепь по катушке протекает электрический ток, а так как катушка находится в магнитном поле, то на проводник с током действует сила Лоренца. Сила действует только на проводники находящиеся  в зазоре магнитной системы. Величину этой силы можно вычислить используя формулу

Где I –сила тока в проводнике А., В – индукция магнитного поля в зазоре, l –длина активной части проводника, n – число витков в катушке. Размеры катушки показаны на Рис.4

Рис. 4. Эскиз рамки.

Сила Лоренца действует на каждую из активных частей проводника, находящихся в

магнитном зазоре. Направления силы по разную сторону от оси вращения

6

противоположно. Под действием этих сил катушка стремится повернуться в сторону, определяемую правилом левой руки. Силы создают вращающий момент, равный

- где D=2R..

Повороту катушки препятствуют пружины, поддерживающие катушку. Момент М_п, создаваемый пружиной при изменении ее углового положения определяется выражением

- где  - угол поворота рамки.

Взаимодействие моментов, созданных протекающим током и возникающим при повороте рамки упругой силой пружин, поворачивает рамку на угол, при котором моменты уравниваются. При этом можно записать равенство моментов

Выразим отсюда силу тока

Обозначим выражение, стоящее в правой части перед сомножителем -, как – С, получим выражение для силы тока в виде

I=C

Постоянная – С -  содержит только конструктивные параметры амперметра, и не зависит от силы тока, отсюда видно, что шкала измерительного прибора является линейной. Зависимость между током и углом поворота рамки линейная.

Константа - С  - называется «постоянной прибора».

Постоянная прибора численно равна току, при котором отклонение прибора равно единице угла отклонения от положения равновесия при токе равном нулю. Измерив угол поворота рамки при известном тока можно проградуировать всю шкалу прибора.

Чувствительность прибора определяется значением С . Чем меньше величина С, те м меньшие значения тока можно измерять. Выражение константы – С –

позволяет провести простейший анализ чувствительности прибора от элементов конструкции. Чувствительность возрастает:

- при увеличении магнитной индукции в зазоре,

- с ростом геометрических размеров рамки,

- при увеличении числа витков измерительной катушки,

- при использовании пружин малой жесткости.

 Перечисленные методы повышения чувствительности приводят к увеличению габаритов прибора, кроме того, накладываются и другие ограничении технологического плана. Для переносных измерительных приборов важно иметь малые габариты вес амперметров.

Организация измерительного процесса.

Для измерения силы тока в любой электрической цепи необходимо разорвать эту цепь и включить амперметр в этот разрыв. Все перечисленные действия выполняются при

-7-

отключенных источниках напряжения или тока. После включения источников напряжения производится измерение силы тока. Включение амперметра в электрическую цепь вносит дополнительное электрическое сопротивление. Полученный результат будет отличаться от реального значения тока. Ошибка измерения зависит от величины электрического сопротивления, а не только от класса точности измерительного прибора. Рассмотрим на римере цепи, показанной на Рис.5.

На рис.5. амперметр представлен идеальным измерительным прибором А, и сопротивлением r. Сопротивление r равно по величине омическому сопротивлению катушки амперметра и соединительных элементов. Сопротивление R – сопротивление нагрузки. Е – источник напряжения.

Предположим, что сопротивление нагрузки  R – равно -  0,1 Ом, сопротивление амперметра r – равно 0,01 Ом. В этом случае сопротивление нагрузки много больше, чем сопротивление измерительного прибора, и можно ожидать, что результат измерения буде достаточно точным. Рассчитаем относительную ошибку измерения. До включения измерительного прибора сопротивление цепи R равно 0,1 Ом, после включения амперметра в цепь сопротивление цепи равно R + r =0,11 Ом. Относительное изменение сопротивления цепи составит  .

Рис.5. Схема электрическая принципиальная измерения силы тока в электрической цепи (пунктиром показана эквивалентная схема амперметра, сплошной линией сема  электрической цепи в которой измеряется ток).

Рассмотренный пример показывает, что точность измерения зависит от правильного выбора измерительного прибора для каждого случая измерений. Основное требование при измерении силы тока – включение амперметра в цепь не должно существенно влиять на электрические режимы в исследуемой цепи

Мы ознакомились с основными понятиями науки метрологии такими как:

- измерение,

- эталон,

- единица измерения.

- шкала прибора,

- класс точности измерительного прибора,

- правила выбора диапазона измерительного прибора для конкретного измерения.

- поверка и аттестация приборов.

Ознакомились с принципом действия амперметра постоянного тока,

- оценкой постоянной прибора,

- оценкой чувствительности прибора,

- электрической схемой включения прибора в цепь для измерения силы тока в этой цепи.

Основная литература

1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы технических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008. Электронная версия.

Лекция "Шкала созависимости" также может быть Вам полезна.

-8-

Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. Учебник для студентов вузов./ М.: Высш.  шк.,  2002.

2. Миронов Э.Г. Основы метрологии. Учеб.пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2000.

3. Лившиц Н.С., Телешевский Б.Е. Радиотехнические измерения. М., Высш. Шк., 1992.

4. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов./ Под ред. Е.М.Душина. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

5. Миронов Э.Г. Погрешности измерений: Учеб.пособие. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 1994.