Definice: Měření je proces stanovení fyzikální veličiny pomocí technických prostředků.
Míra je prostředek k měření fyzikální veličiny dané velikosti.
Měřicí zařízení je měřící zařízení, které vytváří signál vnímatelný pozorovatelem.
Opatření a nástroje se dělí na vzorové a pracovní.
Modelové míry a přístroje se používají k ověření pracovních měřících přístrojů vůči nim.
Pro praktická měření se používají pracovní míry a přístroje.
Obsah
- H.2. KLASIFIKACE ELEKTRICKÝCH ZAŘÍZENÍ
- 3.3. MAGNETOELEKTRICKÝ SYSTÉM
- 3.4. ELEKTROMAGNETICKÝ SYSTÉM
- 3.5. ELEKTRODYNAMICKÝ SYSTÉM
- 3.6. INDUKČNÍ SYSTÉM
- 3.7. MĚŘENÍ PROUDU A NAPĚTÍ
- 3.8. MĚŘENÍ VÝKONU
- 3.9. MĚŘENÍ ODPORU
- Klasifikace elektrických měřicích přístrojů, symboly na stupnici přístrojů
H.2. KLASIFIKACE ELEKTRICKÝCH ZAŘÍZENÍ
Elektrické měřicí přístroje lze klasifikovat podle následujících kritérií:
metoda měření;
typ měřené veličiny;
druh proudu;
stupeň přesnosti;
princip fungování .
Existují dvě metody měření: 1) metoda přímého hodnocení, která spočívá v tom, že během procesu měření je okamžitě posouzena naměřená hodnota;
2) srovnávací metoda neboli nulová metoda, která slouží jako základ pro činnost srovnávacích zařízení: můstky, kompenzátory.
Elektrické měřicí přístroje se rozlišují podle druhu měřené veličiny: pro měření napětí (voltmetry, milivoltmetry, galvanometry); pro měření proudu (ampérmetry, miliampérmetry, galvanometry); pro měření výkonu (wattmetry); pro měření energie (elektroměry); pro měření úhlu fázového posunu (fázové měřiče); pro měření aktuální frekvence (měřiče frekvence); pro měření odporu (ohmmetry) atd.
Podle druhu měřeného proudu se rozlišují přístroje stejnosměrného, střídavého jednofázového a střídavého třífázového proudu.
Podle stupně přesnosti se zařízení dělí do následujících tříd přesnosti: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; a 4,0. Třída přesnosti by neměla překročit danou relativní chybu zařízení, která je určena vzorcem:
kde A jsou hodnoty ověřovaného zařízení; A – odečty referenčního zařízení; Amax – maximální hodnota měřené veličiny (mez měření).
V závislosti na principu činnosti se rozlišují systémy elektrických měřicích přístrojů. Zařízení stejného systému mají stejný princip činnosti. Existují tyto hlavní přístrojové systémy: magnetoelektrický, elektromagnetický, elektrodynamický, indukční.
3.3. MAGNETOELEKTRICKÝ SYSTÉM
Zařízení tohoto systému (obr. 3.3.1) obsahují permanentní magnet – 1, ke kterému jsou připevněny póly – 2. V mezipolárním prostoru je ocelový válec – 3 s nalepeným rámem – 4. Je přiváděn proud k rámu přes dvě spirálové pružiny -5. Princip činnosti zařízení je založen na interakci proudu v rámu s magnetickým polem pólů.
Tato interakce způsobuje krouticí moment, pod jehož vlivem se bude rám a s ním i válec otáčet pod úhlem.
Vinutá pružina zase vytváří protitahový moment.
Protože točivý moment je úměrný proudu, a protipůsobící točivý moment je úměrný úhlu natočení pružin, můžeme napsat:
kde k a D jsou koeficienty úměrnosti. Z napsaného vyplývá, že úhel natočení rámu
a proud v cívce
kde je citlivost zařízení na proud, určená počtem dílků stupnice odpovídající jednotce proudu; CI – proudová konstanta, známá pro každé zařízení.
V důsledku toho může být měřený proud určen součinem úhlu natočení (měřeno na stupnici) a proudové konstanty CI.
Mezi výhody tohoto systému patří vysoká přesnost a citlivost, nízká spotřeba energie.
Mezi nevýhody patří složitost konstrukce, citlivost na přetížení a možnost měřit pouze stejnosměrný proud (bez dalších prostředků).
3.4. ELEKTROMAGNETICKÝ SYSTÉM
Zařízení tohoto systému (obr. 3.4.1) mají pevnou cívku – 1 a pohyblivou část v podobě ocelového jádra – 2, spojenou s jehlou indikátoru – 3 a protilehlou pružinou – 4.
Měřený proud procházející cívkou zmagnetizuje jádro a vtáhne ho do cívky.
Když se točivý moment a brzdný moment vyrovnají, systém se zklidní. Měřený proud je určen úhlem natočení pohyblivé části.
Průměrná hodnota točivého momentu je úměrná druhé mocnině měřeného proudu:
Protože brzdný moment vytvářený spirálovými pružinami je úměrný úhlu natočení pohyblivé části, zapíšeme rovnici stupnice zařízení ve tvaru:
Jinými slovy, úhel vychýlení pohyblivé části zařízení je úměrný druhé mocnině efektivní hodnoty střídavého proudu.
Mezi hlavní výhody elektromagnetické síly patří: jednoduchost konstrukce, provozní spolehlivost a odolnost proti přetížení.
Mezi nevýhody patří: nízká citlivost, vysoká spotřeba energie, nízká přesnost měření, nerovnoměrné měřítko.
3.5. ELEKTRODYNAMICKÝ SYSTÉM
Tento systém se skládá ze dvou cívek (obr. 3.5.1), z nichž jedna je pevná a druhá pohyblivá. Obě cívky jsou připojeny k síti a interakce jejich magnetických polí způsobuje rotaci pohybující se cívky vzhledem ke stacionární.
Z rovnice je zřejmé, že měřítko elektrodynamického systému je kvadratické. Pro odstranění tohoto nedostatku jsou geometrické rozměry cívek zvoleny takovým způsobem, aby se dosáhlo měřítka blízkého jednotnému.
Tyto systémy se nejčastěji používají k měření výkonu, tzn. jako wattmetry, pak:
V tomto případě je stupnice wattmetru jednotná.
Hlavní předností přístroje je jeho vysoká přesnost měření.
Mezi nevýhody patří malá přetížitelnost, malá citlivost na malé signály a znatelný vliv vnějších magnetických polí.
3.6. INDUKČNÍ SYSTÉM
Zařízení indukčního systému jsou široce používána pro měření elektrické energie. Schematické schéma zařízení je na Obr. 3.6.1. Elektroměr obsahuje magnetický obvod – 1 složité konfigurace, na kterém jsou umístěny dvě cívky; napětí – 2 a proud – 3. Mezi póly elektromagnetu je umístěn hliníkový kotouč – 4 s osou otáčení – 5. Princip činnosti indukčního systému je založen na interakci magnetických toků vytvářených proudem a napěťové cívky s vířivými proudy indukovanými magnetickým polem v hliníkovém disku.
Točivý moment působící na disk je určen výrazem:
kde ФU – část magnetického toku vytvořeného napěťovým vinutím a procházející kotoučem elektroměru; FI – magnetický tok vytvářený proudovým vinutím; – úhel posunu mezi ФU a FI. Magnetický tok FU úměrné napětí Magnetický tok ФI úměrné proudu:
Aby elektroměr reagoval na činnou energii, musí být splněna následující podmínka:
těch. točivý moment je úměrný činnému výkonu zátěže.
Protipůsobící moment je vytvářen brzdovým magnetem – 6 a je úměrný rychlosti otáčení kotouče:
V ustáleném stavu se disk otáčí konstantní rychlostí. Srovnání posledních dvou rovnic a řešení výsledné rovnice pro úhel natočení disku
Úhel natočení kotouče počítadla je tedy úměrný činné energii. V důsledku toho je počet otáček disku n také úměrný činné energii.
3.7. MĚŘENÍ PROUDU A NAPĚTÍ
Proud se měří pomocí zařízení zvaného ampérmetr.
Existují čtyři schémata připojení ampérmetru k obvodu. První dva (obr. 3.7.1) jsou určeny pro měření stejnosměrného proudu a druhé dva obvody jsou určeny pro měření střídavého proudu.
Druhé a čtvrté schéma se používá v případech, kdy jmenovitý údaj ampérmetru je menší než naměřená hodnota proudu. V tomto případě je třeba při určování skutečné hodnoty proudu vzít v úvahu převodní koeficient:
kde jáist – skutečná aktuální hodnota,
Iism – naměřená hodnota proudu,
kпр – převodní faktor.
Napětí se měří voltmetrem. Zde jsou také možná čtyři různá schémata připojení zařízení (obr. 3.7.2).
Tyto obvody také používají metody pro rozšíření mezí měření napětí (druhý a čtvrtý obvod).
3.8. MĚŘENÍ VÝKONU
Chcete-li měřit stejnosměrný výkon, jednoduše změřte napětí a proud. Výsledek je určen vzorcem:
Metoda ampérmetru a voltmetru je vhodná i pro měření zdánlivého výkonu, ale i činného výkonu střídavého proudu, pokud cos j = 1.
Nejčastěji se měření výkonu provádí jedním zařízením – wattmetrem.
Jak již bylo zmíněno dříve, elektrodynamický systém je nejlepší pro měření výkonu.
Wattmetr je vybaven dvěma měřicími prvky ve formě dvou cívek: sériové a paralelní. První cívkou prochází proud úměrný zátěži a druhou cívkou proudí úměrně síťovému napětí.
Úhel natočení pohyblivé části elektrodynamického wattmetru je úměrný součinu proudu a napětí v měřicích cívkách:
Na Obr. 3.8.1 je schéma zapojení wattmetru do jednofázové sítě.
V třífázových sítích se k měření výkonu používají jeden, dva a tři wattmetry.
Pokud je zátěž symetrická a zapojená do hvězdy, pak stačí jeden wattmetr (obr. 3.8.2, a). Pokud je ve stejném obvodu zátěž ve fázích asymetrická, pak se použijí tři wattmetry (obr. 3.8.2, b). V „trojúhelníkovém“ zapojení spotřebičů se výkon měří pomocí dvou wattmetrů (obr. 3.8.2, c).
3.9. MĚŘENÍ ODPORU
Elektrický odpor ve stejnosměrných obvodech lze určit nepřímo pomocí voltmetru a ampérmetru. V tomto případě:
Můžete použít ohmmetr – zařízení pro přímé čtení. Existují dva ohmmetrické obvody: a) sériový; b) paralelní (obr. 3.9.1).
Měřítko rovnice sekvenčního vzoru záměru je:
kde r je odpor obvodu galvanometru. Když je úhel natočení pohyblivé části zařízení určen hodnotou naměřeného odporu Rx. Proto může být stupnice přístroje přímo kalibrována v Ohmech. Tlačítko K se používá k nastavení jehly nástroje do nulové polohy. Pro měření malých odporů je vhodnější použít ohmmetry paralelního typu
Měření odporu lze také provádět pomocí poměrových měřičů. Na Obr. 3.9.2 ukazuje schematický diagram poměrového měřiče.
Pro toto schéma máme:
Odchylka pohyblivé části poměrového měřiče:
Odečet zařízení tedy nezávisí na napětí napájecího zdroje a je určen hodnotou naměřeného odporu Rx.
Pro sledování správného provozu elektrických instalací, jejich testování, stanovení parametrů elektrických obvodů, zaúčtování spotřebované elektrické energie atd. se provádějí různá elektrická měření. V komunikační technice, stejně jako v technice vysokého proudu, jsou elektrická měření důležitá. Přístroje, které měří různé elektrické veličiny: proud, napětí, odpor, výkon atd. se nazývají elektrické měřicí přístroje.
Existuje velké množství různých elektrických měřicích přístrojů. Nejčastěji se při výrobě elektrických měření používají: ampérmetry, voltmetry, galvanometry, wattmetry, elektroměry, fázové měřiče, fázové indikátory, synchronoskopy, frekvenční měřiče, ohmmetry, megohmmetry, zemní odpory, měřiče kapacit a indukčnosti, osciloskopy, měřicí můstky, kombinované přístroje a měřicí soupravy.
Klasifikace elektrických měřicích přístrojů podle principu činnosti
Podle principu činnosti jsou elektrické měřicí přístroje rozděleny do následujících hlavních typů:
1. Zařízení magnetoelektrického systému na principu interakce cívky s proudem a vnějším magnetickým polem vytvářeným permanentním magnetem.
2. Zařízení elektrodynamického systému založené na principu elektrodynamické interakce dvou cívek s proudy, z nichž jedna je stacionární a druhá pohyblivá.
3. Zařízení elektromagnetického systému, která využívají principu interakce mezi magnetickým polem stacionární cívky s proudem a pohyblivou železnou deskou magnetizovanou tímto polem.
4. Teploměry využívající tepelného účinku elektrického proudu. Drát ohřátý proudem se prodlužuje, prověšuje a díky tomu se pohyblivá část zařízení může otáčet působením pružiny, která odstraňuje vzniklou vůli drátu.
5. Zařízení indukčního systému na principu interakce rotujícího magnetického pole s proudy indukovanými tímto polem v pohyblivém kovovém válci.
6. Zařízení elektrostatického systému založené na principu interakce mezi pohyblivými a stacionárními kovovými deskami nabitými opačnými elektrickými náboji.
7. Zařízení termoelektrického systému, která jsou kombinací termočlánku s nějakým citlivým zařízením, například magnetoelektrickým systémem. Měřený proud, procházející termočlánkem, přispívá ke vzniku termoproudu, který působí na magnetoelektrické zařízení.
8. Zařízení vibračního systému na principu mechanické rezonance vibrujících těles. Při dané proudové frekvenci kmitá kotva elektromagnetu nejintenzivněji, doba vlastních kmitů se shoduje s periodou vnucených kmitů.
9. Elektronické měřicí přístroje – přístroje, jejichž měřicí obvody obsahují elektronické prvky. Používají se k měření téměř všech elektrických veličin, ale i neelektrických veličin, které byly dříve převedeny na elektrické veličiny.
Podle typu čtecího zařízení se rozlišují analogová a digitální zařízení. U analogových přístrojů měřená veličina nebo jí úměrná přímo ovlivňuje polohu pohyblivé části, na které je čtecí zařízení umístěno. V digitálních přístrojích není žádná pohyblivá část a měřená veličina nebo jí úměrná se převádí na číselný ekvivalent zaznamenaný digitálním indikátorem.
Výchylka pohyblivé části většiny elektrických měřicích mechanismů závisí na hodnotách proudu v jejich cívkách. Ale v případech, kdy mechanismus musí sloužit k měření veličiny, která není přímou funkcí proudu (odpor, indukčnost, kapacita, fázový posun, frekvence atd.), je nutné výsledný krouticí moment učinit závislým na měřené veličině a nezávislý na napájecím napětí.
Pro taková měření se používá mechanismus, jehož výchylka pohyblivé části je určena pouze poměrem proudů v jeho dvou cívkách a nezávisí na jejich hodnotách. Přístroje postavené podle tohoto obecného principu se nazývají poměrové měřiče. Je možné sestrojit poměrový mechanismus libovolného elektrického měřicího systému s charakteristickým rysem – absencí mechanického protipůsobícího momentu vytvářeného kroucenými pružinami nebo vzpěrami.
Symboly na voltmetru:
Níže uvedené obrázky znázorňují symboly elektrických měřicích přístrojů podle principu jejich činnosti.
Označení principu činnosti zařízení
Označení typu proudu
Označení třídy přesnosti, poloha zařízení, pevnost izolace, ovlivňující veličiny
Klasifikace elektrických měřicích přístrojů podle druhu měřitelné veličiny
Elektrické měřicí přístroje jsou také klasifikovány podle typu veličiny, kterou měří, protože přístroje stejného principu činnosti, ale určené k měření různých veličin, se mohou navzájem výrazně lišit svým provedením, nemluvě o měřítku přístroje.
Tabulka 1 uvádí seznam symbolů nejčastěji používaných elektrických měřicích přístrojů.
Tabulka 1. Příklady označení měrných jednotek, jejich násobků a dílčích násobků
| Jméno | Označení | Jméno | Označení |
| Kiloampér | kA | Účiník | cos phi |
| Ampere | A | Faktor jalového výkonu | sinφ |
| Miliampér | mA | Teraom | TΩ |
| mikroamp | μA | Megaom | MΩ |
| Kilovolt | kV | Kiloom | kΩ |
| Volt | V | Ohm | Ω |
| Milivolt | mV | Miliohm | mΩ |
| Megawatt | MW | Micro | μΩ |
| Kilowatt | kW | Milliveber | mWb |
| Watt | W | mikrofarad | mF |
| Megaválka | MVAR | Picofarad | pF |
| Kilovar | kVAR | Henry | H |
| Var | VAR | Millihenry | mH |
| Megahertz | MHz | Microhenry | μH |
| kHz | kHz | Teplotní stupnice stupňů Celsia | o C. |
| Hertz | Hz | ||
| Stupně fázového úhlu | φ o |
Klasifikace elektrických měřicích přístrojů podle stupně přesnosti
Absolutní chyba přístroje je rozdíl mezi odečtem přístroje a skutečnou hodnotou naměřené hodnoty.
Například absolutní chyba ampérmetru je
kde δ (čti „delta“) je absolutní chyba v ampérech, I je údaj zařízení v ampérech, I e je skutečná hodnota měřeného proudu v ampérech.
Pokud I > I e, pak je absolutní chyba zařízení kladná, a pokud I e, je záporná.
Korekce přístroje je hodnota, která musí být přidána k odečtům přístroje, aby se získala skutečná hodnota naměřené hodnoty.
I e = I – δ = I + (-δ)
V důsledku toho je korekce přístroje hodnotou rovna absolutní chybě přístroje, ale s opačným znaménkem. Pokud například ampérmetr ukázal 1 = 5 A a absolutní chyba zařízení je δ = 0,1 A, pak skutečná hodnota naměřené hodnoty je I = 5+ (-0,1) = 4,9 A.
Snížená chyba zařízení je poměr absolutní chyby k největší možné odchylce indikátoru zařízení (nominální čtení zařízení).
Například pro ampérmetr
β = (δ/In) 100 % = ( (I – I e )/In) 100 %
kde β je snížená chyba v procentech, In je jmenovitá hodnota zařízení.
Přesnost zařízení je charakterizována hodnotou jeho maximální redukované chyby. Podle GOST 8.401-80 jsou zařízení podle stupně přesnosti rozdělena do 9 tříd: 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 a 4,0. Pokud má toto zařízení například třídu přesnosti 1,5, znamená to, že jeho maximální redukovaná chyba je 1,5 %.
Elektrické měřicí přístroje s třídami přesnosti 0,02, 0,05, 0,1 a 0,2 jako nejpřesnější se používají tam, kde je vyžadována velmi vysoká přesnost měření. Pokud má zařízení danou chybu nad 4 %, pak je považováno za mimoškolní.
Zařízení pro měření fázového úhlu s třídou přesnosti 2,5:
Citlivost a konstanta měřicího zařízení
Citlivost zařízení je poměr úhlového nebo lineárního pohybu ukazatele zařízení na jednotku měřené hodnoty. Pokud je měřítko přístroje jednotné, pak je jeho citlivost v celé stupnici stejná.
Například citlivost ampérmetru s jednotnou stupnicí je určena vzorcem
kde S je citlivost ampérmetru v dílcích na ampér, Δ I je přírůstek proudu v ampérech nebo miliampérech, Δα je přírůstek úhlového pohybu indikátoru zařízení ve stupních nebo milimetrech.
Pokud je měřítko zařízení nerovnoměrné, pak je citlivost zařízení v různých oblastech měřítka různá, protože stejný přírůstek (například proud) bude odpovídat různým přírůstkům úhlového nebo lineárního pohybu indikátoru zařízení.
Převrácená hodnota citlivosti zařízení se nazývá konstanta zařízení. V důsledku toho je konstantou zařízení hodnota dílku zařízení, nebo jinými slovy hodnota, kterou je třeba vynásobit údaj na stupnici v dílcích, aby se získala naměřená hodnota.
Pokud je například konstanta zařízení 10 mA/dílek (deset miliampérů na dílek), pak když se jeho ukazatel odchyluje o α = 10 dílků, naměřená hodnota proudu je I = 10 10 = 100 mA.
Schéma zapojení wattmetru a symboly na přístroji (ferodynamický přístroj pro měření výkonu stejnosměrného a střídavého proudu s vodorovnou polohou stupnice, měřicí obvod je izolován od pouzdra a testován při napětí 2 kV, třída přesnosti – 0,5) :
Kalibrace měřicích přístrojů – stanovení chyb nebo korekcí pro sadu hodnot stupnice přístroje vzájemným porovnáním různých kombinací jednotlivých hodnot stupnice. Jedna z hodnot stupnice se bere jako základ pro srovnání. Kalibrace je široce používána v praxi přesných metrologických prací.
Nejjednodušší způsob kalibrace je porovnat každou velikost s nominálně stejnou (přijatou jako docela správnou) velikostí. Tento pojem by se neměl zaměňovat (jak se často dělá) se stupnicí (stupňováním) měřicích přístrojů, což je metrologická operace, při které jsou dílky stupnice měřicího přístroje udávány hodnoty vyjádřené v zavedených měrných jednotkách.
Ztráta napájení v zařízeních
Elektrické měřicí přístroje spotřebovávají během provozu energii, která se obvykle přeměňuje na tepelnou energii. Ztráta výkonu závisí na režimu v obvodu, stejně jako na systému a konstrukci zařízení.
Pokud je měřený výkon relativně malý, a tedy proud nebo napětí v obvodu jsou relativně malé, pak výkon energetických ztrát v samotných zařízeních může výrazně ovlivnit režim zkoumaného obvodu a odečty zařízení mohou mít poměrně velká chyba. Pro přesná měření v obvodech, kde jsou vyvinuté výkony relativně malé, je nutné znát sílu energetických ztrát v zařízeních.
V tabulce Tabulka 2 ukazuje průměrné energetické ztráty energie v různých systémech elektrických měřicích přístrojů.
| Systém zařízení | Voltmetry 100 V, W | Ampérmetry 5A, W |
| Magnetoelektrický | 0,1 – 1,0 | 0,2 – 0,4 |
| Elektromagnetické | 2,0 – 5,0 | 2,0 – 8,0 |
| Indukce | 2,0 – 5,0 | 1,0 – 4,0 |
| Elektrodynamické | 3,0 – 6,0 | 3,5 – 10 |
| Tepelný | 8,0 – 20,0 | 2,0 – 3,0 |
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
