ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР, устройство, предназначенное для измерения к.-л. электрической или пропорциональной ей величины. Первым в мире Э. п. был электроскоп со шкалой, введённый в науку русскими учеными М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом.

Э. п. широко применяют: 1) для учёта вырабатываемой, распределяемой и потребляемой электроэнергии; 2) для контроля за нормальной работой электроустановок и их элементов (генераторов, сетей, двигателей и т. д.); 3) при изучении электроустановок и их элементов (проводников электричества, изоляторов, двигателей, генераторов и т. д.). Э. п. также применяются для измерения неэлектрических величин: температур, давлений, перемещений, скоростей, мощностей, количеств времени, лучистой энергии, быстро изменяющихся процессов и т. д., для чего, кроме Э. п., необходимы специальные "датчики".

Действие Э. п. основано на использовании различных проявлений электрического тока и электромагнитного поля. Напр., около проводника, по к-рому проходит ток, образуется магнитное поле. Это поле может воздействовать на магнитную стрелку, кусочки железа или другие находящиеся вблизи проводники, по к-рым проходит ток, изменяя их положение в пространстве. Это явление используется для целей измерения силы проходящего по проводнику тока.

Рис. 1. Схема включения электроизмерительных приборов: 1 - амперметр; 2 - вольтметр; 3 - ваттметр; 4 - пружина; 5 - сердечник; 6 - неподвижная катушка; 7 - стрелка; 8 - шкала; 9 - электрический термометр; 10 - термоэлектрический термометр; R, Rx, r, r₁, r₂, - сопротивления

В СССР принята абсолютная система электрических и магнитных единиц МКСА. Основы этой системы были заложены на конгрессе в Париже в 1881 по материалам и предложению проф. А. Г. Столетова.

Э. п. классифицируются: по роду измеряемой величины - ток, напряжение, мощность и т. д.; по точности показаний - процент ошибки; по принципу действия в зависимости от систем - магнитоэлектрическая система, электромагнитная и т. д.; по характеру применения, монтажа и эксплуатационных условий - стационарные, переносные, щитовые, пыленепроницаемые, водонепроницаемые, тряскоустойчивые и т. д.; по способу отсчёта - непосредственной оценки, самозапись и т. д.; по габаритам - большие, нормальные, малые, уменьшенные и по другим признакам.

При эксплуатации сельских электрических установок получили распространение следующие Э. п.: 1) амперметры, миллиамперметры, микроамперметры (обозначение на приборе - А, тА, μА) - приборы для измерения силы электрического тока в амперах (а), миллиамперах (ма) или микроамперах (мка); приборы включаются в цепь последовательно (рис. 1, 1); при параллельном включении прибор приходит в негодность; 2) вольтметры (V), милливольтметры (mV), киловольтметры (KV) - приборы для измерения электрического напряжения или электродвижущей силы в вольтах (в), милливольтах (мв), киловольтах (кв); приборы имеют большое внутреннее сопротивление и включаются в цепь параллельно (рис. 1, 2); 3) ваттметры (W), киловаттметры (кW)- приборы для измерения электрической мощности в ваттах (вm) или киловаттах (квт), включаемые в цепь, как показано на рис. 1, 3; 4) электросчётчики (hwh, kwh) - для измерения электроэнергии в гектоватт-часах (гвт-ч) или киловатт-часах (квт-ч), включаемые в цепь, как показано на рис. 4, 5, 6; 5) частотомеры (Н_z) - приборы для измерения частоты переменного тока в герцах, включаются параллельно (рис. 3); 6) фазометры (φ) - приборы для измерения коэф-та мощности в долях единицы и электрических градусах, включаются в цепь, как показано на рис. 3 и 4; 7) омметры (Ω), мегомметры (мΩ), мосты - приборы для измерения электрического сопротивления в омах или мегомах; 8) Э. п. специального назначения (гальванометры, осцилографы, электротермометры и т. д.).

Основной характеристикой Э. п. является точность его показаний. Разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины называется абсолютной погрешностью прибора. Абсолютная погрешность, выраженная в процентах от действительного значения измеряемой величины, называется относительной погрешностью. Наибольшая абсолютная погрешность, выраженная в процентах от наибольшего показания (номинальной величины) прибора, называется приведённой погрешностью. Приведённая погрешность, допускаемая при работе в нормальных условиях в рабочей части шкалы, получила название основной погрешности.

По степени точности Э. п. разделяются на 5 классов - 0,2; 0,5; 1,0; 1,5 и 2,5, каждый из к-рых характеризуется наибольшей основной погрешностью, выраженной в процентах от номинальной величины. Напр., вольтметр на 250 в класса 1,5 при замерах напряжения в пределах рабочей части шкалы (от 50 в) может дать основную ошибку при нормальных условиях не более ±3,75 в. Каждый из приборов, кроме основной погрешности, может иметь одну или несколько дополнительных (напр., в зависимости от изменения темп-ры окружающей среды и т. д.).

По принципу действия и системам Э. п. разделяются на след. системы: 1) магнитоэлектрическую; 2) магнитоэлектрическую с преобразователем, с полупроводниковым выпрямителем; 3) электромагнитную; 4) электродинамическую; 5) индукционную; 6) электростатическую; 7) тепловую; 8) электролитическую; 9) электронную и др. В сельских электрических установках получили наибольшее распространение системы 1, 3, 5.

Э. п. магнитоэлектрической системы всех классов широко применяются при измерениях электрических и др. величин в цепях постоянного тока. С применением спец. выпрямителей и термопреобразователей они используются для измерений в цепях переменного тока, в т. ч. при высоких частотах и для измерения неэлектрических величин (темп-р, давлений, перемещений и т. д.). Приборы этой системы обладают высокой чувствительностью (позволяют измерять ток до 10^-11а), большой точностью (до 0,1%), небольшим собственным потреблением энергии (0,1 - 1 вm), равномерной шкалой, малой чувствительностью к колебаниям темп-р и внешним магнитным полям. Основные части Э. п. (рис. 2); стальной сердечник цилиндрической формы 1; спиральная пружина 2, подводящие ток к катушке 3 и удерживающие её в исходном (нулевом) положении; стрелка 4, прикреплённая к оси катушки; шкала 5; неподвижный стальной магнит N-S; Катушка, укреплённая на осях и вращающаяся в магнитном поле между магнитом N-S, состоит из алюминиевого каркаса и обмотки. Под действием проходящего по катушке измеряемого тока образуется магнитное поле. Это поле взаимодействует с магнитным полем магнита N-S. В результате взаимодействия образуется пара сил, к-рая, преодолевая сопротивление пружин 2, поворачивает катушку и стрелку на нек-рый угол, пропорциональный измеряемому току. Катушки Э. п. обычно рассчитываются на токи от 0,2 до 10^-11а, в зависимости от назначения прибора. Направление отклонения стрелки зависит от направления тока в катушке.

Рис. 2. Устройство и схема включения амперметра и вольтметра магнитоэлектрической системы: 1 - сердечник; 2 - пружина; 3 - катушка; 4 - стрелка; 5 - шкала

Принцип Э. п. магнитоэлектрической системы широко используется при изготовлении вольтметров, амперметров, миллиамперметров, микроамперметров, гальванометров, вибраторов, омметров, мегомметров, электротермометров и др. электроизмерительных приборов.

Амперметры изготовляют с шунтами. Шунт - калиброванное сопротивление, включаемое параллельно Э. п., для расширения пределов его измерений (рис. 2). Сопротивление шунта (R_m) подсчитывается из формулы:

где R_a - сопротивление Э. п.; n - шунтирующий множитель, показывающий, во сколько раз расширяется предел измерения электроизмерительного прибора.

В вольтметрах, наоборот, для расширения пределов измерения Э. п. в т раз приходится включать последовательно о катушкой Э. п., имеющей внутреннее сопротивление R_b, добавочное сопротивление R_g (рис. 2):

Схема включения амперметра и вольтметра показана на рис. 1, 2, 3, 4. Зная напряжение источника постоянного тока v в вольтах, тока I в амперах и время работы приемника тока u в часах, можно подсчитать активную мощность токоприемника Р в ваттах, его сопротивление R в омах и расход электроэнергии W в ватт-часах по формулам:

При переменном однофазном токе (рис. 3) активная мощность подсчитывается по формуле P=u·I·cosφ, где cosφ - коэффициент мощности. Он м. б. вычислен из показаний ваттметра, вольтметра и амперметра по формуле cosφ=^P/_V·I или измерен фазометром (рис. 3).

Электрическое сопротивление постоянному току м. б. измерено магнитоэлектрическими омметром в омах или мегомметром в мегомах. Точность этих приборов обычно находится в пределах 1 - 10%. Наиболее точные мегомметры (напр., типа М-1101, 500 в до 100 мегом и МС-06, 2500 в до 10000 мегом), широко применяемые при измерениях сопротивлений изоляции электрических установок, представляют собой комбинацию магнитоэлектрического двухкатушечного прибора и генератора постоянного тока. Якорь генератора приводится во вращение рукояткой через шестерёнчатую передачу.

Для измерения сопротивления с высшей точностью (до 0,05%) применяются мосты с магнитоэлектрическими гальванометрами до 10^-8а. Схема моста изображена на рис. 1, 9. Мест состоит из трёх образцовых сопротивлений r₁, r₂ и R переменной величины, батареи и гальванометра магнитоэлектрической системы. При измерении искомого сопротивления R_x, сопротивления плеч r₁, r₂ и R подбирают так. обр., чтобы гальванометр показал отсутствие тока (схема уравновешенного моста). В этом случае R_x определяется из формулы

При неизменных r₁, r₂ и R отклонения гальванометра будут пропорциональны R_x (схема неуравновешенного моста).

Измерение темп-ры по методу термоэлектрического пирометра основано на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей при нагревании термопары (рис. 1). Э п. состоит из термопары (двух сваренных разнородных проводников, заключённых в оболочку и установленных в зоне измеряемой темп-ры) и гальванометра (10^-6 и 10^-8а). В качестве проводников для термопар используются медь-константан (до 500°); железо-константан (до 800°); никель-нихром (до 1100°) и т. д.

Для наблюдения и регистрирования на плёнке быстро изменяющихся электрических или пропорциональных им величин применяются осцилографы вибрационные и электронные (катодные). Первые регистрируют электрические величины, изменяющиеся с частотой до 3000 периодов в секунду. Вторые позволяют исследовать процессы с частотой в несколько миллионов периодов в секунду. Основой вибрационного осцилографа МПО-2 является вибратор магнитоэлектрической системы. Вибратор состоит из постоянного магнита и петли из бронзовой ленты с зеркальцем, вращающихся в поле магнита. При пропускании исследуемого тока через петлю петля с зеркальцем будет отклоняться на угол, пропорциональный току. Подвижная система вследствие малой инерции может делать несколько тысяч колебаний в секунду вправо и влево, следуя за колебаниями тока. Колебания петли м. б. записаны на плёнке с помощью отражённого от зеркальца луча света (посылаемого источником света). Плёнка в этом случае должна перемещаться в перпендикулярном к колебаниям луча направлении.

Приборы электромагнитной системы предназначены для измерений в цепях переменного и постоянного тока Э. п. этой системы получили большое распространение как щитовые и технические приборы переменного тока классов 1; 1,5 и 2,5. Изготовляются также точные приборы класса 0,5. Основные части Э. п. (рис 3): неподвижная катушка 1; сердечник из мягкой стали особой формы 2, вращающийся на оси; пружина 3; стрелка 4, прикреплённая к оси сердечника; шкала 5; успокоитель 6. Под действием проходящего через катушку измеряемого тока образуется магнитное поле. Поле, преодолевая сопротивление пружины, втягивает сердечник. Угол поворота сердечника и стрелки пропорционален измеряемому току. Успокоитель (крыло или поршенёк, связанные с подвижной системой прибора) не позволяет стрелке колебаться более 4 сек. На многих модернизированных приборах применяется магнитное успокоение, основанное на использовании вихревых токов.

Рис. 3. Устройство амперметра и вольтметра электромагнитной системы. Включение в сеть: А - амперметра; V - вольтметра; W - ваттметра; Ф - фазометра; Hz - частотомера

Рис. 3. Устройство амперметра и вольтметра электромагнитной системы. Включение в сеть: А - амперметра; V - вольтметра; W - ваттметра; φ - фазометра; H_z - частотомера

Принцип электромагнитной системы широко используется при изготовлении амперметров, вольтметров, частотомеров, фазометров и других Э. п. Амперметры обычно имеют малое число витков толстой проволоки и ничтожное сопротивление. Вольтметры, наоборот, имеют большое число витков тонкой проволоки. Расширение пределов измерения вольтметров осуществляется при помощи добавочных сопротивлений и измерительных трансформаторов напряжения (на переменном токе). Амперметры непосредственного включения обычно изготовляются на токи до 200 а. Расширение пределов измерений амперметров переменного тока осуществляется путём применения измерительных трансформаторов тока (рис. 4). Первичная обмотка трансформатора (зажимы Л₁ - Л₂), имеющая n₁ витков, включается в сеть; вторичная (зажимы - И₁ - И₂) имеющая n₂ витков,

замыкается на амперметр 5а. Отношение называется коэф-том трансформации. Шкала амперметра градуируется на ток сети, т. е. на ток первичной обмотки трансформатора. Вторичная обмотка при работе никогда не должна быть разомкнута. Трансформатор должен иметь спец. зажим для заземления.

Приборы электродинамической системы предназначены, гл. обр., для точных измерений (класс точности 0,2; 0,5) в цепях переменного тока. Приборы пригодны также для измерений на постоянном токе. Приборы этой системы дороги. Приборы электродинамической системы имеют две катушки - неподвижную и подвижную. Подвижная катушка укреплена на одной оси с указательной стрелкой и крылом воздушного успокоителя. Схема ваттметра показана на рис. 1. В амперметрах катушки соединены параллельно, в вольтметрах - последовательно, в ваттметрах - неподвижная последовательно, вольтметровая параллельно. Измеряемый ток, протекающий по катушкам, образует магнитные поля Взаимодействие полей катушек даёт пару сил, к-рая, преодолевая сопротивление пружин, поворачивает подвижную катушку и стрелку на угол, пропорциональный токам, протекающим через катушки.

Принцип электродинамической системы применяется для изготовления амперметров, вольтметров, ваттметров, фазометров, частотомеров и других Э. п. Ферродинамические приборы отличаются от электродинамических тем что неподвижная обмотка уложена в пазах железного ярма и внутри подвижной катушки имеется железный сердечник. Ферродинамические Э. п. применяются, гл. обр., как щитовые.

Рис. 4. Включение в трёхфазную сеть: 1 - счётчика типа ИТ 5а, 380 в; 2 - фазометра типа ЭНФ 5а, 380 в; 3 - трансформатора тока 30,5; 4 - электродвигателя 10 квт

Приборы индукционной системы широко применяются при измерениях электрической энергии (счётчики) и мощности (щитовые ваттметры) в сетях переменного тока. Основные части счётчика (рис. 5): электромагнит 1 с небольшим числом витков толстой изолированной проволоки, включённый последовательно с нагрузкой; электромагнит 2 с большим числом витков тонкой изолированной проволоки, включённый параллельно нагрузке; алюминиевый диск 3, укреплённый на вертикальной оси; постоянный тормозной магнит 4. Переменные токи, проходящие по обмоткам электромагнитов, создают магнитные потоки, пропорциональные току нагрузки (в 1-й обмотке) и напряжению (во 2-й обмотке). Магнитные потоки, пересекая алюминиевый диск, наводят в нём вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с магнитными полями электромагнитов приводит во вращение алюминиевый диск. Число оборотов диска, отсчитываемое счётным механизмом, за время t часов соответствует израсходованной электроэнергии в киловатт-часах (квт-ч), или гектоватт-часах (гвт-ч). Скорость вращения диска (число оборотов в единицу времени) пропорциональна подключенной мощности. Счётчик присоединяется к сети согласно паспорту. Число оборотов диска, соответствующее киловатт-часу энергии, называется постоянной счётчика (указывается на паспорте). Электросчётчики изготовляются I и II классов для измерения в цепях однофазного и трёхфазного переменных токов. Точность 2 - 4%. Расширение пределов измерений счётчиков осуществляется с помощью измерительных трансформаторов, при этом показания счётчика умножаются на коэффициенты трансформации. Схема включения счётчиков указана на рис. 4, 5 и 6. Индукционный ваттметр отличается от счётчика тем, что диск не имеет свободного вращения, а укреплён через тормозную пружину. Включение ваттметра указано на рис. 3. Угол поворота диска и стрелки пропорционален измеряемой мощности.

Рис. 5. Схема включения в сеть однофазного счётчика

Основные технические данные Э. п. указываются на лицевой его стороне (шкале).

Рис. 6. Схема включения трёхфазных счётчиков 5а в сеть 380 /220 в с заземлением нулевого провода

Э. п. проверяют и клеймят органы Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР в соответствующие сроки. Приборы должны эксплуатироваться согласно Правилам Технической эксплуатации, инструкциям и Правилам Безопасности. Пыленепроницаемые щитовые приборы эксплуатируются при темп-pax среды от -15° до +35° и относительной влажности воздуха до 80%. Соответственно для брызгонепроницаемых мегомметров темп-pa среды от -25° до +60° и влажность воздуха до 95+5%; для счётчиков темп-pa среды от 0 до 40°. Лабораторные приборы должны эксплуатироваться при темп-ре 20°. Дореволюционная Россия не имела пром-сти приборостроения. В наст. время эта отрасль достигла мощного развития, приборы облегчают не только контроль производственных процессов, но и расширяют автоматизацию их и управление на расстоянии.

Литература: Арутюнов Б., Расчет и конструкции электроизмерительных приборов, Л.-М., 1949; его же, Электроизмерительные приборы. Устройство, монтаж и обслуживание, 2 изд., Л.-М., 1949; Вострокнутов Н., Электрические счётчики и их эксплоатация, 5 изд., М.-Л., 1950; Попов В., Электротехнические измерения и приборы, 4 изд., М.-Л., 1952; Справочник электрика промышленных предприятий. Под общ. ред. А. А. Федорова и П. В. Кузнецова, М., Госэнергоиздат, 1954; Туричин А., Электрические измерения неэлектрических величин, Л.- М., 1951; Шилоносов М., Электрические контрольно-измерительные приборы. Ремонт и испытание, М.-Свердловск, 1951; Шкурин Г., Справочник по электроизмерительным и радиоизмерительным приборам, М., 1950; Электрические измерения. Общий курс. Под ред. А. В. Фремке, Л.- М., 1950; Электротехнический справочник. Под общ. ред. А. Т. Голована и др., М.-Л., Госэнергоиздат, 1952; ГОСТ 1845 - 42. Приборы электроизмерительные.