Сопротивление, емкость и индуктивность суть основные параметры электрических цепей, с измерением которых часто приходится встречаться на практике. Известно много методов их измерения, а приборостроительная промышленность выпускает для этой цели средства измерения широкой номенклатуры. Выбор того или иного метода измерения и измерительной аппаратуры зависит от вида измеряемого параметра, его значения, требуемой точности измерения, особенностей объекта измерения и т. п. Например, измерение сопротивлений твердых проводников, как правило, производится на постоянном токе, поскольку прибор для измерений в этом случае проще по конструкции и дешевле, чем аналогичный прибор для измерений на переменном токе. Однако измерение в средах, имеющих высокую влажность, или сопротивлений заземлений производится только на переменном токе, так как результат измерения на постоянном токе будет содержать большие погрешности из-за влияния электрохимических процессов.
Диапазон измеряемых на практике сопротивлений широк (от 10 8 до 10 ь Ом), и его условно делят по значениям сопротивлений на малые (менее 10 Ом), средние (от 10 до 10 6 Ом) и большие (свыше 10 6 Ом), в каждой из которых измерение сопротивлений имеет свои особенности.
Сопротивление - параметр, проявляющийся только при прохождении в цепи электрического тока, поэтому измерения проводятся в работающем устройстве или используется измерительный прибор с собственным источником тока. Необходимо позаботиться о том, чтобы полученная электрическая величина правильно отражала только измеряемое сопротивление и не содержала излишней информации, которая воспринимается как погрешность измерения. Рассмотрим с этой точки зрения особенности измерения малых и больших сопротивлений.
При измерении малых сопротивлений, например обмоток трансформаторов или коротких проводов, через сопротивление пропускается ток, а возникшее на этом сопротивлении падение напряжения измеряется. На рис. 10.1 показана схема соединений при измерении сопротивления К х короткого проводника. Последний подключается к источнику тока I посредством двух соединительных проводников с собственным сопротивлением Я п. В местах соединения этих проводников с измеряемым сопротивлением образуются переходные сопротивления контактов /? к. Значение Я и зависит от материала соединительного проводника, его длины и сечения, значение /? к - от площади соприкасающихся частей, их чистоты и силы сжатия. Таким образом, числовые значения Я и и зависят от многих причин и определить их заранее трудно, но им можно дать примерную оценку. Если соединительные проводники выполнены коротким медным проводом с сечением в несколько квадратных милли-
Рис. 10.1.
проводника
метров, а контактные сопротивления имеют чистую и хорошо сжатую поверхность, то для приближенных оценок можно принять 2(Я и + Я к) * 0,01 Ом.
В качестве измеряемого напряжения в схеме рис. 10.1 можно использовать 11 п, И 22 или?/ 33 . Если выбрано II п, то результат измерения отражает полное сопротивление цепи между зажимами 1-Г:
Яц = ?/,//= Яд+ 2(Л И + Л К).
Здесь второе слагаемое представляет собой погрешность, относительное значение которой 5 в процентах равно:
5 = Я{Х ~ Ях 100 = 2 Кп + Як 100.
к х * х
При измерении малых сопротивлений эта погрешность может быть большой. Например, если принять 2(Я и + Я к) * 0,01 Ом, а Я х = 0,1 Ом, то 5 * 10 %. Погрешность 5 уменьшится, если в качестве измеряемого напряжения выбрать и 22:
Я 22 = и 22 /1 = Я х + 2Я К.
Здесь сопротивление подводящих проводов исключается из результата измерения, но остается влияние Л к.
Результат измерения будет полностью свободен от влияния Я п и Я к, если в качестве измеряемого напряжения выбрать?/ 33 .
Схему включения Я х в таком случае называют четырехзажимной: первая пара зажимов 2-2" предназначена для подвода тока и называется токовыми зажимами, вторая пара зажимов 3-3" - для съема напряжения с измеряемого сопротивления и называется потенциальными зажимами.
Применение токовых и потенциальных зажимов при измерении малых сопротивлений является основным приемом для устранения влияния соединительных проводов и переходных сопротивлений на результат измерения.
При измерении больших сопротивлений, например сопротивлений изоляторов, поступают так: к объекту прикладывают напряжение, а возникший ток измеряют и по нему судят о значении измеряемого сопротивления.
При испытании диэлектриков следует иметь в виду, что их электрическое сопротивление зависит от многих условий - окружающей температуры, влажности, утечек по грязной поверхности, значения испытательного напряжения, продолжительности его действия и т. д.
Измерение сопротивления электрической цепи постоянному току на практике производится наиболее часто методом амперметра и вольтметра, логометрическим или мостовым методом.
Метод амперметра и вольтметра. Этот метод основан на раздельном измерении тока I в цепи измеряемого сопротивления К х и напряжения и на его зажимах и последующем вычислении значения по показаниям измерительных приборов:
Я х = и/і.
Обычно ток / измеряют амперметром, а напряжение и - вольтметром, этим объясняется название метода. При измерении высокоомных сопротивлений, например сопротивления изоляции, ток / мал и его измеряют миллиамперметром, микроамперметром или гальванометром. При измерении низкоомных сопротивлений, например куска провода, оказывается малым значение и и для его измерения применяют милливольтметры, микровольтметры или гальванометры. Однако во всех этих случаях метод измерения сохраняет свое наименование- амперметра и вольтметра. Возможные схемы включения приборов показаны на рис. 10.2, а, б.
Рис. 10.2. Схемы для измерений малых (а) и больших (б) сопротивлений
методом амперметра и вольтметра
Достоинство метода заключается в простоте его реализации, недостаток - в сравнительно невысокой точности результата измерения, которая ограничена классом точности применяемых измерительных приборов и методической погрешностью. Последняя обусловлена влиянием мощности, потребляемой измерительными приборами в процессе измерения, другими словами - конечным значением собственных сопротивлений амперметра Я А и вольтметра Я у.
Выразим методическую погрешность через параметры схемы.
В схеме рис. 10.2, а вольтметр показывает значение напряжения на зажимах Я х, а амперметр - сумму токов 1 У + /. Следовательно, результат измерения Я, вычисленный по показаниям приборов, будет отличаться от Я х:
л _ и и Я*
I + 1 У и/Я х + и Я у 1 + Я х /Я у "
Относительная погрешность измерения в процентах
Здесь приближенное равенство справедливо, так как при правильной организации эксперимента предполагается выполнение условия Я у » Я х.
В схеме рис. 10.2, 6 амперметр показывает значение тока в цепи с Я х, а вольтметр - сумму падений напряжений на Я х и и амперметре и А. Учитывая это, можно по показаниям приборов вычислить результат измерения:
+ Я А.
Ц +Ц л
Относительная погрешность измерения в процентах в данном случае равна:
Из полученных выражений для относительных погрешностей видно, что в схеме рис. 10.2, а на методическую погрешность результата измерения оказывает влияние только сопротивление Я у; для снижения этой погрешности необходимо обеспечить условие Я х « Я у. В схеме рис. 10.2, б на методическую погрешность результата измерения оказывает влияние только Я А; снижение этой погрешности достигается выполнением условия Я х » Я А. Таким образом, при практическом использовании данного метода можно рекомендовать правило: измерение малых сопротивлений следует производить по схеме рис. 10.2, а при измерении больших сопротивлений предпочтение следует отдавать схеме рис. 10.2, б.
Методическую погрешность результата измерения можно исключить путем введения соответствующих поправок, но для этого необходимо знать значения Я А и Я у. Если они известны, то из результата измерения по схеме рис. 10.2, б следует вычесть значение Я А; в схеме рис. 10.2, а результат измерения отражает параллельное соединение сопротивлений Я х и Я у, поэтому значение Я х вычисляется по формуле
Если при данном методе применить источник питания с заранее известным напряжением, то необходимость измерения напряжения вольтметром отпадает, а шкалу амперметра можно сразу отградуировать в значениях измеряемого сопротивления. На этом принципе основано действие многих моделей выпускаемых промышленностью омметров непосредственной оценки. Упрощенная принципиальная схема такого омметра показана на рис. 10.3. Схема содержит источник ЭДС?, добавочный резистор Я д и амперметр (обычно микроамперметр) А. При подключении к зажимам схемы измеряемого сопротивления Я х в цепи возникает ток I, под действием которого подвижная часть амперметра поворачивается на угол а, а его указатель отклоняется на а делении шкалы:
С/ Я а + Я А + Я х
где С, - цена деления (постоянная) амперметра; Я А - сопротивление амперметра.
Рис. 10.3. Принципиальная схема омметра с последовательным включением
измеряемого сопротивления
Как видно из этой формулы, шкала омметра нелинейна, и стабильность градуировочной характеристики требует обеспечения стабильности всех величин, входящих в уравнение. Между тем источник питания в такого рода приборах обычно реализуется в виде сухого гальванического элемента, ЭДС которого падает по мере его разряда. Ввести поправку на изменение?, как видно из уравнения, можно путем соответствующей регулировки С„ или Я я. В некоторых омметрах С, регулируется путем изменения индукции в зазоре магнитной системы амперметра с помощью магнитного шунта.
В этом случае поддерживается постоянство отношения ё/С, и градуировочная характеристика прибора сохраняет свое значение независимо от значения ё. Регулировка С, производится так: зажимы прибора, к которым подключается К х, замыкаются накоротко (Я х = 0) и регулировкой положения магнитного шунта добиваются установки указателя амперметра на нулевую отметку шкалы; последняя расположена на крайней правой точке шкалы. На этом регулировка заканчивается, и прибор готов к измерению сопротивлений.
В комбинированных приборах ампервольтомметрах регулировка С, недопустима, так как это приведет к нарушению градуировки прибора в режимах измерений токов и напряжений. Поэтому в таких приборах поправку на изменение ЭДС ё вводят регулировкой сопротивления переменного добавочного резистора Процедура регулировки та же, что и в приборах с регулируемой магнитным шунтом магнитной индукцией в рабочем зазоре. В этом случае градуировочная характеристика прибора изменяется, что приводит к дополнительным методическим погрешностям. Однако параметры схемы выбираются так, чтобы указанная погрешность была небольшой.
Возможен другой способ подключения измеряемого сопротивления - не последовательно с амперметром, а параллельно ему (рис. 10.4). Зависимость между Я х и углом отклонения подвижной части в данном случае также нелинейна, однако нулевая отметка на шкале расположена слева, а не справа, как это имеет место в предыдущем варианте. Такой способ подключения измеряемого сопротивления применяется при измерении малых сопротивлений, так как позволяет ограничить потребляемый ток.
Электронный омметр может быть реализован на базе усилителя постоянного тока с большим коэффициентом усиления, на-
Рис. 10.4.
измеряемого сопротивления
пример, на операционном усилителе (ОУ). Схема такого прибора показана на рис. 10.5. Его главное достоинство - линейность шкалы для отсчета результатов измерений. ОУ охвачен отрицательной обратной связью через измеряемый резистор Я х, питающее стабилизированное напряжение?/ 0 подано на вход усилителя через вспомогательный резистор /?, а к выходу подключен вольтметр РУ При большом собственном коэффициенте усиления ОУ, низком выходном и высоком входном его сопротивлениях, выходное напряжение ОУ есть:
и для заданных значений и 0 и /?, шкалу измерительного прибора можно проградуировать в единицах измерения сопротивления для отсчета значения К х, причем она будет линейной в пределах изменения напряжения от 0 до?/ вых тах - максимального напряжения на выходе ОУ.
Рис. 10.5. Электронный омметр
Из формулы (10.1) видно, что максимальное значение измеряемого сопротивления есть:
«, т „ =-«,%="? 00.2)
Для изменения пределов измерений переключают значения сопротивления резистора /?, или напряжения?/ 0 .
При измерении низкоомных сопротивлений можно в схеме поменять местами измеряемый и вспомогательный резисторы. Тогда выходное напряжение будет обратно пропорционально величине Я х:
и шх =-и 0 ^. (10.3)
Следует заметить, что данный способ включения не позволяет измерять низкоомные сопротивления менее десятков Ом, поскольку внутреннее сопротивление источника опорного напряжения, которое составляет доли или единицы Ом, оказывается включенным последовательно с измеряемым сопротивлением и вносит существенную погрешность в измерения. Кроме того, в этом случае теряется основное преимущество прибора - линейность отсчета измеряемого сопротивления, а сдвиг нуля и входной ток усилителя могут вносить существенные ошибки
Рассмотрим специальную схему для измерения малых сопротивлений, свободную от этих недостатков (рис. 10.6). Измеряемый резистор Я х вместе с резистором Я 3 образует делитель напряжения на входе ОУ. Напряжение на выходе схемы в этом случае равно:
Рис. 10.6.
Если выбрать » Я х, то выражение упростится и шкала прибора будет линейной относительно Я х:
Электронный омметр не позволяет измерять реактивные сопротивления, так как включение измеряемой индуктивности или
емкости в схему изменит фазовые соотношения в цепи обратной связи ОУ и формулы (10.1)-(10.4) станут неверными. Кроме того, ОУ может потерять устойчивость, и в схеме возникнет генерация.
Логометрический метод. Этот метод основан на измерении отношения двух токов /, и / 2 , один из которых протекает по цепи с измеряемым сопротивлением, а другой - по цепи, сопротивление которой известно. Оба тока создаются одним источником напряжения, поэтому нестабильность последнего практически не влияет на точность результата измерения. Принципиальная схема омметра на основе логометра представлена на рис. 10.7. Схема содержит измерительный механизм на основе логометра, магнитоэлектрической системы с двумя рамками, одна из которых при протекании тока создает отклоняющий, а другая - возвращающий момент. Измеряемое сопротивление может быть включено последовательно (рис. 10.7, а) или параллельно (рис. 10.7, б) относительно рамки измерительного механизма.
Рис. 10.7. Схемы омметров на основе логометра для измерения больших (а)
и малых (б) сопротивлений
Последовательное включение применяется при измерении средних и больших сопротивлений, параллельное - при измерении малых сопротивлений. Рассмотрим работу омметра на примере схемы рис. 10.7, а. Если пренебречь сопротивлением обмоток рамок логометра, то угол поворота подвижной части а зависит только от отношения сопротивлений: где /, и / 2 - токи через рамки логометра; Я 0 - сопротивление рамок логометра; /?, - известное сопротивление; Я х - измеряемое сопротивление.
Сопротивлением резистора /?, задается диапазон измеряемых омметром сопротивлений. Напряжение питания логометра влияет на чувствительность его измерительного механизма к изменению измеряемого сопротивления и не должно быть ниже определенного уровня. Обычно напряжение питания логометров устанавливают с некоторым запасом для того, чтобы его возможные колебания не влияли на точность результата измерения.
Выбор напряжения питания и способ его получения зависят от назначения омметра и диапазона измеряемых сопротивлений: при измерении малых и средних сопротивлений применяют сухие батареи, аккумуляторы или источники питания от промышленной сети, при измерении больших сопротивлений - специальные генераторы с напряжением 100, 500, 1000 В и более.
Логометрический метод применен в мегаомметрах ЭС0202/1Г и ЭС0202/2Г с внутренним электромеханическим генератором напряжения. Они применяются для измерения больших (10..10 9 Ом) электрических сопротивлений, для измерения сопротивления изоляции электрических проводов, кабелей, разъемов, трансформаторов, обмоток электрических машин и других устройств, а также для измерения поверхностных и объемных сопротивлений изоляционных материалов.
При измерении с помощью мегаомметра сопротивления электрической изоляции следует учитывать температуру и влажность окружающего воздуха, от значения которых зависят возможные неконтролируемые утечки тока.
Цифровые омметры применяются в научно-исследовательских, поверочных и ремонтных лабораториях, на промышленных предприятиях, изготовляющих резисторы, т. е. там, где требуется повышенная точность измерений. В этих омметрах предусматривается ручное, автоматическое и дистанционное управление диапазонами измерений. Вывод информации о диапазоне измерений, числовом значении измеряемой величины производится в параллельном двоично-десятичном коде.
Структурная схема омметра Щ306-2 представлена на рис. 10.8. Омметр включает в себя блок преобразования /, блок индикации 10, блок управления 9, блок питания, микроЭВМ 4 и блок вывода результатов 11.
Рис. 10.8. Структурная схема омметра типа Щ306-2
Блок преобразования содержит входной масштабный преобразователь 2, интегратор 8 и блок управления 3. Измеряемый резистор 7 подключается в цепь обратной связи операционного усилителя. Через измеряемый резистор в зависимости от такта измерения пропускается ток, соответствующий диапазону измерения, включая дополнительный ток, вызванный смещением нуля операционных усилителей. С выхода масштабного преобразователя напряжение подается на вход интегратора, выполненного по принципу многотактного интегрирования с измерением величины разрядного тока.
Алгоритм управления обеспечивает работу масштабного преобразователя и интегратора, а также связь с микроЭВМ.
В блоке управления происходит заполнение интервалов времени тактовыми импульсами, поступающими затем на входы четырех счетчиков старших и младших разрядов. Информация, полученная на выходах счетчиков, считывается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) микроЭВМ.
Съем информации с блока управления о результате измерения и режиме работы омметра, обработка и приведение данных к виду, необходимому для индикации, математическая обработка результата, вывод данных во вспомогательное ОЗУ блока управления, управление работой омметра и другие функции возложены на микропроцессор 5, расположенный в блоке микро-ЭВМ. В этом же блоке находятся стабилизаторы 6 для питания устройств омметра.
Омметр построен на микросхемах повышенной степени интеграции.
Технические характеристики
Диапазон измерений 10Л..10 9 Ом. Класс точности для пределов измерений: 0,01/0,002 для 100 Ом; 0,005/0,001 для 1,10, 100 кОм; 0,005/0,002 для 1 МОм; 0,01/0,005 для 10 МОм; 0,2/0,04 для 100 МОм; 0,5/0,1 для 1 Гом (в числителе даны значения в режиме без накопления данных, в знаменателе - с накоплением).
Число десятичных разрядов: 4,5 в диапазонах с верхним пределом 100 МОм, 1 ГОм; 5,5 в остальных диапазонах в режиме без суммирования, 6,5 в режиме с суммированием.
Портативные цифровые мультиметры, например серии М83 производства Мазїес/і могут использоваться как омметры класса точности 1.0 или 2.5.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств - измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).
ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Электрическое измерение - это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах (например, 3 А, 4 В). Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики и единицами механических величин. Поскольку "поддержание" единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют "практическими" эталонами единиц электрических величин. Такие эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Например, в США юридическую ответственность за поддержание эталонов единиц электрических величин несет Национальный институт стандартов и технологии. Время от времени проводятся эксперименты по уточнению соответствия между значениями эталонов единиц электрических величин и определениями этих единиц. В 1990 государственные метрологические лаборатории промышленно развитых стран подписали соглашение о согласовании всех практических эталонов единиц электрических величин между собой и с международными определениями единиц этих величин. Электрические измерения проводятся в соответствии с государственными эталонами единиц напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и емкости. Такие эталоны представляют собой устройства, имеющие стабильные электрические характеристики, или установки, в которых на основе некоего физического явления воспроизводится электрическая величина, вычисляемая по известным значениям фундаментальных физических констант. Эталоны ватта и ватт-часа не поддерживаются, так как более целесообразно вычислять значения этих единиц по определяющим уравнениям, связывающим их с единицами других величин. См. также
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН .
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы ("мультиметры") и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы - ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.
ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ
Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.
Аналого-цифровые преобразователи.
Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый "медленный". Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1-0,0003%. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4-0,002%), но зато время преобразования - от ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ10мкс до ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ1 мс. Параллельные АЦП - самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность - от 0,4 до 2%.
Методы дискретизации.
Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала; их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала ("в реальном времени"), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.
Цифровые вольтметры и мультиметры.
Цифровые вольтметры и мультиметры измеряют квазистатическое значение величины и указывают его в цифровой форме. Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение, обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление постоянному току и иногда температуру. Эти самые распространенные контрольно-измерительные приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2 до 0,001% могут иметь 3,5- или 4,5-значный цифровой дисплей. "Полуцелый" знак (разряд) - это условное указание на то, что дисплей может показывать числа, выходящие за пределы номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5-разрядный) дисплей в диапазоне 1-2 В может показывать напряжение до 1,999 В.
Измерители полных сопротивлений.
Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс) соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором. Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г. Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах, близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых значений. Большинство приборов могут показывать также производные величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.
АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ
Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на постоянном токе применяются аналоговые магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и многовитковой подвижной частью. Такие приборы стрелочного типа характеризуются погрешностью от 0,5 до 5%. Они просты и недороги (пример - автомобильные приборы, показывающие ток и температуру), но не применяются там, где требуется сколько-нибудь значительная точность.
Магнитоэлектрические приборы.
В таких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю. Момент этой силы уравновешивается моментом, создаваемым противодействующей пружиной, так что каждому значению тока соответствует определенное положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет форму многовитковой проволочной рамки с размерами от 3ґ5 до 25ґ35 мм и делается как можно более легкой. Подвижная часть, установленная на каменных подшипниках или подвешенная на металлической ленточке, помещается между полюсами сильного постоянного магнита. Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий момент, служат также токопроводами обмотки подвижной части. Магнитоэлектрический прибор реагирует на ток, проходящий по обмотке его подвижной части, а потому представляет собой амперметр или, точнее, миллиамперметр (так как верхний предел диапазона измерений не превышает примерно 50 мА). Его можно приспособить для измерения токов большей силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля полного измеряемого тока. Такое устройство пригодно для токов, измеряемых многими тысячами ампер. Если последовательно с обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор превратится в вольтметр. Падение напряжения на таком последовательном соединении равно произведению сопротивления резистора на ток, показываемый прибором, так что его шкалу можно проградуировать в вольтах. Чтобы сделать из магнитоэлектрического миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему последовательно измеряемые резисторы и подавать на это последовательное соединение постоянное напряжение, например от батареи питания. Ток в такой схеме не будет пропорционален сопротивлению, а потому необходима специальная шкала, корректирующая нелинейность. Тогда можно будет производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя и с не очень высокой точностью.
Гальванометры.
К магнитоэлектрическим приборам относятся и гальванометры - высокочувствительные приборы для измерения крайне малых токов. В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть подвешена на тонкой ленточке или нити, используется более сильное магнитное поле, а стрелка заменена зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 1). Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а угол его поворота оценивается по смещению отбрасываемого им светового зайчика на шкале, установленной на расстоянии около 1 м. Самые чувствительные гальванометры способны давать отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока всего лишь на 0,00001 мкА.
РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ
Регистрирующие приборы записывают "историю" изменения значения измеряемой величины. К таким приборам наиболее распространенных типов относятся ленточные самописцы, записывающие пером кривую изменения величины на диаграммной бумажной ленте, аналоговые электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса на экране электронно-лучевой трубки, и цифровые осциллографы, запоминающие однократные или редко повторяющиеся сигналы. Основное различие между этими приборами - в скорости записи. Ленточные самописцы с их движущимися механическими частями наиболее подходят для регистрации сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее. Электронные осциллографы же способны регистрировать сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей секунды до нескольких секунд.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ
Измерительный мост - это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой - нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется наивысшая точность измерения. (Для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001%. Простейший мост для измерения сопротивления носит имя своего изобретателя Ч.Уитстона.
Двойной измерительный мост постоянного тока.
К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом ошибка будет составлять 10%. Двойной измерительный мост (мост Томсона), схема которого представлена на рис. 2, предназначен для измерения сопротивления эталонных резисторов малого номинала. Сопротивление таких четырехполюсных эталонных резисторов определяют как отношение напряжения на их потенциальных зажимах (р1, р2 резистора Rs и р3, p4 резистора Rx на рис. 2) к току через их токовые зажимы (с1, с2 и с3, с4). При такой методике сопротивление присоединительных проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого сопротивления. Два дополнительных плеча m и n исключают влияние соединительного провода 1 между зажимами с2 и с3. Сопротивления m и n этих плеч подбирают так, чтобы выполнялось равенство M/m = N/n. Затем, изменяя сопротивление Rs, сводят разбаланс к нулю и находят Rx = Rs(N /M).
Измерительные мосты переменного тока.
Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50-60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц. Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла - Вина.
Измерительный мост Максвелла - Вина.
Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, их легче экранировать, и они практически не создают внешних электромагнитных полей. Условия равновесия этого измерительного моста таковы: Lx = R2R3C1 и Rx = (R2R3) /R1 (рис. 3). Мост уравновешивается даже в случае "нечистого" источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты), если величина Lx не зависит от частоты.
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.
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.
- измерения электрических величин: электрического напряжения, электрического сопротивления, силы тока, частоты и фазы переменного тока, мощности тока, электрической энергии, электрического заряда, индуктивности, электрической ёмкости и др.… … Большая советская энциклопедия
электрические измерения - — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN electrical measurementelectricity metering … Справочник технического переводчика
Э. измерительными аппаратами называют приборы и приспособления, служащие для измерения Э., а также и магнитных величин. Большая часть измерений сводится к определению силы тока, напряжения (разности потенциалов) и количества электричества.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона - совокупности соединенных определенным образом элементов и устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. Теория цепей раздел теоретической электротехники, в котором рассматриваются математические методы вычисления электрических… … Энциклопедия Кольера
измерения аэродинамические Энциклопедия «Авиация»
измерения аэродинамические - Рис. 1. измерения аэродинамические процесс нахождения опытным путём значений физических величин в аэродинамическом эксперименте с помощью соответствующих технических средств. Различают 2 типа И. а.: статические и динамические. При… … Энциклопедия «Авиация»
Электрические - 4. Электрические нормы проектирования радиотрансляционных сетей. М., Связьиздат, 1961. 80 с.
План
Введение
Измерители силы тока
Измерение напряжения
Комбинированные приборы магнитоэлектрической системы
Универсальные электронные измерительные приборы
Шунты измерительные
Приборы для измерения сопротивлений
Определение сопротивления заземления
Магнитный поток
Индукция
Список литературы
Введение
Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем, с помощью специальных технических средств – измерительных приборов.
Таким образом, измерение – это информационный процесс получения опытным путем численного отношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.
Результат измерения – именованной число, найденное путем измерения физической величины. Одна из основных задач измерения – оценка степени приближения или разности между истинным и действительным значениями измеряемой физической величины – погрешности измерения.
Основными параметрами электрических цепей являются: сила тока, напряжение, сопротивление, мощность тока. Для измерения этих параметров используют электроизмерительные приборы.
Измерение параметров электрических цепей осуществляется двумя способами: первый – прямой метод измерения, второй – косвенный метод измерения.
Прямой метод измерения подразумевает получения результата непосредственно из опыта. Косвенным измерением называют измерение, при котором искомая величина находится на основании известной зависимости между этой величиной и величиной, полученной в результате прямого измерения.
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.
Электроизмерительные приборы классифицируются следующем образом: по измеряемой и воспроизводимой физической величине (амперметр, вольтметр, омметр, частометр и др.); по назначению (измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства); по способу предоставления результатов измерений (показывающие и регистрирующие); по методу измерений (приборы непосредственно оценки и приборы сравнения); по способу применения и по конструкции (щитовые, переносные и стационарные); по принципу действия (электромеханические – магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, ферродинамические, индукционные, магнитодинамические; электронные; термоэлектрические; электрохимические).
В данном реферате я постараюсь рассказать об устройстве, принципе действия, дать описание и краткую характеристику электроизмерительным приборам электромеханического класса.
Измерение силы тока
Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах (рис.1). Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи (рис.2) , силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений - с шунтом или через трансформатор.
Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол, пропорциональной величине измеряемого тока.
Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.
Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными - силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.
Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.
Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействия между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах - через трансформатор.
Технические данные некоторых типов отечественных амперметров, миллиамперметров, микроамперметров, магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, а также тепловой систем приведены в таблице 1.
Таблица 1. Амперметры, миллиамперметры, микроамперметры
| Система прибора | Тип прибора | Класс точности | Пределы измерения |
| Магнитоэлектрическая | М109 | 0,5 | 1; 2; 5; 10 А |
| М109/1 | 0,5 | 1,5-3 А | |
| М45М | 1,0 | 75мВ | |
| 75-0-75мВ | |||
| М1-9 | 0,5 | 10-1000 мкА | |
| М109 | 0,5 | 2; 10; 50 мА | |
| 200 мА | |||
| М45М | 1,0 | 1,5-150 мА | |
| Электромагнитная | Э514/3 | 0,5 | 5-10 А |
| Э514/2 | 0,5 | 2,5-5 А | |
| Э514/1 | 0,5 | 1-2 А | |
| Э316 | 1,0 | 1-2 А | |
| 3316 | 1,0 | 2,5-5 А | |
| Э513/4 | 1,0 | 0,25-0,5-1 А | |
| Э513/3 | 0,5 | 50-100-200 мА | |
| Э513/2 | 0,5 | 25-50-100 мА | |
| Э513/1 | 0,5 | 10-20-40 мА | |
| Э316 | 1,0 | 10-20 мА | |
| Электродинамическая | Д510/1 | 0,5 | 0,1-0,2-0,5-1-2-5 А |
| Тепловая | Е15 | 1,0 | 30;50;100;300 мА |
Измерение напряжения
Вольтметр - измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях (рис. 3). Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии (рис.4).
По принципу действия вольтметры разделяются на: электромеханические - магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические; электронные - аналоговые и цифровые. По назначению: постоянного тока; переменного тока; импульсные; фазочувствительные; селективные; универсальные. По конструкции и способу применения: щитовые; переносные; стационарные. Технические данные некоторых отечественных вольтметров, милливольтметров магнитоэлектрической, электродинамической, электромагнитной, а также тепловой систем представлены в таблице 2.
Таблица 2. Вольтметры и милливольтметры
| Система прибора | Тип прибора | Класс точности | Пределы измерения |
| Электродинамическая | Д121 | 0,5 | 150-250 В |
| Д567 | 0,5 | 15-600 В | |
| Магнитоэлектрическая | М109 | 0,5 | 3-600 В |
| М250 | 0,5 | 3; 50; 200; 400 В | |
| М45М | 1,0 | 75 мВ; | |
| 75-0-75 мВ | |||
| 75-15-750-1500 мВ | |||
| М109 | 0,5 | 10-3000 мВ | |
| Электростатическая | С50/1 | 1,0 | 30 В |
| С50/5 | 1,0 | 600 В | |
| С50/8 | 1,0 | 3 кВ | |
| С96 | 1,5 | 7,5-15-30 кВ | |
| Электромагнитная | Э515/3 | 0,5 | 75-600 В |
| Э515/2 | 0,5 | 7,5-60 В | |
| Э512/1 | 0,5 | 1,5-15 В | |
| С электронным преобразователем | Ф534 | 0,5 | 0,3-300 В |
| Тепловая | Е16 | 1,5 | 0,75-50 В |
Для измерения в цепях постоянного тока используются комбинированные приборы магнитоэлектрической системы ампер-вольметры. Технические данные о некоторых типах приборов приведены в таблице 3.
Таблица 3. Комбинированные приборы магнитоэлектрической системы .
| Наименование | Тип | Класс точности | Пределы измерения |
| Милливольт-миллиамперметр | М82 | 0,5 | 15-3000 мВ; 0,15-60 мА |
| Вольтамперметр | М128 | 0,5 | 75 мВ-600 В; 5; 10; 20 А |
| Ампервольтметр | М231 | 1,5 | 75-0-75 мВ; 100-0-100 В;0,005-0-0,005 А; 10-0-10 А |
| Вольтамперметр | М253 | 0,5 | 15 мВ-600 В; 0,75 мА-3 А |
| Милливольт-миллиамперметр | М254 | 0,5 | 0,15-60 мА; 15-3000 мВ |
| Микроампервольтметр | М1201 | 0,5 | 3-750 В; 0,3-750 мкА |
| Вольтамперметр | М1107 | 0,2 | 45 мВ-600 В; 0,075 мА-30 А |
| Миллиампервольтметр | М45М | 1 | 7,5-150 В; 1,5 мА |
| Вольтомметр | М491 | 2,5 | 3-30-300-600 В;30-300-3000 кОм |
| Ампервольтомметр | М493 | 2,5 | 3-300 мА; 3-600 В; 3-300 кОм |
| Ампервольтомметр | М351 | 1 | 75 мВ-1500 В;15 мкА-3000 мА;200 Ом-200 Мом |
Технические данные о комбинированных приборах – ампервольметрах и ампервольтваттметрах для измерения напряжения и тока, а также мощности в цепях переменного тока.
Комбинированные переносные приборы для измерения в цепях постоянного и переменного токов обеспечивают измерение постоянных и переменных токов и сопротивлений, а некоторые – также емкость элементов в весьма широком диапазоне, отличаются компактностью, имеют автономное питание, что обеспечивает их широкое применение. Класс точности этого типа приборов на постоянном токе 2,5; на переменном – 4,0.
Универсальные электронные измерительные приборы
Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: ток, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т. д. Определение значений этих величин необходимо для оценки работы всех электротехнических устройств, чем и определяется исключительная важность измерений в электротехнике.
Электроизмерительные устройства широко применяются и для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и т. д.), которые для этой цели преобразуются в пропорциональные им. электрические величины. Такие методы измерений известны под общим названием электрических измерений неэлектрических величин. Применение электрических методов измерений дает возможность относительно просто передавать показания приборов на дальние расстояния (телеизмерение), управлять машинами и аппаратами (автоматическое регулирование), выполнять автоматически математические операции над измеряемыми величинами, просто записывать (например, на ленту) ход контролируемых процессов и т. д. Таким образом, электрические измерения необходимы при автоматизации самых различных производственных процессов.
В Советском Союзе развитие электроприборостроения идет параллельно с развитием электрификации страны и особенно быстро после Великой Отечественной войны. Высокое качество аппаратуры и необходимая точность измерительных приборов, находящихся в эксплуатации, гарантируются государственным надзором за всеми мерами и измерительными приборами.
Измерение любой физической величины заключается в ее сравнении посредством физического эксперимента с принятым за единицу значением соответствующей физической величины. В общем случае для такого сопоставления измеряемой величины с мерой - вещественным воспроизведением единицы измерения - нужен прибор сравнения. Например, образцовая катушка сопротивления применяется как мера сопротивления совместно с прибором сравнения - измерительным мостом.
Измерение существенно упрощается, если есть прибор непосредственного отсчета (называемый также показывающим прибором), показывающий численное значение измеряемой величины непосредственно на шкале или циферблате. Примерами могут служить амперметр, вольтметр, ваттметр, счетчик электрической энергии. При измерении таким прибором мера (например, образцовая катушка сопротивления) не нужна, но мера была нужна при градуировании шкалы этого прибора. Как правило, у приборов сравнения выше точность и чувствительность, но измерение приборами непосредственного отсчета проще, быстрее и дешевле.
В зависимости от того, как получаются результаты измерения, различают измерения прямые, косвенные и совокупные.
Если результат измерения непосредственно дает искомое значение исследуемой величины, то такое измерение принадлежит к числу прямых, например измерение тока амперметром.
Если измеряемую величину приходится определять на основании прямых измерений других физических величин, с которыми измеряемая величина связана определенной зависимостью, то измерение относится к косвенным. Например, косвенным будет измерение, сопротивления элемента электрической цепи при измерении напряжения вольтметром и тока амперметром.
Следует иметь в виду, что при косвенном измерении возможно существенное снижение точности по сравнению с точностью при прямом измерении из-за сложения погрешностей прямых измерений величин, входящих в расчетные уравнения.
В ряде случаев конечный результат измерения выводился из результатов нескольких групп прямых или косвенных измерений отдельных величин, причем исследуемая величина зависит от измеренных величин. Такое измерение называют совокупным. Например, к совокупным измерениям относится определение температурного коэффициента электрического сопротивления материала на основании измерения сопротивления материала при различных температурах. Совокупные измерения характерны для лабораторных исследований.
В зависимости от способа применения приборов и мер принято различать следующие основные методы измерения: непосредственного измерения, нулевой и дифференциальный.
При пользовании методом непосредственного измерения (или непосредственного отсчета) измеряемая величина определяется путем
непосредственного отсчета показания измерительного прибора или непосредственного сравнения с мерой данной физической величины (измерение тока амперметром, измерение длины метром). В этом случае верхним пределом точности измерения является точность измерительного показывающего прибора, которая не может быть очень высокой.
При измерении нулевым методом образцовая (известная) величина (или эффект ее действия) регулируется и значение ее доводится до равенства со значением измеряемой величины (или эффектом ее действия). При помощи измерительного прибора в этом случае лишь добиваются равенства. Прибор должен быть высокой чувствительности, и он именуется нулевым прибором или нуль-индикатором. В качестве нулевых приборов при постоянном токе обычно применяются магнитоэлектрические гальванометры (см. § 12.7), а при переменном токе - электронные нуль-индикаторы. Точность измерения нулевым методом очень высока и в основном определяется точностью образцовых мер и чувствительностью нулевых приборов. Среди нулевых методов электрических измерений важнейшими являются мостовые и компенсационные.
Еще большая точность может быть достигнута при дифференциальных методах измерения. В этих случаях измеряемая величина уравновешивается известной величиной, но до полного равновесия измерительная цепь не доводится, а путем прямого отсчета измеряется разность измеряемой и известной величин. Дифференциальные методы применяются для сравнения двух величин, значения которых мало отличаются один от другого.
