Электрическая энергия, ее особенности и область применения

Общие сведения об электроизмерительных приборах
Электроизмерительные приборы предназначены для измерения различных величин и параметров электрической цепи: напряжения, силы тока, мощности, частоты, сопротивления, индуктивности, емкости и др.
На схемах электроизмерительные приборы изображаются условными графическими обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.729-68 «Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы электроизмерительные».
Рисунок 1. Условные графические обозначения электроизмерительных приборов
Для указания назначения электроизмерительного прибора в его общее обозначение вписывают конкретизирующее условное обозначение, установленное в стандартах, или буквенное обозначение единиц измерения прибора согласно ГОСТ 23217‑78 «Приборы электроизмерительные аналоговые с непосредственным отсчетом. Наносимые условные обозначения»

Электромеханические измерительные приборы
По принципу действия электромеханические приборы подразделяются на приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, индукционной, электростатической систем. Условные обозначения систем приведены в таблице. Наибольшее распространение получили приборы первых трех типов: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические.

Способы включения приборов в цепь
Амперметры включают в цепь последовательно с нагрузкой, вольтметры — параллельно, ваттметры и счетчики, как имеющие две обмотки (токовую и напряжения), включают последовательно-параллельно (рис. 2.).
Рисунок 2. Схемы включения электроизмерительных приборов
в электрическую цепь

Для расширения пределов измерения приборов применяют:
в цепи постоянного тока для амперметров — шунты. При этом на шкале амперметра обязательно указывается тип применяемого шунта, для вольтметров — добавочные резисторы.
В цепи переменного тока для амперметров — трансформаторы тока (ТА), для вольтметров — трансформаторы напряжения (ТV).
Рис. 1.3. Способы расширения пределов измерения приборов:
а — в цепи постоянного тока; б — в цепи переменного тока

Цена деления многопредельных амперметров, вольтметров, ваттметров определяется по формуле
где Iн, Uн — пределы, на которые установлены переключатели тока и напряжения у многопредельных приборов, или номинальные пределы измерений у однопредельных приборов;
N — число делений шкалы прибора.
Измеряемая величина определяется по формулам:
где n — число делений, показываемое стрелкой прибора при измерении.
Особенности измерения цифровыми электронными приборами
Цифровые электроизмерительные приборы бывают для измерения как одной величины, например напряжения постоянного тока, так и нескольких величин, например тока, напряжения, сопротивления. Такие универсальные приборы называют мультиметрами.
Мультиметры имеют два вида переключателей: переключатель рода измеряемой величины — напряжения или тока постоянного или переменного, сопротивления, частоты и переключатель предела измерения. Кроме того, имеются клеммы или гнезда для подключения измерительных проводов.

Достоинства электронных приборов:
высокое входное сопротивление, что позволяет проводить измерения без влияния на цепь; широкий диапазон измерений;
высокая чувствительность;
широкий частотный диапазон;
высокая точность измерений.
Погрешности измерений и измерительных приборов
Качество средств и результатов измерений принято характеризовать указанием их погрешностей. Разновидностей погрешностей около 30.
Следует иметь в виду, что погрешности средств измерений и погрешности результатов измерений — понятия не идентичные.
В зависимости от решаемых задач используются несколько способов представления погрешности, чаще всего абсолютная, относительная и приведенная.
Абсолютная погрешность — измеряется в тех же единицах что и измеряемая величина. Характеризует величину возможного отклонения истинного значения измеряемой величины от измеренного.
Относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к значению величины. Если мы хотим определить погрешность на всем интервале измерений, мы должны найти максимальное значение отношения на интервале. Измеряется в безразмерных единицах.
Класс точности — относительная погрешность, выраженная в процентах. Обычно значения класса точности выбираются из ряда: 0,1; 0,5: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и т. д.

Понятия абсолютной и относительной погрешностей применяют и к измерениям, и к средствам измерения, а приведенная погрешность оценивает только точность средств измерения.
Абсолютная погрешность измерения — это разность между измеренным значением х и ее истинным значением хи:
Обычно истинное значение измеряемой величины неизвестно, и вместо него в формулу подставляют значение величины, измеряемой более точным прибором, т. е. имеющим меньшую погрешность, чем прибор, дающий значение х.
Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины.
Относительная погрешность δ измерения равна отношению абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины и выражается в процентах:
По относительной погрешности измерения проводят оценку точности измерения.
Приведенная погрешность измерительного прибора γ определяется как отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению xN и выражается в процентах
(1.1)
(1.2)
(1.3)

Нормирующее значение обычно принимают равным верхнему пределу рабочей части шкалы, у которой нулевая отметка находится на краю шкалы.
Приведенная погрешность определяет точность измерительного прибора, не зависит от измеряемой величины и имеет единственное значение для данного прибора.
Из (1.3) следует, что для приборов абсолютная погрешность Δ-величина, постоянная по всей шкале, тогда как относительная погрешность измерения δ, тем больше, чем меньше измеряемая величина х по отношению к пределу измерения прибора хN.
Многие измерительные приборы различаются по классам точности. Класс точности прибора G — обобщенная характеристика, которая характеризует точность прибора, но не является непосредственной характеристикой точности измерения, выполняемого с помощью данного прибора.
Класс точности прибора численно равен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности, вычисленной в процентах.
Для амперметров и вольтметров установлены следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0.
Эти числа наносятся на шкалу прибора. Например, класс 1 характеризует гарантированные границы погрешности в процентах (±1%, например, от конечного значения 100 В, т. е. ±1 В) в нормальных условиях эксплуатации.
По международной классификации приборы с классом точности 0,5 и точнее считаются точными или образцовыми, а приборы с классом точности 1,0 и грубее — рабочими. Все приборы подлежат периодической поверке на соответствие метрологических характеристик, в том числе и класса точности, их паспортным значениям.

При этом образцовый прибор должен быть точнее поверяемого через класс, а именно: поверка прибора с классом точности 4,0 проводится прибором с классом точности 1,5, а поверка прибора с классом точности 1,0 проводится прибором с классом точности 0,2.
Поскольку на шкале прибора приводится и класс точности прибора G, и предел измерения XN, то абсолютная погрешность прибора определяется из формулы (1.3):
Связь относительной погрешности измерения δ с классом точности прибора G выражается формулой
откуда следует, что относительная погрешность измерения равна классу точности прибора только при измерении предельной величины на шкале, т. е. когда х = XN. С уменьшением
измеряемой величины относительная погрешность возрастает.
Во сколько раз XN > х, во столько раз δ > G. Поэтому рекомендуется выбирать пределы измерения показывающего прибора так, чтобы отсчитывать показания в пределах последней трети шкалы, ближе к ее концу.
(1.4)
(1.5)

Представление результата измерений при однократных измерениях
Результат измерения состоит из оценки измеряемой величины и погрешности измерения, характеризующей точность измерения. По МИ 1317-86 «Методические указания. Государственная система обеспечения единства измерений. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров» результат измерения представляют в форме:
(1.6)
где А — результат измерения;
Δ — абсолютная погрешность прибора;
Р — вероятность при статистической обработке данных.
При этом А и Δ должны оканчиваться цифрами одинакового разряда, а погрешность Δ не должна иметь более двух значащих цифр.
Если при обработке данных теория вероятности не применялась, то вероятность Р не указывают.
Измерения, проводимые при выполнении большинства работ, относятся к техническим, которые выполняют однократно.
Погрешность прямых однократных измерений определяется погрешностью измерительного прибора γ.

Пример. Измеряют напряжение сети U щитовым вольтметром типа Э-377, класса точности 1,5, с пределом шкалы 250 В. Показание вольтметра U = 215 В.
Сначала определяют абсолютную погрешность вольтметра:
Затем записывают результат измерения с оценкой погрешности:
Относительная погрешность измерения составляет:
В окончательном ответе должно быть записано: «Измерение проведено с относительной погрешностью δ = 1,7%. Измеренное напряжение U = (215 ± 4) В».
Косвенные измерения и их погрешности
Косвенным измерением называется измерение, при котором искомая величина находится по известной зависимости между этой величиной и другими величинами, полученными в результате прямых измерений.
Например, сопротивление R можно определить по формуле R = U/I, где напряжение U и ток I измерены вольтметром и амперметром соответственно.
Выражения для абсолютной и относительной погрешностей некоторых функциональных зависимостей приведены в таблице.