Электроизмерительные приборы — это средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. К ним относятся, например, амперметр, вольтметр, ваттметр.

По способу представления результата измерения измерительные приборы делятся на аналоговые, в которых показания являются непрерывными, и цифровые, показания которых представляются дискретными величинами — цифрами.

По характеру применения измерительные приборы могут быть стационарными и переносными.
По роду измеряемой величины измерительные приборы делятся на приборы для измерения постоянных величин и изменяющихся во времени величин.

По виду измеряемой величины различают приборы для измерения тока (амперметр), напряжения (вольтметр), сопротивления (омметр), частоты (частотомер), энергии (счетчик) и т. д.

Большую группу электроизмерительных приборов составляют электромеханические показывающие приборы.
Электромеханический прибор состоит из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства. Измерительная цепь является преобразователем измеряемой величины х в некоторую промежуточную электрическую величину у, функционально связанную с величиной х, т. е. y=f(x). Электрическая величина у, которой является ток или напряжение, непосредственно воздействует на измерительный механизм (ИМ), являющийся основой электромеханического прибора и имеющий подвижную и неподвижную части.

Наиболее распространены механизмы, в которых механические силы возникают при воздействии магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом или током, на проводник с током. Вращающий момент М_вр, действующий на подвижную часть, является в этом случае функцией измеряемой величины х (тока или напряжения), т. е. М_вр = f(x). Кроме этого, на подвижную часть влияет противодействующий момент М_пр, создаваемый при помощи растяжек или спиральных пружинок при их закручивании: М_пр = Kα, где К — удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания; α — угол поворота подвижной части.

Противодействующие спирали и пружины выполняются, как правило, из бронзы. Один конец их прикрепляется к подвижной части измерительного механизма, а другой — к неподвижной части прибора. Закручивание пружины или спирали происходит до тех пор, пока вращающий момент М_вр не будет равен противодействующему М_пр. Для создания противодействующего момента применяют не одну, а две пружины, устанавливая их с разных сторон подвижной части измерительного механизма ИМ (рис. 11.1, а), где 1 — подвижная рамка, 2 — противодействующие пружины. Таким образом, установившееся отклонение подвижной части и укрепленного на ней указателя характеризуется равенством:
М_вр=M_пр

Чтобы подвижная часть быстрее установилась, механизмы снабжают так называемыми успокоителями, создающими момент успокоения. На рис. 11.1, б приведен пример построения магнитоиндукционного успокоителя, состоящего из постоянного магнита 1 и алюминиевого диска 2, жестко скрепленного с подвижной частью измерительного механизма. Успокоение создается за счет взаимодействия токов, индуцированных в диске при его перемещении в магнитном поле постоянного магнита.

В зависимости от физических явлений, положенных в основу создания вращающего момента, различают следующие измерительные механизмы: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, индукционные.

Магнитоэлектрический механизм

Магнитоэлектрический механизм содержит постоянный магнит, магнитопровод и катушку с током.

Магнитная система измерительного механизма (рис. 11.2) состоит из постоянного магнита 1 и замкнутого магнитопровода 2. В рабочем зазоре между ними образуется равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В. Подвижная катушка 3, выполненная из тонкого изолированного провода, намотанного на алюминиевый каркас, помещена в рабочем зазоре и укреплена на осях. Концы обмотки электрически соединены со спиральными пружинками, по которым измеряемый ток I поступает в катушку. При наличии тока на активную длину l витка обмотки действует сила F, равная, согласно закону Ампера, F=BlwI, где w — число витков обмотки.

Под действием пары таких сил на обеих активных сторонах катушки создается вращающий момент М_вр, который прямо пропорционален току. Под действием М_вр подвижная часть ИМ вместе с указателем поворачивается на некоторый угол α, который пропорционален току I.
Магнитоэлектрические приборы, в которых используются магнитоэлектрические ИМ, применяют для измерения постоянных токов (амперметры), напряжений (вольтметры), сопротивлений (омметры) и т. д.
Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры отличаются высокой точностью, равномерностью шкалы, обладают малым потреблением энергии от объекта измерения. К недостаткам этих приборов относятся: непригодность к работе в цепях переменного тока, чувствительность к перегрузкам и зависимость показаний от окружающей температуры.

Магнитоэлектрические ИМ служат и для измерения в цепях переменного тока, но только в сочетании с различными преобразователями переменного тока в постоянный. К таким приборам относятся, например, выпрямительные, термоэлектрические.

Выпрямительные приборы

Выпрямительные приборы (рис. 11.3) представляют собой сочетание магнитоэлектрического ИМ и выпрямительного устройства, состоящего, как правило, из двух диодов и более. Выпрямительные устройства (рис. 11.3, а) преобразуют переменный ток в пульсирующий однополярный i_П (рис. 11.3, б). Подвижная часть ИМ, обладающая инерцией, реагирует на среднее значение этого пульсирующего тока — I_СР.

Шкала выпрямительного прибора градуируется в действующих значениях синусоидального тока (напряжения).

Выпрямительные приборы часто выполняются в виде комбинированных многопредельных — в одном приборе сочетаются амперметр, вольтметр и омметр, каждый на несколько пределов измерения.

Достоинствами выпрямительных приборов являются: высокая чувствительность (наименьшие пределы измерения 0,25 … …0,3 мА; 0,3 В), малое собственное потребление энергии, так как используются магнитоэлектрические ИМ. К недостаткам относятся: неравномерность шкалы в начале (в пределах до 15% от предела измерения), невысокая точность (высший класс точности 1,0).

Электромагнитный механизм

Электромагнитный механизм (рис. 11.4) состоит из неподвижной катушки 1 и укрепленной на оси 3 подвижной пластинки 2 из магнитомягкого материала. При включении катушки в цепь постоянного тока создается магнитное поле, которое намагничивает пластинку, и она втягивается внутрь катушки. Возникающий при этом вращающий момент пропорционален квадрату тока.

Подвижная часть ИМ, обладающая инерцией, реагирует на среднее значение момента.
Часто квадратичную шкалу выравнивают, подбирая соответствующую форму ферромагнитной пластинки.

Электромагнитные приборы, построенные на базе электромагнитных ИМ, применяют для измерения в цепях постоянного и переменного тока в качестве амперметров, вольтметров и фазометров.

Амперметры изготовляют одно- и многопредельными путем секционирования катушки. Вольтметры также выполняются многопредельными путем использования ряда добавочных резисторов.

Электромагнитные приборы являются одними из самых распространенных щитовых приборов для измерений в цепях переменного тока. Они просты по устройству, не имея токоподвижных частей, хорошо переносят перегрузки. Недостатками этих приборов являются: невысокая точность, большое собственное потребление энергии (до 10 Вт), ограниченный частотный диапазон,, чувствительность к внешним магнитным полям.

Щитовые амперметры выпускают классов 1,0; 1,5; 2,5 на токи прямого включения до 300 А. Щитовые вольтметры тех же классов точности выпускают на напряжения до 600 В с прямым включением.

Электродинамический механизм

Электродинамический механизм (рис. 11.5) состоит из неподвижной 1 и подвижкой 2 катушек. Катушка 2 укреплена на растяжках и может поворачиваться вокруг оси внутри двух секций неподвижной катушки. При наличии в катушках постоянных токов I₁ и I₂ возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть катушку 2 соосно с катушкой 1. В результате возникает вращающий момент: M_BP=K₁I₁I₂, где K₁ — коэффициент, учитывающий изменение взаимной индуктивности подвижной и неподвижной катушек.

Вращающий момент электродинамического ИМ пропорционален произведению действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига фаз между ними.

Электродинамические приборы, в которых используются электродинамические механизмы, применяют в цепях постоянного и переменного тока в основном для измерения тока, напряжения и мощности.

Электродинамические амперметры обычно выполняются на два предела измерения, что достигается различием схем включения катушек: на малые токи — по схеме рис. 11.6, а, на большие токи — по схеме рис. 11.6, б. В первом случае ток I_Х проходит через неподвижную 1 и подвижную 2 катушки, соединенные последовательно. Во втором случае катушки соединяются параллельно. В электродинамическом приборе отклонение подвижной части ИМ пропорционально квадрату измеряемого тока I_Х.

Индукционный механизм

Индукционный механизм (рис. 11.7) состоит из двух неподвижных магнитопроводов 1 и 2 с обмотками и подвижного алюминиевого диска 3, укрепленного на оси. Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, создаваемые синусоидальными токами i₁, и i₂ и пронизывающие диск, смещены в пространстве. При этих условиях в диске создается вращающееся магнитное поле, под влиянием которого диск приходит во вращение.

При этом вращающий момент относительно оси диска пропорционален частоте, произведению действующих значений токов и синусу угла сдвига фаз между токами.

Индукционные приборы на базе индукционных механизмов используют главным образом в качестве одно- и трехфазных счетчиков энергии переменного тока. По точности счетчики делятся на классы 1,0; 2,0 и 2,5.

Электростатический механизм

Электростатический механизм (рис. 11.8) состоит из двух (и более) металлических изолированных пластин, выполняющих роль электродов. На неподвижные пластины 1 подается потенциал одного знака, а на подвижные 2 — потенциал другого знака. Подвижная пластина вместе с указателем 3 укреплена на оси и под действием сил электрического поля между пластинами поворачивается. При постоянном напряжении U между пластинами емкостью С вращающий момент пропорционален зарядам q = CU на пластинах.

При синусоидальном напряжении U = U_m sin ωt подвижная часть механизма реагирует на среднее значение момента: M_BP*СР=K₂U² (где U – действующее значение напряжения).

Электростатические приборы, в которых используется электростатический механизм, применяются в качестве вольтметров постоянного и переменного тока.

Угол отклонения указателя электростатического прибора пропорционален квадрату напряжения, т. е. шкала является квадратичной. Подбором формы электродов (пластин) можно получить практически равномерную шкалу.

Электростатические вольтметры отличаются малым собственным потреблением энергии, широким частотным диапазоном (до 10 МГц), нечувствительностью к внешним магнитным полям, колебаниям температуры, их показания не зависят от формы кривой измеряемого напряжения. К недостаткам этих приборов следует отнести сравнительно низкую чувствительность (без предварительных усилителей сигналов их нижний предел измерения составляет 10 В), необходимость электростатического экранирования от внешних электрических полей.

Характеристики шкал измерительных приборов >