Электрические измерения. Электрические измерения 12. 1 Значение электрических измерений

• Название: Электрические измерения 12. 1 Значение электрических измерений
• Анкор: Электрические измерения.doc
• Дата: 23.05.2018
• Размер: 0.69 Mb.
• Имя файла: Электрические измерения.doc
• Тип: Документы; #19564
• страница: 1 из 6

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
12.1 ЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
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.
12.2 МЕРЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
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.
12.3 ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ И КЛАССЫ ТОЧНОСТИ
Точность измерения характеризуется его возможными погрешностями. Эти погрешности при каждом конкретном измерении не должны превышать некоторого определенного значения. В зависимости от способа числового выражения различают погрешности абсолютные и относительные, а применительно к показывающим приборам — еще и приведенные.

Абсолютная погрешность ∆А — это разность между измеренным Л_из и действительным А значениями измеряемой величины:

∆А = А_из-А.

Например, амперметр показывает А_из = 9 А, а действительное значение тока А = 8,9 А, следовательно, ∆А =0,1 А.

Чтобы определить действительное значение величины, нужно к измеренному значению прибавить поправку — абсолютную погрешность, взятую с обратным знаком.

Точность измерения оценивается обычно не абсолютной, а относительной погрешностью — выраженным в процентах отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой . величины:

γ_о = (∆А/А)·100%
а так как разница между А и A_из обычно относительно мала, то практически в большинстве случаев можно считать, что у = = (∆A/A_из)·100 %

Для приведенного примера измерения тока относительная погрешность у₀= (0,1/9)·100 % = 1,11 %.

Однако оценивать по относительной погрешности точность самых распространенных показывающих приборов со стрелочным указателем неудобно. Дело в том, что абсолютная погрешность ∆А у них имеет обычно один и тот же порядок вдоль всей шкалы. При постоянной абсолютной погрешности ∆А с уменьшением измеряемой величины А_из быстро растет относительная погрешность (рис. 12.1). Поэтому рекомендуется выбирать пределы измерения показывающего прибора так, чтобы отсчитывать показания в пределах второй половины шкалы, ближе к ее концу.

Для оценки точности самих показывающих измерительных приборов служит их приведенная погрешность. Так называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности показания ∆А к А _ном — номинальному значению, соответствующему наибольшему показанию прибора:

у_пр = (А/А_ном)·100о/₀. (12.1)

Если в рассмотренном примере предел измерения амперметра A _ном = 10 А, то приведенная погрешность у_пр = (0,1/10)-100 % = 1 %

Погрешности прибора обусловливаются недостатками самого прибора и внешними влияниями. Приведенная погрешность, зависящая лишь от самого прибора, называется основной погрешностью. Нормальные рабочие условия — это температура окружающей среды 20 °С (или та, которая обозначена на шкале прибора), нормальное рабочее положение прибора (указанное условным знаком на его шкале), отсутствие вблизи прибора ферромагнитных масс и внешних магнитных полей (кроме земного) и прочие нормальные условия (номинальные: напряжение, частота тока, синусоидальная форма кривой тока и т. д.).

Допускаемая основная погрешность электроизмерительного прибора определяет его класс точности. Обозначением класса точности служит допускаемая основная погрешность приборов, принадлежащих к этому классу: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Принадлежность прибора к определенному классу указывает, что основная погрешность прибора на всех делениях шкалы не превышает значения, определяемого классом точности этого прибора (например, у прибора класса 1 допускаемая основная погрешность 1 %). Отклонение внешних условий от нормальных вызывает дополнительные погрешности.

В зависимости от чувствительности к внешним магнитным или электрическим полям электроизмерительные приборы делятся на две категории: I — приборы менее чувствительные и II — приборы

более чувствительные.

Для правильного применения электроизмерительного прибора важны его технические особенности. Эти особенности указываются на шкале прибора условными обозначениями, приведенными в табл. 12.1. 12.4. ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ

Включение измерительного прибора в исследуемую электрическую цепь неизбежно в некоторой степени изменяет ее режим работы. Это изменение вызывается по существу тем, что работающий прибор потребляет некоторую энергию. Поэтому при исследовании объектов малой мощности могут существенно исказиться результаты. Желательно, чтобы собственное потребление энергии измерительным прибором было возможно меньше.

Простейшим примером влияния собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты, измерения может служить измерение сопротивления резистора (при постоянном токе) при помощи вольтметра и амперметра с вычислением по закону Ома. Для такого измерения возможны две схемы включения приборов (рис. 12.2), причем в обоих случаях для точного измерения сопротивления резистора необходимо учесть влияние собственного потребления энергии приборами.

Таблица 12.1. Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов






Прибор трехфазного тока для неравномерной нагрузки фаз
Прибор трехфазного тока с двухэлементным измерительным механизмом
Защита от внешних магнитных полей, например 2 мТл
Защита от внешних электрических полей, например 10 кВ/м
Класс точности при нормировании погрешности в процентах от диапазона измерения, например 1,5

То же при нормировании погрешности в процентах от длины шкалы, например 1,5

Горизонтальное положение шкалы
Вертикальное положение шкалы

Наклонное положение шкалы под определенным углом к горизонту, например 60°
Направление ориентировки прибора в земном магнитном поле
Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением, например 2 кВ
Прибор испытанию прочности изоляции не подлежит
Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу не соответствует нормам (знак выполняется красного цвета)


В схеме рис. 12.2, а амперметр измеряет ток / в резисторе с сопротивлением г, а вольтметр измеряет напряжение U'= U + r_АI, где r_А— сопротивление амперметра, т. е. напряжение, равное сумме напряжения Uна резисторе и напряжения между выводами амперметра. Следовательно, на основании закона Ома определяется сумма сопротивлений резистора и амперметра:

U'/I = r' = r+r_A

Действительное значение сопротивления резистора

r = r'(1-r_A/r').

Очевидно, что ошибка измерения будет тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра.

При измерении по схеме рис. 12.2, б вольтметр присоединен непосредственно к выводам резистора и показывает напряжение U на резисторе, а амперметр измеряет сумму токов в резисторе и в цепи вольтметра: I' = I + IvТаким образом, в этом случае на основании показаний приборов определяется п
роводимость

где r_v— сопротивление вольтметра.

Чтобы определить проводимость объекта измерения — резистора, нужно из найденной проводимости вычесть проводимость вольтметра:



т. е.



Чем больше сопротивление вольтметра r_v, тем меньше поправка к результатам измерения.

При измерении мощности ваттметром также неизбежно влияние

его собственного потребления энергии на результаты измерения. Две основные схемы такого измерения (рис. 12.3) соответствуют двум вышеприведенным схемам измерения сопротивления: в первом случае погрешность вызвана сопротивлением цепи тока ваттметра r_А, во втором случае — собственным потреблением энергии цепи напряжения ваттметра.

В схеме рис. 12.3, а ваттметр измеряет кроме мощности Р в сопротивлении нагрузки еще и мощность потерь в сопротивлении собственной цепи тока, т. е.

Р_из = Р + r_АI²

Если мощность измеряется по схеме рис. 12.3, б, то ваттметр измеряет кроме мощности в сопротивлении нагрузки еще и мощность потерь в своей цепи напряжения, т. е.

P_из = P + gvU²

При переменном токе учет поправок осложняется тем, что сопротивления цепей переменного тока — величины комплексные.

Чем меньше мощности контролируемых цепей, тем существеннее влияние собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты измерений. В частности, эти влияния обычно значительны в цепях управления автоматики и в цепях электронных устройств.
12.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ УЗЛЫ ПОКАЗЫВАЮЩИХ ПРИБОРОВ
В показывающих измерительных приборах прямого отсчета подвижная часть под действием измеряемой величины перемещается по отношению к неподвижной. По конструкции отсчетного устройства

различают показывающие приборы со стрелочным и со световым указателями. Общей особенностью этих приборов является установка подвижной части на растяжках, на осях или на подвесе.

Установка на растяжках применяется в большинстве изготовляемых в настоящее время показывающих приборов. Растяжки — это упругие ленты из бериллиевой и оловянно-цинковой бронзы. Подвижная часть подвешивается на двух растяжках (рис. 12.4), а концы последних крепятся к двум плоским пружинам. Растяжки могут служить для подвода тока в подвижную часть прибора, а их закручивание создает противодействующий момент.

Установка на опорах в недалеком прошлом применялась почти во всех показывающих измерительных приборах прямого отсчета. Подвижная часть при такой установке укрепляется на оси (рис. 12.5), обычно легкой алюминиевой трубке. В концы последней запрессовываются опоры прибора — два отрезка стальной проволоки, называемые кернами. Керны устанавливаются в конических кратерах подпятников. Кратеры выточены в полудрагоценных камнях (синтетический агат, корунд и др.), которые завальцовываются в опорные винты. Последние позволяют плавно регулировать положение камня по отношению к керну. При вертикальном положении оси трение значительно меньше, чем при горизонтальном. По этой причине у большинства приборов высших классов точности рабочее положение шкалы — горизонтальное, которому соответствует вертикальная ось. Недостатком установки на опорах (по сравнению с установкой на растяжках) является трение в подпятниках; из-за него увеличивается в несколько раз собственное потребление энергии прибором и возникает дополнительная погрешность показаний, возрастающая по мере износа кернов.

Установка на подвесе — металлической или кварцевой нити (рис. 12.6) — применяется в приборах особо высокой чувствительности, например в гальванометрах. У приборов с такой установкой должен быть уровнемер, так как при подвесе положение подвижной части по отношению к неподвижной зависит от положения прибора. Световой указатель применяется в большинстве приборов высокой чувствительности — стрелку заменяет луч света от специального источника. Внутри прибора помещается лампа 1 (рис. 12.7). Ее луч света проходит через фокусирующую линзу 2 и диафрагму 3, а затем направляется на зеркальце 4, укрепленное на подвижной части. Отразившись от этого зеркальца, а затем от неподвижных зеркал 5 и 6, луч света образует световую круглую метку на шкале, начало, и конец которой соответствуют положениям 7 и 8. Так увеличивается длина пути луча, и следовательно, повышается чувствительность прибора.

Применение многократного отражения луча внутри прибора дает возможность в ряде случаев заменить зеркальный гальванометр с подвижной частью на подвесе (см. рис. 12.6) и отдельными осветителем и шкалой (прибор, требующий тщательно выполненной постоянной установки) переносным прибором со световым указателем. Но применение светового указателя требует специального питания для лампы осветителя и существенно усложняет внутреннее устройство прибора. Закручивание растяжек и нити подвеса в показывающих приборах используется для получения противодействующего момента. В приборах с установкой подвижной части на осях для создания этого момента служат спиральные пружины (1 на рис. 12.8), изготовляемые из фосфорной бронзы.

Противодействующий момент должен иметь направление, противоположное направлению вращающего момента, чтобы отклонение подвижной части было однозначной функцией измеряемой величины. При отсутствии противодействующего момента стрелка указателя прибора при любом значении вращающего момента уходила бы за край шкалы.

Вследствие температурных влияний, остаточных деформаций, а чаще всего вследствие механических толчков при перегрузках стрелка неработающего прибора может находиться не на нулевом делении. Корректор служит для возвращения стрелки на нуль шкалы, воздействуя на положение точек крепления растяжек или нити подвеса. В случае применения пружины 1 (рис. 12.8) к корректору прикрепляется один ее конец. Второй конец пружины прикрепляется к оси 2 подвижной части. Стрелку 5 можно смещать посредством поводка 3, поворачивая винт 4, укрепленный на корпусе прибора. Для уравновешивания подвижной части прибора на ней укрепляют грузила — противовесы 6. Показания уравновешенного прибора почти не зависят от его положения.