Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Нормальные элементы. Однозначной мерой ЭДС и напряжения является нормальный элемент, представляющий собой специальный химический источник электрической энергии, ЭДС которого известна с большой точностью и при неизменной внешней температуре отличается большим постоянством во времени. Нормальные элементы могут иметь классы точности от 0,0002 до 0,02. Стабилизированные источники напряжения. В настоящее время в качестве мер электрического напряжения часто применяют стабилизированные 22 источники напряжения. Например, стабилизированный источник напряжения постоянного тока П36-1 при отклонении питающего напряжения на ± 10% имеет выходное напряжение при номинальном токе нагрузки 1 мА постоянным в пределах (1,5000 ±0,0001) В. К многозначным мерам относят измерительные генераторы, калибраторы напряжения, тока и фазового сдвига, измерительные конденсаторы переменной емкости, вариометры — меры переменной индуктивности, магазины сопротивлений, емкости, индуктивности, взаимной индуктивности. Измерительные генераторы. Измерительные генераторы — это источники переменного тока и напряжения, форма которых заранее известна, а частота, амплитуда и некоторые другие параметры могут регулироваться в определенных пределах и отсчитываться с гарантированной точностью. По назначению и спектру частот они делятся на генераторы синусоидальных сигналов (от сотых долей герца до 1 • 10 10 Гц), шумовых сигналов, импульсных сигналов и сигналов специальной формы. Генераторы синусоидальных сигналов низких частот (до 10 5 Гц) имеют погрешность установки частоты ± (0,1—3)%, а погрешность установки напряжения ±(1—6)%. Масштабирующие измерительные преобразователи: шунты, делители напряжения, усилители, измерительные трансформаторы Для расширения диапазона измерения у измерителя тока в определенное число раз применяется шунты. Если необходимо измерять большие токи, то параллельно измерительному механизму подключают шунтирующее сопротивление R ш , такое, чтобы через измерительный механизм протекал максимальный ток (полное отклонение указателя измерительного прибора). Если конечное значение нужного диапазона измерения I в в n раз больше чем допустимы ток измерительного механизма, то значение сопротивления шунта рассчитывается следующим образом׃ M ш R 1 n 1 R , где M e I I n - коэффициент шунтирования. Шунты изготавливается из специального материала - манганина. В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты обычно помещают в корпусе прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Шунты могут быть многопредельными, т. е. состоящими из нескольких резисторов, или имеющими несколько отводов, что позволяет изменять коэффициент шунтирования. Классы точности шунтов от 0,02 до 0,5. Шунты применяют с различными средствами измерений, однако в основном их используют в цепях постоянного тока в магнитоэлектрических приборах. Шунты с измерительными механизмами других типов не применяют из-за малой чувствительности этих механизмов, что приводит к существенному увеличению размеров шунтов и потребляемой ими мощности. Кроме того, при использовании шунтов на переменном токе возникает дополнительная 23 погрешность от изменения частоты, так как с изменением частоты сопротивления шунта и измерительного механизма изменяются неодинаково. Делители напряжения. Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяют делители напряжения, которые в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление. Серийно выпускают делители напряжения, предназначенные для расширения пределов измерений компенсаторов постоянного тока. Такие делители выполняют из резисторов на основе манганина. Они имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0,0005 до 0,01. Для увеличения верхнего предела измерения средства измерений, например предела измерения вольтметра, имеющего, внутреннее сопротивление R v , применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с вольтметром. При этом добавочный резистор и вольтметр образуют делитель напряжения. Со- противление добавочного резистора определяют по формуле R доб = = R v *[(U x /U v ) - 1], где U x — измеряемое напряжение; U v — падение напряжения на вольтметре; R v — внутреннее сопротивление вольтметра. Добавочные резисторы делают из манганиновой проволоки и используют в цепях постоянного и переменного тока (до 20 кГц). Они бывают встраиваемые внутрь прибора и наружные. Серийно выпускают калиброванные добавочные резисторы, применяемые с любым прибором, имеющим указанный номинальный ток. Классы точности калиброванных добавочных резисторов от 0,01 до 1. Добавочные резисторы применяют для преобразования напряжения до 30 кВ. Номинальный ток добавочных резисторов от 0,5 до 30 мА. Измерительные усилители. Для усиления сигналов постоянного и переменного тока, т. е. для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов, применяют измерительные усилители. По диапазону частот усиливаемых сигналов измерительные усилители бывают для постоянного тока и напряжения, низкочастотными (20 Гц — 200 кГц), высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот. Измерительные усилители выполняют с нормированной погрешностью коэффициента передачи. Находят применение электронные и фотогальванометрические усилители. Применение электронных измерительных усилителей позволяет измерять сигналы от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью от 0,1 до 1 %. При меньших усиливаемых токах и напряжениях применяют фотогальванометрические усилители. Для усиления токов и напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением используют электрометрические усилители, отличающиеся большим входным сопротивлением (до 10 12 Ом). Серийно выпускаемые измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал 10 В или 5 мА. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Эти трансформаторы применяются совместно с измерительными приборами для расширения их пределов измерения (рис.5.1). Измерительный трансформатор 24 напряжения представляет собой понижающий трансформатор с таким отношением витков w 1 /w 2 , чтобы при U 1 = U сети ; U 2 = 100 В. Во вторичную цепь включаются вольтметры, частотомеры, обмотки напряжения ваттметров, счетчиков и фазометров. Так как электрическое сопротивление этих приборов велико (порядка 1000 0м), то трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу. Такой режим связан с большими магнитными потерями, а это, в свою очередь, приводит к увеличению размеров магнитопровода и устройству специального масляного охлаждения. Измерительные трансформаторы тока (см. рисунок 6.1) применяются для включения в сеть амперметров, обмоток тока ваттметров, счетчиков и фазометров. Первичная обмотка трансформатора тока выполняется из провода большого поперечного сечения и включается в цепь последовательно. Вторичная обмотка выполняется всегда на ток I 2 = 5А. Рабочий режим трансформатора тока близок к короткому замыканию, поэтому размеры магнитопровода у него значительно меньше, чем у трансформатора напряжения. Для определения напряжения или тока в цепи необходимо показания приборов умножить на коэффициент трансформации измерительных трансформаторов. В целях безопасности нельзя оставлять вторичную обмотку трансформатора тока разомкнутой, если первичная включена в сеть. В этом режиме напряжение U 2 возрастает до нескольких тысяч вольт. Рисунок 6.1- Измерительные трансформаторы тока и напряжения Разновидностью измерительного трансформатора тока являются токоизмерительные клещи с разъемным магнитопроводом, где роль первичной обмотки выполняет сам провод, по которому течет измеряемый ток. Контрольные вопросы: 1. Какие преобразователи относится к масштабирующим? 2. Для чего применяется шунты? 3. Каким способом можно расширит диапазона измерения измерителя напряжения? 4. Как определяется результат измерения при измерении через измерительных трансформаторов? 25 Лекция 7. Электромеханические приборы. Общие сведения. Магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, электростатические, и индукционные приборы. Выпрямительные приборы. Электромеханические преобразователи. Общие сведения Электромеханические преобразователи составляют одну из самых многочисленных групп аналоговых измерительных преобразователей (ИП) и широко применяются для преобразования постоянных и переменных токов, напряжений и других электрических и неэлектрических величин, а также используются в качестве составных частей более сложных электронных измерительных приборов. Основными достоинствами этих преобразователей являются их относительная простота и невысокая стоимость, достаточно высокие надежность и точность. Электромеханические преобразователи в общем случае состоят из двух основных функциональных частей (см. рисунок 7.1): измерительной цепи (ИЦ) и измерительного механизма (преобразователя) размещенных в общем корпусе. Рисунок 7.1- Структурная схема аналогового электромеханического прибора Измерительная цепь может представлять собой последовательное соединение различных измерительных преобразователей: первичных, масштабных, передающих, преобразователей рода электрических величин (например, у выпрямительных и термоэлектрических приборов) - или может вырождаться в отдельный измерительный преобразователь у простейших однопредельных приборов. Измерительная цепь – обеспечивает преобразование электрической величины Х в промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной Х и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом. Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота α. В состав электромеханических кроме измерительной цепи и измерительного механизма входит отсчетное устройства. Отсчетное устройство – состоит из указателя, связанного с измерительным механизмом и шкалы. Указатели – бывают стрелочные (механические) и световые. 26 Шкала – совокупность отметок, представляющих ряд последовательных чисел вдоль какой либо линии. По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге 180°) и круговые (при дуге > 180°). Классификация электромеханических преобразователей Дополнительно к общей классификации измерительных преобразователей, приведенной в [1], электромеханические преобразователи можно классифицировать по ряду характерных для них признаков. Все электромеханические преобразователи в зависимости от принципа действия, т.е. от способа преобразования электромагнитной энергии измерительного сигнала в механическую энергию перемещения подвижной части преобразователя, можно дифференцировать на следующие основные группы: магнитоэлектрический механизм; магнитоэлектрический механизм логометрического типа; электромагнитный механизм; электромагнитный механизм логометрического типа; электромагнитный поляризованный механизм; электродинамический механизм; электродинамический механизм логометрического типа; ферродинамический механизм; ферродинамический механизм логометрического типа; электростатический механизм: измерительный механизм индукционного типа. 27 Наряду с дифференциацией электромеханических преобразователей по принципу действия их можно классифицировать и по другим признакам. В зависимости от способа создания противодействующего момента различаются: - преобразователи с механическим противодействующим моментом; - преобразователи с электрическим противодействующим моментом (логометры). По виду используемого отсчетного устройства электромеханические преобразователи подразделяются следующим образом: - преобразователи с механическими указателями - стрелочные; - преобразователи со световыми указателями. В зависимости от пределов допускаемой приведенной погрешности электромеханические преобразователи делятся на классы точности. В частности для электромеханических амперметров, вольтметров и ваттметров установлены следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2;:0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0. По роду основной измеряемой величины электромеханические ИП классифицируются на амперметры, вольтметры, ваттметры, омметры, фазометры, частотомеры, гальванометры и др. И, наконец, по своим размерам электромеханические преобразователи могут быть миниатюрными, малых, средних и больших габаритов. Магнитоэлектрические приборы Приборы этой системы (см. рисунок 7.2) содержат постоянный магнит - 1, к которому крепятся полюса - 2. В межполюсном пространстве расположен стальной цилиндр - 3 с наклеенной на него рамкой - 4. Ток в рамку подается через две спиральные пружины -5. Рисунок 7.2- Магнитоэлектрическая система Принцип действия прибора основан на взаимодействии тока в рамке с магнитным полем полюсов. Это взаимодействие вызывает вращающий момент, под действием которого рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол. Спиральная пружина, в свою очередь, вызывает противодействующий момент. Так как вращающий момент пропорционален току, M=kI, а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин M пр =Dα, то можно написать:M=M пр =kI=Dα , где k и 28 D - коэффициенты пропорциональности. Из написанного следует, что угол поворота рамки а ток в катушке где S I =α/I - чувствительность прибора к току, определяемая числом делений шкалы, соответствующая единице тока; C I - постоянная по току, известная для каждого прибора. Следовательно, измеряемый ток можно определить произведением угла поворота (отсчитывается по шкале) и постоянной по току C I К достоинствам этой системы относят высокую точность и чувствительность, малое потребление энергии. Из недостатков следует отметить сложность конструкции, чувствительность к перегрузкам, возможность измерять только постоянный ток (без дополнительных средств). Электромагнитные приборы В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферромагнитный (чаще пермоллоевый) лепесток. Устройство измерительного механизма электромагнитного типа показано на рисунке. Приборы этой системы (см. рисунок 7.3) имеют неподвижную катушку - 1 и подвижную часть в виде стального сердечника - 2, связанного с индикаторной стрелкой - 3 противодействующей пружины - 4. Измеряемый ток, проходя по катушке, намагничивает сердечник и втягивает его в катушку. При равенстве вращающего и тормозящего моментов система успокоится. По углу поворота подвижной части определяют измеряемый ток. Рисунок 7.3- Электромагнитная система Среднее значение вращающего момента пропорционально квадрату измеряемого тока: 29 Так как тормозящий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части, уравнение шкалы прибора запишем в виде: Другими словами, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату действующего значения переменного тока. Вращающий момент в данной системе определяется как: , где - производная энергии по углу перемещения сердечника. I - измеряемый ток. - производная индуктивности катушки по углу перемещения сердечника. При включении прибора в цепь переменного тока среднее за период значение вращающего момента определяется выражением: где m(t)- мгновенное значение вращающего момента. I m - максимальное значение тока, протекающего по катушке. Уравнение шкалы прибора выглядит следующим образом: Из уравнения видно, что шкала не равномерна и носит квадратичный характер. Для уменьшения неравномерности шкалы прибора необходимо, чтобы чувствительность была также неравномерна в зависимости от угла поворота. Это достигается выбором формы лепестка. Чувствительность электромагнитного измерительного механизма определяется выражением: Достоинства электромагнитных приборов: Пригодность для работы в цепях постоянного переменного тока; большая перегрузочная способность; возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений; простота конструкции. Недостатки электромагнитных приборов. Неравномерная шкала; невысокая чувствительность; большое самопотребление мощности; подверженность влиянию изменения частоты; подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры. 30 Промышленностью выпускаются приборы на токи 0…100А, на напряжения 0…600В, с классами точности 1 и ниже и частотным диапазоном до 1000 Гц. К главным достоинствам электромагнитной силы относятся: простота конструкции, надежность в работе, стойкость к перегрузкам. Из недостатков отмечаются: низкая чувствительность, большое потребление энергии, небольшая точность измерения, неравномерная шкала. Электродинамические измерительные приборы Электродинамический измерительный механизм работает по принципу взаимодействия магнитных потоков двух катушек. Электродинамический механизм состоит из двух катушек. Одна из них подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, протекающие по этим катушкам и магнитные потоки ими образуемые при своем взаимодействии создают вращающий момент. Устройство электродинамического механизма и векторная диаграмма, поясняющая его работу, приведены на рисунке 7.4. Электромагнитная энергия, запасенная в данной системе определяется выражением: где: L н и L п - индуктивности, соответственно, неподвижной и подвижной катушек. I н и I п - токи неподвижной и подвижной катушек. М н.п. - коэффициент взаимной индуктивности между неподвижной и подвижной катушками. Рисунок 7.4 - Электродинамическая система Вращающий момент, возникающий в данном механизме, определяется как: Если учесть, что L н и L п , а также I н и I п не зависят от пространственного положения катушек, после дифференцирования можно записать: 31 При этом условии угол перемещения подвижной части будет определятся как: При включении в цепь синусоидального тока по катушкам будут протекать токи: по неподвижной - , по подвижной Мгновенное значение вращающего момента: Среднее за период значение вращающего момента: - угол сдвига между векторами токов (см. векторную диаграмму). Тогда уравнение шкалы для данного механизма будут иметь вид: Если чувствительность прибора обозначить как: уравнение шкалы будет иметь вид: От сюда видно, что: т.е. данный механизм пригоден для измерения активной мощности цепи и применяется в ваттметрах. Из уравнения видно, что шкала электродинамической системы имеет квадратичный характер. Для устранения этого недостатка подбирают геометрические размеры катушек таким образом, чтобы получить шкалу, близкую к равномерной. Приборы электродинамической системы чаще всего используются для измерения мощности, т.е. в качестве ваттметров, тогда: Приборы электродинамической системы имеют малую чувствительность и большое самопотребление. Применяются в основном при токах 0.1…10А и напряжениях до 300 В. Основным достоинством прибора является высокая точность измерения. К недостаткам относятся малая перегрузочная способность, низкая чувствительность к малым сигналам, заметное влияние внешних магнитных полей. |