Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Измерения постоянных токов и напряжений Наивысшая точность измерений постоянных токов и напряжений определяется точностью государственных первичных эталонов единицы силы постоянного электрического тока (ГОСТ 8.022—75) и единицы электродвижущей силы (ГОСТ 8.027—81). Государственные первичные эталоны обеспечивают воспроизведение соответствующей единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений (5 0 ), не превышающим 4-10 -6 для силы постоянного тока и 5-10 -8 для ЭДС, при неисключенной систематической погрешности (Э о ), не превышающей, соответственно, 8 • 10 -6 и I -10 -6 . Из рабочих средств измерений постоянных токов и напряжений наименьшую погрешность измерений дают компенсаторы постоянного тока. Например, компенсатор (потенциометр) типа Р332 имеет класс точности 0,0005 и позволяет измерять постоянные ЭДС и напряжения в диапазоне от 10 нВ до 2,1211111 В. Постоянные токи измеряют с помощью компенсаторов косвенно с использованием катушек электрического сопротивления. При использовании катушек электрического сопротивления типа Р324 класса точности 0,002 и компенсатора типа Р332 можно измерять токи с погрешностью не более ±0,0025 %. Компенсаторы используют при точных измерениях постоянных токов, ЭДС и напряжений и для поверки менее точных средств измерений. Наиболее распространенными средствами измерений постоянных токов и напряжений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры) и вольтметры (микро-, милли-, киловольт-метры), а также универсальные и комбинированные приборы (например, микровольтнаноамперметры, нановольтамперметры и т. п.). Для измерений весьма малых постоянных токов и напряжений применяют электрометры и фотогальванометрические приборы. В качестве примера можно указать цифровые универсальные микровольтметры- электрометры типа В7-29 с диапазоном измерений постоянного тока от 10 -17 до 10 -13 А и типа В7-30 с диапазоном измерений тока от 10 -15 и до 10 -7 А. Примером фотогальванометрических приборов является нановольтамперметр типа Р341, имеющий наименьший диапазон измерений постоянных токов 0,5— 0—0,5 нА и постоянных напряжений 50—0—50 нВ. При измерении малых и средних значений постоянных токов и напряжений наибольшее распространение получили цифровые и магнитоэлектрические приборы. Измерения больших постоянных токов осуществляют, как правило, магнитоэлектрическими килоамперметрами с использованием наружных шунтов, а весьма больших токов — с использованием трансформаторов постоянного тока. Для измерений больших постоянных напряжений используют магнитоэлектрические и электростатические киловольтметры. Измерения постоянных токов и напряжений можно выполнять и другими приборами. Следует иметь в виду, что электродинамические амперметры и вольтметры редко используют для технических измерений токов и напряжений в цепях постоянного тока. Их чаще применяют (наряду с цифровыми и магнитоэлектрическими приборами высоких классов точности) в качестве образцовых приборов при поверке средств измерений более низкого класса точности. 43 Термоэлектрические приборы для измерения больших постоянных токов и напряжений неприменяется, так как применять их в цепях постоянного тока нецелесообразно из-за относительно большой мощности, потребляемой ими из цепи измерения. Измерения переменных токов и напряжений В основу измерений переменных токов и напряжений положены государственный специальный эталон, воспроизводящий силу тока 0,01 — 10 А в диапазоне частот 40—1 • 10 5 Гц (ГОСТ 8.183—76), и государственный специальный эталон, воспроизводящий напряжение 0,1 — 10 В в диапазоне частот 20—3-10 7 Гц (ГОСТ 8.184—76). Точность этих эталонов зависит от размера и частоты вопроизводимых величин. Среднее квадратическое отклонение результата" измерений для эталона переменного тока S o =1•10 -5 - 1•10 -4 при неисключенной систематической погрешности S о =3*10 - 4 -4,2*10 -4 Для эталона переменного напряжения эти погрешности равны, соответственно, S o ==5* 10 -6 - 5*10 -5 и S o = 1 • 10 -5 Рабочими средствами измерений переменных токов и напряжений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры), вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), компенсаторы переменного тока, универсальные и комбинированные приборы, а также регистрирующие приборы и электронные осциллографы. Особенностью измерений переменных токов и напряжений является то, что они изменяются во времени. В общем случае изменяющаяся во времени величина может быть полностью представлена мгновенными значениями в любой момент времени. Переменные во времени величины могут быть также охарактеризованы своими отдельными параметрами (например, амплитудой) или интегральными параметрами, в качестве которых используют действующее значение где x{t) — изменяющаяся во времени величина. Таким образом при измерении переменных токов и напряжений могут измеряться их действующие, амплитудные, средневыпрямленные, средние и мгновенные значения. В практике электрических измерений чаще всего приходится измерять синусоидальные переменные токи и напряжения, которые обычно характеризуются действующим значением. Поэтому подавляющее большинство средств измерений переменных токов и напряжений градуируются в действующих значениях для синусоидальной формы кривой тока или напряжения. Измерения действующих значений переменных токов и напряжений осуществляют различными средствами измерений. Малые переменные токи измеряют цифровыми, электронными и выпрямительными приборами, малые переменные напряжения — электронными вольтметрами. Наиболее широкий диапазон измерений переменных токов при прямом включении средств измерений обеспечивают выпрямительные приборы. Они имеют относительно широкий диапазон и при измерении переменных напряжений. Эти приборы делают, как правило, многопредельными. Следует также учесть, что эти приборы при отключении выпрямителя используются как магнитоэлектрические приборы для измерений постоянных токов и напряжений. 44 Переменные токи свыше килоампера и переменные напряжения свыше киловольта измеряют с помощью наружных измерительных трансформаторов тока или напряжения электромагнитными, выпрямительными и электродинамическими приборами. Измерения высоких переменных напряжений (до 75 кВ) при прямом включении средств измерений позволяют осуществлять электростатические киловольтметры, например киловольтметр типа С100. В наиболее широком частотном диапазоне при измерении переменных токов работают термоэлектрические и электронные приборы, а при измерении переменных напряжений — электронные и электростатические приборы. Термоэлектрические вольтметры имеют ограниченное применение из-за большой мощности, потребляемой ими из цепи измерения. В наиболее узком частотном диапазоне работают электродинамические и электромагнитные приборы. Верхняя граница их частотного диапазона обычно не превышает единиц килогерц. При измерениях действующих значений переменных токов и напряжений, форма кривой которых отличается от синусоидальной, возникает дополнительная погрешность. Эта погрешность минимальна у средств измерений, работающих в широкой полосе частот, при условии, что выходной сигнал этих средств определяется действующим значением входной величины. Наименее чувствительны к изменению формы кривой переменных токов и напряжений термоэлектрические, электростатические и электронные приборы. Наиболее точные измерения действующих значений синусоидальных токов и напряжений можно осуществить электродинамическими приборами, цифровыми приборами и компенсаторами переменного тока. Однако погрешность измерений переменных токов и напряжений больше, чем постоянных. Отметим некоторые особенности измерений токов и напряжений в трехфазных цепях. В общем случае в несимметричных трехфазных цепях число необходимых средств измерений токов и напряжений соответствует числу измеряемых величин, если каждая измеряемая величина измеряется своим прибором. При измерениях в симметричных трехфазных цепях достаточно произвести измерение тока или напряжения только в одной линии (фазе), так как в этом случае все линейные (фазные) токи и напряжения равны между собой. Связь между линейными и фазными токами и напряжениями зависит от схемы включения нагрузки. Известно, что для симметричных трехфазных цепей эта связь определяется соотношениями: I л = Iф и U л = ф U 3 при соединении нагрузки звездой и I л = 3 Iф и U л =U ф при соединении на- грузки треугольником. В несимметричных трехфазных цепях при измерениях токов и напряжений с помощью измерительных трансформаторов можно сэкономить на количестве используемых измерительных трансформаторов. 45 Для примера на рисунке 9.1, а приведена схема измерений трех линейных токов с использованием двух измерительных трансформаторов тока, а на рисунке 9.1, б — аналогичная схема измерений линейных напряжений. Рисунок 9.1 - Схема для измерения токов (а) и напряжений (б) в трехфазной цепи Эти схемы основаны на известных соотношениях для трехфазных цепей: I А + I в + I с = 0 и U АВ + U вс + U СА = 0. В схеме измерений токов токи I А иI в измеряются амперметрами А и Л2 с учетом коэффициентов трансформации К\ и Ki измерительных транс- форматоров тока, т. е. 1 А = К\1\ и I в = K 2 h- Амперметр А 3 включен таким образом, что через него течет сумма токов, т. е. Iз = = I 1 +I 2 . Если /Ci = /C 2 , то Kh = KIi + Kh = i A +i B '=-ic- Так как знак «минус» означает изменение фазы тока, а показания амперметров, как известно, не зависят от фазы измеряемого тока, то, следовательно, по показанию амперметра Аз можно определить ток 1 С =К1 3 . Следует иметь в виду, что для правильного суммирования токов необходимо следить за правильностью включения генераторных зажимов измерительных трансформаторов. Неправильное включение генераторных зажимов одного из трансформаторов (в первичной или вторичной цепи) приведет к изменению фазы одного из суммируемых токов и результат получится неправильный. Схема для измерений линейных напряжений работает аналогично. Подобные схемы могут быть использованы для измерения фазных токов и напряжений. Для измерений токов и напряжений в трехфазных цепях можно использовать средства измерений этих величин, предназначенные для однофазных цепей. Кроме этих средств, промышленностью выпускаются специ- альные приборы для измерения в трехфазных цепях, позволяющие более быстро и удобно выполнить необходимые измерения. Среднее значение переменного тока или напряжения характеризует постоянную составляющую, содержащуюся в измеряемом токе или напряжении. Для измерений средних значений переменных токов и напряжений обычно применяют магнитоэлектрические приборы. Следует иметь в виду, что при измерении переменных токов и напряжений большое значение имеет частота измеряемой величины. Частотный диапазон измеряемых токов и напряжений весьма широк: от долей герца (инфранизкие частоты) до сотен мегагерц и более. 46 Всем средствам измерений переменных токов и напряжений присуща частотная погрешность, обусловленная изменением сопротивлений индуктивных и емкостных элементов средств измерений с изменением частоты, потерями на перемагничивание ферромагнитных материалов, потерями на вихревые токи в металлических деталях средств измерений, влиянием паразитных индуктивностей и емкостей (на высоких частотах). Эти причины не позволяют получить одинаковую точность измерений во всем указанном диапазоне частот. В документации на средства измерений переменных токов и напряжений обязательно указывается область частот, в которой гарантируется определенная точность измерений данным средством. Измерение сопротивлений с помощью омметров На практике зачастую не всегда обязательна высокая точность измерений сопротивления, емкости или индуктивности. В этом случае возможно использование электромеханических приборов с различными измерительными цепями, позволяющими измерить указанные параметры. В приборах для непосредственного измерения сопротивления – омметрах (рисунок 9.2), в качестве измерительного механизма которых используется магнитоэлектрический механизм. В схеме с последовательным включением измерительного сопротивления (рисунок 9.2,а) ток равен r R R U I Д Х , а для параллельной схемы включения ) / ( Х Д Д R R r r R U I Если использовать заранее известное напряжение, то шкала прибора может быть проградуирована в Омах. Так как напряжение с течением времени может изменяться, в омметрах данного типа необходимо вводить поправку, которая осуществляется регулировкой резистора R Д . В схеме последовательного омметра указатель устанавливается на нулевую отметку при замкнутом ключе S, а для параллельного омметра- при разомкнутом ключе S на отметку «». Омметры с последовательной схемой применяются для измерения сопротивлений от 10 до 10 5 Ом, с параллельной схемой – от 1 до 10-50 Ом. В омметрах с логометрическим измерительным механизмом (рисунок 9.2,в) показания не зависит от питающего напряжения, так как отклонение подвижной части логометра пропорционально отношению токов, протекающих через обе части обмотки 1 2 r F R R r F Н Х Д Так как шкалы омметров неравномерны, то за нормирующее значение при определении их основной приведенной погрешности принимается длина шкалы и под цифрой, обозначающей класс точности, ставится знак «V» (например, 1,5). 47 Рисунок 9.2 - Измерение сопротивлений омметрами. Измерение сопротивлений методом амперметра и вольтметра Метод амперметра и вольтметра является косвенным методом измерения и применяется для ориентировочных измерений относительно малых сопротивлений. Значение измеряемого сопротивления R Х независимо от схемы включения (см. рисунок 9.2) подсчитывается, исходя из результатов измерений напряжения U и тока I, протекающего через R Х : I U R X Точность измерения зависит от точности применяемых приборов и методической погрешности, обусловленной собственным потреблением амперметра и вольтметра. В схеме (см. рисунок 9.3,а) вольтметр показывает падение напряжений на R Х и внутреннем сопротивлении r a амперметра, а амперметр- значение тока в цепи с R Х Рисунок 9.3 - Измерения сопротивления методом вольтметра и амперметра Относительная погрешность метода измерения составит % 100 ХД R r , где а Х ХД r R R - действительное значение измеряемого сопротивления. Для схемы рисунок 9.3,б вольтметр показывает значение напряжения на зажимах R Х , а амперметр- сумму токов через R Х и обмотку вольтметра r v Следовательно, относительная методическая погрешность будет равна % 100 v X r R 48 Включение приборов по схеме (см. рисунок 9.3,б) следует применять при R X < 4 2 R R G R X Контрольные вопросы: 1. В чем заключается особенности измерения переменных токов и напряжении? 2. Какими методами можно измерить силы токов и напряжения переменного тока? 3. Как измеряют сопротивления косвенным путем? Лекция 10. Измерение мощности и энергии в цепях постоянного и переменного тока. Измерение мощности. Измерения реактивной мощности, коэффициента мощности в цепях переменного тока Измерение мощности и энергии в цепях постоянного и переменного тока В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока, активную мощность и энергию однофазного и трехфазного переменного тока, реактивную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновенное значение мощности, а также количество электричества в очень широких пределах. Так, мощность постоянного и однофазного переменного тока измеряют в диапазоне от 10 -18 до 10 10 Вт, причем нижний предел относится к мощности переменного тока высоких частот радиотехнических устройств. Требуемая точность измерения мощности постоянного и переменного тока различна для разных частотных диапазонов. Для постоянного и переменного однофазного и трехфазного тока примышленной частоты погрешность должна находиться в пределах ± (0,01- 0,1) %; при сверхвысоких частотах погрешность может быть выше ± (1 - 5 %). Измерение мощности Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока применяют электродинамические и ферродинамические ваттметры. Для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц) выпускают электродинамические ваттметры в виде переносных приборов классов точности 0,1- 0,5. Для измерений мощности в производственных условиях в цепях переменного тока промышленной или более высоких фиксированных частот (400, 500 Гц) применяют щитовые ферродинамические ваттметры классов точности 1,5-2,5. Для измерений мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры. При измерениях малых мощностей на сверхвысоких частотах возможно использование электрометров. 49 Для измерений мощности при больших токах и напряжениях ваттметры обычно включают через измерительные трансформаторы тока и напряжения. Находят применение также косвенные методы измерения мощности постоянного и однофазного переменного тока. Мощность постоянного тока можно определить с помощью двух приборов: амперметра и вольтметра, а мощность однофазного переменного тока — с помощью трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра (или измерителя коэффициента мощности). При различных схемах включения приборов значения методических погрешностей измерения мощности оказываются различными, зависящими от соотношений сопротивлений приборов и нагрузки (аналогично погрешностям ваттметра). При косвенном измерении мощности необходимо производить одновременный отсчет по двум или трем приборам. Кроме того, при этом снижается точность измерения за счет суммирования инструментальных погрешностей приборов. Например, прямые измерения мощности однофазного переменного тока могут быть проведены с наименьшей погрешностью ±0,1 %, в то время как при косвенных измерениях мощности измерение только коэффици- ента мощности возможно с наименьшей погрешностью ±0,5 %, а следовательно, общая погрешность будет превышать ±0,5 %. Измерение энергии постоянного тока осуществляют с помощью счетчиков постоянного тока. Энергию однофазного переменного тока измеряют индукционными счетчиками электрической энергии. Электрическую энергию можно измерять также с помощью электронных счетчиков электрической энергии, не имеющих подвижных частей. Такие счетчики обладают лучшими метрологическими характеристиками и большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии. В цепях однофазного переменного тока измерение реактивной мощности и энергии выполняют обычно лишь при лабораторных исследованиях. При этом под реактивной мощностью понимают Q = UI sin ф. Реактивная мощность однофазной цепи может быть измерена как с помощью трех приборов (косвенный метод), так и специальным ваттметром, имеющим усложненную схему параллельной цепи с целью получения фазового сдвига между векторами тока и напряжения этой цепи, равного 90°. Рисунок 10. 1 - Схема включения ваттметра электродинамической системы Мощность в цепях переменного тока может измеряться: 50 1) косвенно, с помощью амперметра, вольтметра, фазометра: P = U · I · cos φ 2) непосредственно с помощью ваттметра электродинамической (ферродинамической) системы (рисунок 1). Значения активной мощности в однофазной цепи переменного тока определяют по формуле: cos I U P , где U –напряжения приемника, В; I – ток приемника, А; - фазовый сдвиг между напряжением и током. Из формулы видно, что мощность в однофазной цепи переменного тока можно определить косвенным путем, если включить три прибора: амперметр, вольтметр и фазометр. |