УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ. Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения
 Скачать 6.36 Mb.
|
|
Тема 2.6 Измерение магнитных величин Измерения магнитных величин чрезвычайно разнообразны не только из-за видов магнитных полей (постоянного, переменного, импульсного), их различной интенсивности и пространственной направленности, но и тех многочисленных информативных параметров магнитных величин, которые подлежат определению в электромагнитных полях: магнитные потоки, индукция, напряженность магнитного поля, магнитный момент, магнитная проницаемость, намагниченность и ряд других. Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений определяются обычно всего несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H. Причем во многих способах измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. Интересующая нас магнитная величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами. Единицы магнитных величин воспроизводятся с помощью соответствующих эталонов. У нас в стране имеется первичный эталон магнитной индукции и первичный эталон магнитного потока. Для передачи размера единиц магнитных величин от первичных эталонов рабочим средствам измерений используют рабочие эталоны, образцовые и рабочие меры магнитных величин и образцовые средства измерений. Примером передачи размера единиц может служить градуировка или поверка приборов для измерения магнитных величин, которая проводится с помощью мер магнитных величин и образцовых средств измерений. В качестве меры магнитной индукции (напряженности магнитного поля) могут быть использованы катушки специальной конструкции (например, кольца Гельмгольца, соленоид), по обмоткам которых протекает постоянный ток, постоянные магниты. В качестве меры магнитного потока обычно используют взаимоиндуктивную меру магнитного потока, состоящую из двух гальванически не связанных между собой обмоток и воспроизводящую магнитный поток, сцепляющийся с одной из обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический ток. В настоящее время известно много разнообразных приборов и способов для измерения магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля. Как правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из двух частей — измерительного преобразователя, назначением которого является преобразование магнитной величины в величину иного вида (электрическую, механическую), более удобную для дальнейших операций, и измерительного устройства для измерения выходной величины измерительного преобразователя. Измерительные преобразователи, входной величиной которых является магнитная величина, называют магнито измерительными и в соответствии с видом выходной величины делят на три основные группы: - магнитоэлектрические преобразователи (выходная величина электрическая); - магнитомеханические (выходная величина механическая); - магнитооптические (выходная величина оптическая). В каждой из этих групп много разновидностей преобразователей, основой для создания которых служат те или иные физические явления. В качестве основных, наиболее широко используемых явлений могут быть следующие: - явление электромагнитной индукции; - силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного магнита или контура с током; - гальваномагнитные явления; - явление изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле; - явления, возникающие при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем. Измерения при помощи баллистического гальванометра. Для измерения магнитного потока к гальванометру необходимо присоединить измерительную рамку с некоторым числом витков w, находящуюся в исследуемом постоянном магнитном поле. Витки рамки будут охватывать некоторый поток Фх. В основу действия данного прибора положен принцип, согласно с которым первый наибольший отброс указателя баллистического гальванометра пропорционален числу потокосцеплений магнитного потока с витками измерительной рамки. Рисунок 2.100 - Схема применения баллистического гальванометра для определения зависимости B=f(H). На кольцевой сердечник 1 из исследуемой стали накладывают две обмотки: намагничивающую 2 и измерительную 3. К измерительной обмотке подключается баллистический гальванометр. Намагничивающая обмотка питается от источника постоянного тока 4 через амперметр и реостат. Переключатель 5 позволяет изменять направление тока в обмотке. Напряженность магнитного поля внутри кольцевого соленоида может быть подсчитана на основании закона полного тока по формулам: (90) где wi — число витков намагничивающей обмотки; l — значение тока, A; lср — средняя длина силовой магнитной линии в салиноиде, отмеченная на рис. пунктиром и легко вычисляемая по геометрическим размерам испытуемого образца. Для определения зависимости B=f(H) в намагничивающей обмотке устанавливают ток, соответствующий заданному значению H и заранее подсчитанный по приведенной формуле, затем быстро изменяют направление тока в обмотке при помощи переключателя 5. При перемене направления тока магнитный поток в сердечнике изменится по некоторому сложному закону от значения +Ф до значения -Ф, т. е. изменение потока в измерительной рамке будет равно 2Ф, и с учетом этого подсчитывают поток в сердечнике: 1 0 0 max 2 1 R C Ф (91) Зная поток и поперечное сечение испытуемого образца, находят значение магнитной индукции s Ф B (92) где s — сечение образца. Найденное значение В и ранее вычисленное значение Н позволяют подсчитать магнитную проницаемость H B (93) Флюксметр Весьма удобным прибором для измерения постоянного магнитного потока является флюксметр, называемый иногда веберметром или милливеберметром. Флюксметр представляет собой прибор магнитоэлектрической системы, в котором подвод тока к подвижной рамке осуществляется не через пружинки, а через без моментные спирали, т. е. в его измерительном механизме отсутствует противодействующий момент. Вследствие этого указатель флюксметра при отсутствии тока в обмотке рамки может занимать любое положение относительно шкалы. Флюксметр, как и большинство гальванометров магнитоэлектрической системы, имеет бескаркасную рамку, однако он рассчитывается так, чтобы при внешнем сопротивлении, меньшем 20 Ом, подвижная часть оказывалась в режиме переуспокоения. Как и у баллистического гальванометра, подвижная часть флюксметра выполняется со сравнительно большим моментом инерции. Рисунок 2.101 - Схема, поясняющая процесс измерения магнитного потока при помощи флюксметра. Для измерения магнитного потока, например постоянного магнита 1, к зажимам флюксметра присоединяется измерительная рамка 2, состоящая из достаточного количества витков медной проволоки. Если эту рамку надеть на испытуемый магнит так, как это показано на рис.2, то во время перемещения рамки 2 в ней будет наводиться э.д.с., создающая ток в цепи прибора. Под действием этого тока подвижная рамка 3 прибора начнет поворачиваться. После того как измерительная рамка 2 будет приведена в положение, показанное на рисунке, и остановлена, э.д.с., действовавшая в ней, исчезнет, но рамка 3 по инерции будет еще немного продолжать двигаться. Переместившись на некоторый угол a от начального положения, рамка 3 остановится. Теория флюксметра показывает, что движение рамки прекращается после того, как число потокосцеплений витков рамки 3 с потоком магнита 4 изменится на столько же, сколько создалось потокосцеплений измерительной рамки 2 с измеряемым потоком Ф. Если успокоение прибора достаточно велико, для чего сопротивление цепи рамки не должно превышать некоторый определенный для данной конструкции предел (обычно 8—20 Oм), то между углом поворота стрелки флюксметра и измеряемым магнитным потоком будет иметь место простая зависимость Ф C ф (94) где Ф – измеряемый поток; w — число витков измерительной рамки 2; Сф— постоянная флюксметра в максвелл-витках или вебер-витках на одно деление шкалы. Определение постоянной флюксметра Сф производится таким же способом, как и определение постоянной баллистического гальванометра, с применением образцовых взаимных индуктивностей. При описанном устройстве флюксметра работа с ним затрудняется из-за невозможности установки его подвижной части в нулевое положение, так как при снятии катушки 2 с испытуемого магнита рамка 3 хотя и получит толчок в обратном направлении, но не придет точно в исходное нулевое положение. Флюксметр является прибором менее чувствительным, чем баллистический гальванометр, и поэтому не может применяться для измерения слабых магнитных полей. При измерении достаточно сильных полей флюксметр имеет ряд преимуществ по сравнению с баллистическим гальванометром. Постоянная флюксметра практически не изменяется при изменении внешнего сопротивления цепи рамки в достаточно широких пределах от нуля до 8—20 Ом. Наибольшее допустимое значение этого сопротивления указано на шкале прибора. Показания флюксметра остаются правильными при изменении в широких пределах скорости удаления (или внесения) измерительной рамки из магнитного поля. При работе с баллистическим гальванометром эта операция должна производиться очень быстро (за 0,1—0,2 секунды) Указатель флюксметра, отклонившись на определенный угол, остается в этом положении неподвижным достаточно долго для спокойного отсчета показаний. В противоположность этому, при работе с баллистическим гальванометром для обеспечения правильности отсчета максимального отклонения указателя требуется большое напряжение внимания. Раздел 3 Измерение параметров элементов и компонентов электрических и электронных цепей Тема 3.1 Измерение сопротивлений Электрические и радиотехнические цепи с сосредоточенными постоянными состоят из резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов и соединяющих проводов. Для отбора этих элементов или их проверки следует измерять активное, реактивное и полное сопротивления, индуктивность, емкость и взаимо индуктивность. Кроме того, часто измеряют потери в конденсаторах и добротность катушек и колебательных контуров. Для этих измерений применяют методы вольтметра и амперметра, мостовой, резонансный метод и метод дискретного счета. Метод вольтметра и амперметра – косвенный способ определения различных сопротивлений, позволяющий ставить элемент с определенным сопротивлением в рабочие условия. Этот метод основан на использовании закона Ома для участка цепи, сопротивление Rx которого определяется по известному падению напряжения Ux на нем и току Ix так: (95) Существуют различные способы измерения падения напряжения Ux и тока Ix (рис. 3.1). Рисунок 3.1 - Способы измерения падения напряжения Uх и тока Iх Измерительные части приведенных схем не обеспечивают одновременное измерение напряжения Ux и тока Ix. Так первая схема (рис. 7.1 а) позволяет измерить с помощью вольтметра напряжение Ux. Амперметр дает возможность определить ток I, равный сумме Ix и Iв, из которой последний является током обмотки вольтметра. В этом случае определяемое сопротивление: (96) где Rв – сопротивление вольтметра. Во второй схеме (рис. 3.1 б) амперметр учитывает ток Ix, но вольтметр показывает напряжение U, равное сумме падений напряжений Ux на сопротивлении Rx и Uа на амперметре. Поэтому определяемое сопротивление: (97) где Rа – сопротивление амперметра. Следовательно, если при расчете определяемого сопротивления учитывать сопротивления приборов, то все схемы равноценны. Если определяемое сопротивление Rx мало по сравнению с сопротивлением вольтметра Rв, током Iв можно пренебречь и, применяя первую схему (рис. 3.1 а), находить сопротивление Rx так: (98) допуская относительную погрешность (99) где R' x – измеренное значение сопротивления. (100) В случаях, когда определяемое сопротивление Rx сравнимо с сопротивлением вольтметра Rв и пренебречь током Iв нельзя, следует пользоваться второй схемой (рис. 3.2 б) и при расчете не учитывать падение напряжения Uа на амперметре, определяя сопротивление Rx так: (101) при относительной погрешности измерения (102) Учитывая, что имеем (103) Для выявления пределов целесообразности использования той или другой схемы следует приравнять относительные погрешности, а затем найти значение сопротивления Rx, для которого обе схемы равноценны: (104) или Откуда (105) Следовательно, для определения «малых» сопротивлений предпочтительна схема 1 (рис. 3.1 а), а для определения «больших» сопротивлений схема 2(рис. 3.1 б). При определении сопротивлений методом вольтметра и амперметра следует выбирать магнитоэлектрические приборы с такими пределами измерений, чтобы показания их были близки к номинальным значениям, т.к. это обеспечивает меньшие погрешности измерения. Показывающие приборы, служащие для непосредственного измерения электрического сопротивления, называются омметрами. В качестве измерительного механизма в таких приборах обычно используются магнитоэлектрические системы. Диапазон измеряемых величин определяется конструкцией и электрической схемой омметра, и в зависимости от этого появляются приставки «кило», «мега», «тера». По принципу действия омметры подразделяются на две группы: омметры, показания которых зависят от напряжения источника питания, и омметры, показания которых не зависят от него. Кроме того, для измерения больших сопротивлений применяются электронные омметры. Омметры первой группы содержат однорамочный магнитоэлектрический механизм (миллиамперметр), а второй группы – логометр магнитоэлектрической системы, подвижная часть которого обычно содержит две рамки (катушки). На рисунке 3.2 приведены схемы омметров с последовательным и параллельным соединением подвижной катушки (рамки) магнитоэлектрического измерительного механизма М измеряемым сопротивлением R X Рисунок 3.2 - Схемы однорамочных омметров Омметры с последовательным включением R X обычно измеряют большие сопротивления (килоомы, мегаомы), а параллельным – малые (от долей ома до килоом). Использование аккумуляторных или гальванических батарей позволяет изготавливать омметры в виде переносных приборов. Точность таких приборов 1,5 – 2,5 %. В качестве измерительного механизма в двухрамочных омметрах используется логометр. Схемы омметров с логометрами показаны на рисунке 3.3. Рисунок 3.3 - Схемы омметров с логометрами (r 1 и r 2 – сопротивления логометра; R 1 и R 2 – постоянно включенные резисторы; I 1 и I 2 – токи в рамках логометра, отношение которых зависит от измеряемого сопротивления R x ) При последовательном соединении R X с рамкой логометра измеряют большие сопротивления (108 - 1010 Ом); такую схему имеют мегаомметры, предназначенные для измерения сопротивления изоляции. В приборах такого типа в качестве источника используется генератор постоянного тока с ручным приводом, обеспечивающим измерительную схему необходимым напряжением (100, 500, 1000, 2000 и 2500 В). При измерении малых сопротивлений измеряемое сопротивление включают параллельно логометру. Для расширения диапазона измерения омметра в одном приборе объединяют обе схемы и с помощью специального переключателя в зависимости от значения измеряемого сопротивления соединяют его либо последовательно, либо параллельно с рамкой логометра. Схемы вариантов построения электромеханических омметров представлены на рисунке 3.4. Рисунок 3.4 - Схемы омметров с последовательным (а) и параллельным (б) соединением элементов цепи Принцип действия электромеханических омметров основан на зависимости тока, протекающего через прибор, от величины измеряемого сопротивления включенного в измерительную цепь. При последовательной схеме включения элементов измерительной цепи величина тока, протекающий через прибор, обратно пропорциональна значению измеряемого сопротивления: (106) При замкнутых входных контактах ток в цепи максимален, а при разомкнутых – равен нулю, поэтому у приборов данного типа шкала неравномерная и обратная. Перед началом измерений можно проверить исправность таких приборов и произвести установку указателя прибора на нулевую отметку его шкалы путем замыкания накоротко его входных контактов. Необходимость этого вызвана тем, что с течением времени напряжение источника питания уменьшается и в результате нарушается градуировка шкалы прибора. Последовательные схемы обычно применяют для измерения сравнительно больших сопротивлений. Это объясняется тем, что в данной схеме малые сопротивления слабо влияют на изменение тока в измерительной цепи. При параллельном соединении измеряемого сопротивления и миллиамперметра ток, протекающий через прибор, с увеличением измеряемого сопротивления растет и шкала прибора прямая и равномерная. Такой прибор калибруется при разомкнутых зажимах, при этом стрелка прибора устанавливается в крайнее правое положение. Параллельную схему включения прибора используют для измерения сравнительно малых сопротивлений, так как большие сопротивления будут мало влиять на показания прибора. Уравнение шкалы такого прибора имеет вид: (107) Для обоих вариантов схем включения прибора его шкала не равномерная. Измерение сопротивления мостом постоянного тока Для измерения величин сопротивления используют мостовые схемы. Схема моста постоянного тока приведена па рисунке 3.5. Рисунок 3.5 – Схема моста постоянного тока Мост содержит четыре резистора R1, R2, R3, R4 - образующих четыре плеча АС, AD, DB, ВС. В диагональ АВ включен индикатор нуля, а в диагональ CD - источник питания схемы. Изменяя сопротивления плеч моста, можно добиться равенства потенциалов в точках А и В, а следовательно отсутствие тока через индикатор. Если будет выполняться условие R1*R3 = R2*R4, то ток в цепи индикатора будет отсутствовать. Это условие еще называют балансом моста и резиcтop R4, включенный в плечо, смежное но отношению к измеряемому, называют образцовым плечом сравнения. Он является основным элементом при определении сопротивления Rx. Отношение сопротивлений R2/R3 меняется скачкообразно с кратностью 10n. Это обеспечивает широкие пределы измерений. Особенности измерения сопротивления заземления и изоляции Измерение сопротивления изоляции Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) требуется: 1Испытывать сопротивление изоляции, мегомметром с U= 1000В. 2Сопротивление изоляции должно было быть не ниже 0,5 МОм. Сопротивление изоляции проводов, кабелей, электрических машин, не находящихся под напряжением измеряют с помощью мегомметра. Прибор, кроме двух зажимов (Л-линия, З-земля) имеет третий зажим Э-экран) для отвода поверхностного тока. Особенность таких измерений – устранение влияния токов поверхностной утечки Is на результат измерения объемного сопротивления изоляции. Для этого на изоляцию концов кабеля накладывают металлические защитные кольца К, которые подключают к зажиму З(земля) мегомметра. В этом случае ток по поверхности изоляции кабеля проходит между защитными кольцами К и экраном Э кабеля, минуя рамки логометра. Разность потенциалов между защитными кольцами и жилой кабеля мала по сравнению с рабочим напряжением прибора, и на этом участке поверхности изоляции ток практически не проходит. Т. о. показания прибора зависят лишь от тока в объеме изоляции между жилой и экраном кабеля. З и Л –входные зажимы мегомметра. Г – генератор повышенного напряжения с ручным приводом. Рисунок 3.6 - Измерение сопротивления изоляции Измерение сопротивления заземления Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус. Задача защитного заземления – устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу и другим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказавшейся под напряжением. Принцип действия заземления – снижение напряжения между корпусом, оказавшимся под напряжением, и землей до безопасного значения. Заземляющие устройства после монтажных работ и периодически не реже один раз в год испытываются по программе Правил устройства электроустановок. По программе испытания производится измерение сопротивления заземляющего устройства. Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов или трансформаторов или выводов источников однофазного тока, в любое время года должно быть не более 2, 4, 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380, и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. Рисунок 3.7 - Схема измерения сопротивления заземления методом амперметра и вольтметра В схеме применяем два дополнительных заземлителя: токовый ЗI,который служит для создания контура с током и потенциальный ЗV, к которому подключают один из полюсов вольтметра. Расстояние от исследуемого до потенциального заземлителя -20 м, а до токового от 40 до 60 м. Сопротивление заземления рассчитывают по формуле RХ= / (108) где - показания вольтметра; - показания амперметра Измерение сопротивления контура заземляющего устройства Источником питания служат три соединенные последовательно сухие измерителем заземления М416 или Ф4103-М1. Описание измерителя заземления М416 Измерители заземления М416 предназначены для измерения сопротивления заземляющих устройств, активных сопротивлений и могут быть использованы для определения удельного сопротивления грунта (ρ). Диапазон измерения прибора от 0,1 до 1000 Ом и имеет четыре диапазона измерения: 0,1 … 10 Ом, 0,5 … 50 Ом, 2,0 … 200 Ом, 100 гальванические элемента напряжением по 1,5 В. Рисунок 3.8 - Измеритель заземления М416 Измеритель сопротивления заземления Ф4103-М1 Измеритель сопротивления заземления Ф4103-М1 предназначен для измерения сопротивления заземляющих устройств, удельного сопротивления грунтов и активных сопротивлений как при наличии помех, так и без них с диапазоном измерений от 0-0,3 Ом до 0-15 Ком (10 диапазонов). Измеритель Ф4103 является безопасным. При работе с измерителем в сетях с напряжением выше 36 В необходимо выполнять требования безопасности, установленные для таких сетей. Класс точности измерительного прибора Ф4103 – 2,5 и 4 (в зависимости от диапазона измерения). Питание – элемент (R20, RL20) 9 шт. Частота оперативного тока – 265-310 Гц. Время установления рабочего режима - не более 10 секунд. Время установления показаний в положении "ИЗМ I" - не более 6 секунд, в положении "ИЗМII" - не более 30 секунд. Продолжительность непрерывной работы не ограничена. Норма средней наработки на отказ - 7250 часов. Средний срок службы - 10 лет Условия эксплуатации - от минус 25 ° С до плюс 55 ° С. Габаритные размеры, мм – 305х125х155. Масса, кг , не более – 2,2. Рисунок 3.9 - Измеритель сопротивления заземления Ф4103-М1 Перед проведением измерений измерителем Ф4103 необходимо, по возможности, уменьшить количество факторов, вызывающих дополнительную погрешность, например, устанавливать измеритель практически горизонтально, вдали от мощных электрических полей, использовать источники питания 12±0,25В, индуктивную составляющую учитывать только для контуров, сопротивление которых меньше 0,5 Ом, определять наличие помех и так далее. Помехи переменного тока выявляются по качаниям стрелки при вращении ручки ПДСТ в режиме "ИЗМI". Помехи импульсного (скачкообразного) характера и высокочастотные радиопомехи выявляются по постоянным непериодическим колебаниям стрелки. Порядок проведения измерения сопротивления контура защитного заземления 1. Установить элементы питания в измеритель заземления. 2. Установить переключатель в положение «Контроль 5 Ω», нажать кнопку и вращением ручки «реохорд» добиться установки стрелки индикатора в нулевую отметку шкалы. 3. Подключить соединительные провода к прибору, как показано на рисунке 3.10, если измерения производятся прибором М416 или рисунке 3.11, если измерения производятся прибором Ф4103-М1. 4. Углубить дополнительные вспомогательные электроды (заземлитель и зонд ) по схеме рис. 1 и 2 на глубину 0,5 м и подключить к ним соединительные провода. 5. Переключатель установить в положение «Х1». 6. Нажать кнопку и вращая ручку «реохорда» приблизить стрелку индикатора к нулю. 7. Результат измерения умножить на множитель. Рисунок 3.10- Схема подключения прибора М416 Подключение прибора М416 для измерения сопротивления контура заземления Рисунок 3.11 - Схема подключения прибора Ф4103-М1 Подключение прибора Ф4103-М1 для измерения сопротивления контура заземления: а – схема подключения; б – контур заземления |