УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ. Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения
 Скачать 6.36 Mb.
|
|
Тема 2.1 Измерение напряжения и тока 2.1.1 Основные значения переменного и напряжения. Формы сигналов В практике электрических измерений измерение напряжения является распространенной операцией. При этом определяются разность потенциалов или падение напряжение на участке электрической цепи (на еѐ элементе). В качестве единицы напряжения принимается вольт (В). Целью измерения постоянного напряжения является определение его значения и знака полярности. При измерении переменного напряжения определяется какой- либо его параметр (амплитудное, среднее, среднеквадратическое или средневыпрямленное значения). Большой интервал (от 10 -9 до 10 4 В) и широкий диапазон частот (от нулевых до сверхвысоких частот), измеряемых напряжений, малая мощность источников напряжения, а также высокая точность измерения привели к необходимости использования большого количества методов и средств измерения. Несмотря на кажущуюся простоту измерения напряжения, существует ряд моментов, на которые на практике необходимо обратить внимание. Так, в частности, следует учитывать шунтирующие действие вольтметра при измерении как постоянных, так и переменных напряжений. Более того, при измерении переменных напряжений необходимо учитывать реактивную составляющую входного сопротивления вольтметра, влияние которого на результат растѐт с ростом частоты сигнала. При измерении параметров переменных напряжений необходимо учитывать конструктивные особенности вольтметра. В вольтметрах переменного тока осуществляется преобразование переменного напряжения в постоянное, соответствующее одному из его параметров. Однако, все вольтметры переменного тока, за исключением импульсных, градуируются в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы. Таким образом, в вольтметрах переменного тока показываемый параметр переменного напряжения (среднеквадратическое значение) в общем случае не соответствует измеряемому параметру. Это имеет существенное значение при измерениях напряжений, форма которых отлична от синусоидальной. Для определения значения требуемого параметра переменного напряжения необходимо в общем случае знать вид преобразователя вольтметра, форму измеряемого напряжения, а также тип входа вольтметра (открытый или закрытый). Пренебрежение этой информацией приводит, как правило, к существенным погрешностям результата измерения. В зависимости от характера изменений напряжения во времени различают постоянное и переменное напряжение. В свою очередь, переменное напряжение можно разделить на периодическое и непериодическое. Для периодически изменяющегося напряжения его форма может быть произвольна. Обычно на практике измеряют постоянное напряжение и параметры переменного напряжения. Такими параметрами являются: амплитудное, среднее, средневыпрямленное и среднеквадратическое значения напряжения. Амплитудное (пиковое) значение Um - наибольшее мгновенное значение напряжения U(t) за время измерения T . Если сигнал несимметричный, то различают положительное +Um (максимальное) и отрицательное −Um (минимальное) значения. Среднее значение Ucp - среднее за время измерения значение напряжения, которое определяется выражением (6) Среднее значение, по существу, является постоянной составляющей сигнала за время T . Средневыпрямленное значение Ucp.в.- среднее за время измерения T значение модуля напряжения: (7) Среднеквадратическое значение U - корень квадратный из среднего за время измерения квадрата напряжения: (8) Квадрат среднеквадратического значения напряжения можно представить как значение средней мощности, рассеиваемой на сопротивлении 1 Ом. Из спектрального представления сигналов известно, что квадрат среднеквадратического значения периодического напряжения несинусоидальной формы равен сумме квадратов среднеквадратических значений U 2 всех гармоник, включая постоянную составляющую: (9) Таким образом, среднеквадратическое значение периодического напряжения несинусоидальной формы не зависит от фазовых соотношений между гармоническими составляющими. Связь между амплитудным, средним, средневыпрямленным и среднеквадратическим значениями устанавливается через коэффициент амплитуды k a и коэффициент формы сигнала k ф . Значения коэффициентов k a и k ф зависят от формы сигнала. Коэффициент амплитуды определяется отношением амплитудного значения напряжения к среднеквадратическому значению: (10) коэффициент формы определяется отношением среднеквадратического значения напряжения к средневыпрямленному: (11) Следовательно, зная коэффициенты k a , k ф од но из значений напряжения, можно определить другие значения. Значения коэффициентов удовлетворяют следующему неравенству: (12) Значения коэффициентов k a и k ф для различных наиболее употребляемых сигналов представлены в табл. 2.1. Иногда используется коэффициент усреднения k у , определяемы отношением амплитудного значения напряжения к средневыпрямленному: (13) Измерения постоянного тока и напряжения производятся с помощью приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем, напряжение измеряется также электростатическими и электронными вольтметрами. Кроме этого, для более точных измерений используются компенсаторы постоянного тока. Магнитоэлектрические измерительные механизмы непосредственно являются микро- и миллиамперметрами или милливольтметрами, а в сочетании с шунтами и добавочными сопротивлениями – соответственно амперметрами и вольтметрами. Таблица 2.1 2.1.2 Структурная схема, узлы и элементы электромеханических измерительных приборов (ЭМИП) Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки. Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов: - амперметры — для измерения силы электрического тока; - вольтметры — для измерения электрического напряжения; - омметры — для измерения электрического сопротивления; - мультиметры (иначе тестеры) — комбинированные приборы - частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока; - магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений; - ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока; - электрические счѐтчики — для измерения потреблѐнной электроэнергии и множество других видов. По назначению — измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства. По способу представления результатов измерений — показывающие и регистрирующие (в виде графика на бумаге или фотоплѐнке, распечатки, либо в электронном виде). По методу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. По способу применения и по конструкции — щитовые (закрепляемые на щите или панели), переносные и стационарные. По принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные; электродинамические; электростатические; ферродинамические; индукционные; электронные; термоэлектрические; электрохимические. Рисунок 2.1 – Упрощеннаясхемаэлектроизмерительных приборов Измерительная схема осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х в электрическую величину х', на которую реагирует измерительный механизм. Последний, в свою очередь, преобразует электрическую величину х в механическое угловое или линейное перемещение а, значение которого отражается по шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x). Основные элементы электромеханических приборов 1) Отсчетное устройство измерительного прибора (аналогового или цифрового), частью прибора, предназначенная для отсчитывания его показаний. О. у. аналогового прибора обычно состоит из шкалы и указателя, причѐм подвижным может быть либо указатель, либо шкала По типу указателя О. у. подразделяются на стрелочные и световые. В стрелочных О. у. стрелка своим концом перемещается относительно отметок шкалы. Конец стрелки может быть копьевидным или выполненным в виде ножа или натянутой нити (рис. 2.2, (3)). В последних двух случаях шкалы снабжаются зеркалом для устранения погрешности отсчѐта, вызванной параллаксом. В световых О. у. роль стрелки выполняет световой луч, отражѐнный от зеркальца, скрепленного с подвижной частью прибора (рис. 2.2, б). От положения последней зависит положение светового изображения на шкале, по которому отсчитывают показания. Световое О. у. позволяет устранить погрешность от параллакса и повысить чувствительность прибора за счѐт увеличения длины указателя и удвоения угла его поворота. Рисунок 2.2 - Примеры стрелочных отсчѐтных устройств (а — щитовой прибор; б — переносный прибор): 1 — шкала; 2 — основание шкалы (пластина); 3 — копьевидная стрелка; 4 — зеркало; 5 — ножевидная стрелка; 6— изображение стрелки в зеркале, которое при отсчѐте показаний должно быть совмещено со стрелкой Рисунок 2.3 - Световое отсчѐтное устройство: 1 — источник света; 2 — оптическое устройство, содержащеенить или «копье» 3; 4 — зеркало, укрепленное на подвижной части измерительного механизма; 5 — шкала спроектируемым на неѐ изображением нити Шкалы могут быть: - равномерные, неравномерные - нормируемые, ненормируемые. 2)Устройства для создания противодействующего момента Принцип работы большинства электроизмерительных стрелочных приборов основан на повороте подвижной их части под действием вращающегося момента. Последний создается током, связанным определенной зависимостью с измеряемой электрической величиной. Если этому повороту ничем не противодействовать, то подвижная часть прибора либо повернется на наибольший возможный угол, либо придет в ускоренное движение. Противодействующий момент у большинства приборов создается закручивающейся упругой бронзовой пружиной 1 (рис. 2.4), концы которой прикреплены один — к оси подвижной части прибора 2, а другой — к неподвижной части прибора (к вилке пружинно держателя) 3. Очевидно, Рисунок 2.4 - Принцип работы большинства электроизмерительных стрелочных приборов что, чем больше ток, проходящий через прибор, тем больше вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора. Под действием этого вращающего момента подвижная часть прибора поворачивается, закручивая спиральную пружину. Пружина, в свою очередь, препятствует этому повороту. Поворот будет происходить до тех пор, пока вращающий и противодействующий моменты не сравняются. Кроме того, спиральная пружина возвращает подвижную часть прибора в первоначальное (нулевое) положение после того, как прибор выключен из цепи. Для уравновешивания стрелки прибора иногда применяют грузики 4 (противовесы), навинченные на стержни с мелкой резьбой, посредством которой можно изменять расстояние грузиков от оси вращения. Для установки стрелки прибора против нулевого деления служит корректор, состоящий из поводка 5 и винта 6. Эксцентрично поворачивающийся выступ винта 6 изменяет положение пружинно- держателя 3 и одного конца спиральной пружины 1, поворачивая тем самым стрелку 7 в нужную сторону. У многих приборов по две противодействующих пружины. Они помещаются либо рядом, либо у концов оси подвижной системы. 3)Устройства для создания успокаивающего момента (успокоители). Подвижную часть прибора с противодействующей спиральной пружиной можно рассматривать как некоторую колебательную систему. В самом деле, при включении прибора в цепь подвижная его часть под действием толчка, создаваемого быстро нарастающим вращающим моментом, поворачивается, но не сразу может остановиться в положении, в котором вращающий и противодействующий моменты равны (подобно тому, как маятник не в состоянии остановиться, проходя через положение равновесия). Подвижная часть прибора будет совершать затухающие колебания, и для снятия показаний необходимо некоторое время для полной остановки его стрелки. Для быстрой остановки подвижной части прибора применяют специальные устройства — успокоители. Наиболее распространенными успокоителями являются воздушные, магнитоиндукционные, жидкостные Рисунок 2.5- Воздушный успокоитель Воздушный успокоитель представляет собой дугообразный цилиндр 1 (рис. 2.5, а), запаянный с одного конца. Внутри цилиндра находится поршень 2. Он жестко связан с подвижной частью прибора и не касается стенок цилиндра. Зазор между поршнем и цилиндром невелик и при быстрых перемещениях поршня давление внутри цилиндра не успевает выровняться с атмосферным. В цилиндре создаются то сгущения, то разрежения воздуха, которые препятствуют движению поршня и тем самым быстро успокаивают подвижную систему. При медленном же движении поршня часть воздуха может свободно входить в цилиндр и выходить из него через зазор, не препятствуя поворотам подвижной части прибора. Иногда воздушный успокоитель имеет форму замкнутой коробочки со щелью (рис. 2.5, б). Эта щель служит для перемещения рычага 1, на котором укреплена пластинка 2. Последняя не касается стенок коробочки и выполняет ту же роль, что и поршень. При движении пластинки в коробочке одновременно действуют и сгущения (по одну сторону пластинки) и разрежения (по другую сторону), препятствующие колебаниям. Магнитоиндукционный успокоитель представляет собой перемещающуюся между полюсами постоянного магнита М (рис. 2.5, в) легкую алюминиевую пластину А, жестко связанную с подвижной системой прибора. При колебаниях пластинки в магнитном поле постоянного магнита в соответствии с законом Ленца в ней индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, поэтому колебания подвижной системы и стрелки быстро прекращаются. Действие одного изжидкостных успокоителей поясняет рис. 2.6, где показаны два металлических диска, а между ними в зазоре около 0,1 мм находится вязкая жидкость 2, которая не выливается в любом положении. Диск / укреплен на подвижной, а диск 3 на неподвижной части прибора. Взаимному движению дисков препятствуют силы сцепления жидкости с дисками Рисунок 2.6 - Действие одного изжидкостных успокоителей Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов. Для правильного выбора приборов и их эксплуатации согласно ГОСТу 2.729- 68 на шкалах изображают следующие обозначения: 1) Условное обозначение единицы измерения (или измеряемой величины) либо начальные буквы наименования прибора (табл. 2.2). Таблица 2.2 - Условное обозначение единиц измерения 2) Условное обозначение системы прибора (табл. 2.3). Таблица 2.3 3) Условные обозначения рода тока и числа фаз, класса точности прибора, испытательного напряжения изоляции, категории прибора по степени защищенности от внешних магнитных полей. Таблица 2.4 Таблица 2.5 Условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы и вспомогательные части Но мер по МЭК 51 Наименование Условное обозначение А. Основные единицы измерения и их основные, кратные и дольные значения А-1 Килоампер kA А-2 Ампер А А-3 Миллиампер mА А-4 Микроампер А А-5 Киловольт kV А-6 Вольт V А-7 Милливольт mV А-8 Микровольт V А-9 Мегаватт MW А-10 Киловатт kW А-11 Ватт W А-12 Мегавар Mvar А-13 Киловар kvar А-14 Вар var А-15 Мегагерц MHz A-16 Килогерц kHz A-17 Герц Hz A-18 Мегаом М Ω A-19 Килоом k Ω A-20 Ом Ω A-21 Миллиом mΩ A-22 Тесла Т A-23 Миллитесла mТ A-24 Градус Цельсия °С В. Род тока и количество измерительных механизмов B-1 Ток постоянный B-2 Ток переменный (однофазный) B-3 Ток постоянный и переменный B-4 Ток трехфазный переменный (общее обозначение) B-5 Ток трехфазный переменный при неравномерной нагрузке фаз (общее обозначение) В-6 Прибор с одним измерительным механизмом для трехпроводной сети В-7 Прибор с одним измерительным механизмом для четырехпроводной сети В-8 Прибор с двумя измерительными механизмами для трехпроводной сети при неравномерной нагрузке фаз В-9 Прибор с двумя измерительными механизмами для четырехпроводной сети при неравномерной нагрузке фаз В-10 Прибор с тремя измерительными механизмами для четырехпроводной сети при неравномерной нагрузке фаз С. Безопасность С-1 Напряжение испытательное 500 В С-2 Напряжение испытательное, превышающее 500 В (например, 2 кВ) С-3 Прибор испытанию прочности изоляции не подлежит С-7 Прибор или вспомогательная часть под высоким напряжением D. Используемое положение D-1 Прибор применять при вертикальном положении шкалы D-2 Прибор применять при горизонтальном положении шкалы D-3 Прибор применять при наклонном положении шкалы (например, под углом 60°) относительно горизонтальной плоскости D-4 Прибор применять в положении D-1 при рабочей области от 80° до 100° D-5 Прибор применять в положении D-2 при рабочей области от минус 1° до плюс 1° D-6 Прибор применять в положении D-3 при рабочей области от 45° до 75° D-7 Обозначение, указывающее на ориентирование прибора во внешнем магнитном поле Е. Класс точности Е-1 Обозначение класса точности при нормировании пределов допускаемых погрешностей в процентах от нормирующего значения, определенного в единицах измеряемой величины, за исключением случая, когда нормирующее значение равно длине шкалы По ГОСТ 8.401-80 Е-2 Обозначение класса точности при нормировании пределов допускаемых погрешностей в процентах от нормирующего значения, определенного длиной шкалы По ГОСТ 8.401-80 Е-3 Обозначение класса точности при нормировании пределов допускаемых погрешностей в процентах от действительного значения По ГОСТ 8.401-80 Е-4 Обозначение класса точности прибора с неравномерной сокращенной шкалой, когда нормирующее значение соответствует длине шкалы и основная погрешность выражается в процентах от действительного значения (например, обозначение класса точности 1: предел допускаемой относительной погрешности 5%) По ГОСТ 8.401-80 |