Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
2 слайд
Описание слайда:
1.Прямые и косвенные измерения. 2. Методы измерений 3. Классификация погрешностей 4. Характеристики электроизмерительных приборов
3 слайд
Описание слайда:
Измерением называется нахождение значений физических величин опытным путем с помощью специальных технических средств. Прямые измерения – при которых значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных – сравнением ее размера с размером, воспроизводимым мерой, или в виде показания измерительного прибора (измерение длины линейкой, температуры –термометром, напряжения –вольтметром). Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (гиря, метр, токовые весы). Косвенные – те, при которых значение измеряемой величины находят по промежуточным результатам прямых измерений других величин, связанных с измеряемой известной зависимостью. Например, мощность Р=UI можно найти по результатам измерений напряжения U вольтметром и силы тока I амперметром.
4 слайд
Описание слайда:
Методы измерений - совокупность приемов использования средств и принципов измерений. При измерениях электрических величин применяются методы непосредственной оценки и сравнения.
5 слайд
Описание слайда:
Метод непосредственной оценки основан на использовании измерительных приборов, шкалы которых проградуированы в единицах измеряемой величины. При этом получают значение измеряемой величины непосредственно, без каких-либо дополнительных действий со стороны лица, проводящего измерение, и без вычислений, кроме умножения его показаний на постоянную измерительного прибора или цену деления.
6 слайд
Описание слайда:
Из методов сравнения в электрических измерениях чаще других используются: методы противопоставления, дифференциальный и нулевой методы. Метод противопоставления состоит в том, что на вход сравнивающего устройства (компаратора) одновременно подаются сигналы измеряемой величины и одноименной ей величины, размер которой воспроизводится мерой, а соотношение между ними определяют по выходному сигналу сравнивающего устройства (например, измерение напряжения постоянного тока с помощью компенсатора путем сравнения с ЭДС нормального элемента). Дифференциальный метод измерений заключается в том, что на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и величины, размер которой воспроизводится мерой.
7 слайд
Описание слайда:
Нулевой метод измерений состоит в том, что результат измерения, равный разности между измеряемой величиной и величиной, размер которой воспроизводится мерой, доводят до нуля. R1·R4 = R2·R3- условие равновесия моста
8 слайд
Описание слайда:
Средствами измерений называют технические средства, предназначенные для использования при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Погрешности измерений определяются главным образом погрешностями средств измерений, но они не тождественны им. В зависимости от формы числового выражения погрешности независимо от вида различают: абсолютные и относительны – для измерений; абсолютные, относительны и приведенные – для средств измерений.
9 слайд
Описание слайда:
Абсолютная погрешность – это разность между измеренной величиной (показанием прибора) и действительным значением измеряемой величины, т.е. для измерений (1) Относительная погрешность (в %), определяется как Приведенная погрешность(в%) выражается как отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению.
10 слайд
Описание слайда:
В зависимости от характера и причин появления погрешности измерений и средств измерений делят на систематические (детерминированные) и случайные (индетерминированные, стохастические). Различают еще грубые погрешности и промахи.
11 слайд
Описание слайда:
Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, которая при повторении равноточных измерений неизменного размера остается постоянной или закономерной. Эта погрешность может быть изучена и результат может быть уточнен путем внесения поправок, если числовые значения этих погрешностей определены, или путем применения таких способов измерения, которые дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без их определения. Числовые значения систематической погрешности определяются путем поверки средств измерений.
12 слайд
Описание слайда:
Случайная погрешность - составляющая погрешности измерения, которая при повторении измерений изменяется случайным образом. Случайные погрешности могут быть обнаружены при повторных измерениях одной и той же величины, когда получаются неодинаковые результаты. Их нельзя исключить (так, как неизвестны причины, их вызвавшие), но их влияние на результат измерения может быть теоретически учтен при обработке результатов измерений методами теории вероятностей и математической статистики.
13 слайд
Описание слайда:
Грубая погрешность- погрешность, существенно превышающая ожидаемую. Результаты с грубыми погрешностями обнаруживают и исключают из рассмотрения. Промах – следствие неисправности средства измерений, ошибочного считывания показаний, их записи и т.п.
14 слайд
Описание слайда:
В зависимости от условий применения средств измерений их систематические погрешности подразделяются на основные и дополнительные. Основная – погрешность средств измерений в условиях, которые установлены нормативно-техническими документами как нормальные для данных средств измерений. Дополнительными погрешностями называют изменения погрешности средства измерений, вызванные отклонениями влияющих величин от нормальных значений.
15 слайд
Описание слайда:
Класс точности средства измерений - обобщенная его характеристика, определяемая пределами основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средства измерений, влияющими на его точность. Средствам измерений с двумя или более диапазонами измерений одной и той же физической величины допускается присваивать два или более классов точности. Пределы допустимых основной и дополнительных погрешностей средства измерений определенного класса точности выражают в форме абсолютных, относительных и приведенных погрешностей в зависимости от характера их связи с информативным параметром входного или выходного сигнала.
16 слайд
Описание слайда:
На шкале прибора: 1. Род тока 2 Класс точности 3. Год выпуска, заводской № 4. № стандарта на эту группу приборов 5. обозначение прибора 6. заводской товарный знак 7. степень защищенности от полей 8. принцип действия.
17 слайд
Описание слайда:
1. В цепи протекает ток 20 А. Амперметр показывает 20,1 А. Найдите относительную погрешность измерения 2. Класс точности прибора 1,0. Чему равна приведенная погрешность прибора?
18 слайд
Описание слайда:
1.Назовите основные единицы измерения в СИ 2. Что такое электрические измерения? 3. Чем характеризуется точность измерения? 4. На шкале прибора нанесён знак. Какой это прибор?
19 слайд
Описание слайда:
Средствами измерений называют технические средства, предназначенные для использования при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Метрологические характеристики средств измерений - характеристики, от которых зависит точность результатов измерений, выполняемых с помощью этих средств. Набор мер - комплект конструктивно обособленных мер, применяемых в различных сочетаниях (магазин резисторов, магазин емкостей и т. п.). Измерительным прибором называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала в форме, доступной для непосредственного восприятия измерительной информации наблюдателем, благодаря наличию отсчетного устройства (вольтметр, амперметр). Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала в выходной сигнал, удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки и хранения измерительной информации, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем (измерительный трансформатор, калиброванный шунт и т. п.). Измерительная система - совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи.
20 слайд
Описание слайда:
Параметр измерительного сигнала, содержащий измерительную информацию, называется информативным параметром. Эталон - средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной таблице средствам измерений и официально утвержденное в качестве эталона. Средства измерения весьма разнообразны по назначению, принципу действия, метрологическим характеристикам и другим параметрам. Рассмотрим наиболее общие из них.
Измерение любого вида электрических величин может быть осуществлено различными методами в зависимости от условий измерения, требуемой точности и т. д.
В практике электрических измерений используются в основном метод непосредственной оценки и метод сравнения в равновесном и неравновесном режимах.
Метод непосредственной оценки позволяет получать результат измерения непосредственно по показанию прибора, шкала которого градуирована в единицах измеряемой величины. При этом образцовая мера как вещественное воспроизведение единицы измерения в самом измерении прямого участия не принимает. Однако при градуировке приборов, работающих по методу непосредственной оценки, используются образцовые меры.
Таким образом, метод непосредственной оценки предполагает лишь косвенное использование образцовых мер, поэтому точность измерения этим методом относительно невелика.
Метод сравнения заключается в том, что в процессе измерения измеряемая величина сравнивается с образцовой мерой либо с той же физической величиной, либо косвенно с мерой другой величины.
Чаще всего используется метод сравнения в равновесном режиме, когда разность между измеряемой величиной и мерой или разность между эффектами, вызываемыми измеряемой величиной, и мерой, сводится к нулю. В этом случае метод сравнения обычно называют нулевым методом. Типичным примером нулевого метода является измерение массы на весах. Примером нулевого метода в электрических измерениях являются равновесные мостовые и компенсационные методы, когда о равновесии напряжения в определенном участке судят по отсутствию тока или цепи. Так как отсутствие тока или напряжения может быть отмечено с большой точностью с помощью весьма чувствительных нулевых приборов, то метод сравнения в равновесном режиме обеспечивает значительно бОльшую точность измерения, чем метод непосредственной оценки.
Метод сравнения в неравновесном режиме сводится к получению результата измерения путем измерения разности между измеряемой величиной и заведомо известной величиной (мерой) методом непосредственной оценки. Если эта разность значительно меньше, чем измеряемая величина, то результат измерения может быть получен с большей точностью, чем точность непосредственного измерения величины.
Так, если разность
а = Х – А
в 10 раз меньше, чем измеряемая величина Х (А - известная величина), то погрешность в измерении а вызовет в 10 раз меньшую погрешность измерения Х . Таким образом, в отношении точности измерения метод сравнения в неравновесном режиме занимает промежуточное положение между методом непосредственной оценки и нулевым методом. Метод сравнения в неравновесном режиме также называют дифференциальным методом.
3.2. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Любой электрический измерительный прибор можно рассматривать как цепочку преобразователей, в которых происходит последовательное преобразование измеряемой величины в показание отсчетного устройства. Поэтому под прибором следует понимать всю совокупность этих преобразователей, независимо от того, объединены они конструктивно в единое целое или выполнены в виде нескольких отдельных блоков.
Структурные схемы современных электрических измерительных приборов весьма разнообразны и иногда являются сложными. Эти структурные схемы можно классифицировать по двум признакам:
1) по роду измеряемой величины (электрическая или неэлектрическая);
2) по используемому методу измерения (рис.1).
Структурные схемы электрических приборов для измерения электрических величин. Простейшей структурной схемой электрического прибора для измерения электрической величины является схема, изображенная на рис.1, а. Этот прибор состоит только из преобразователя измеряемой электрической величины Х э в показание отсчетного устройства измерительного механизма ИМ.
Рис.1. Структурные схемы приборов для измерения электрических величин:
а - только с измерительным механизмом: б - с преобразованием электрической
величины в электрическую; в - по методу сравнения в неравновесном режиме: г - по методу сравнения в равновесном режиме; д - с автоматическим уравновешиванием
Угол поворота измерительного механизма б, являющийся функцией Х э, чаще всего отсчитывается по положению стрелки, укрепленной на оси подвижной части и перемещающейся над шкалой. Шкала измерительного механизма обычно проградуирована непосредственно в единицах измеряемой электрической величины.
Однако в большинстве случаев возможности измерительного механизма не могут удовлетворить всем условиям измерения, например в отношении предела измерения, требуемой мощности, защиты персонала от цепи высокого напряжения и т. д.
В этом случае измеряемая электрическая величина Х э предварительно подвергается преобразованию в преобразователе П ээ (см. рис.1, б) в электрическую величину Y э которая соответствует параметрам измерительного механизма.
К таким преобразователям электрической величины в электрическую относятся: измерительные трансформаторы, шунты, ДН и добавочные резисторы, преобразующие переменный ток в постоянный. Приборы со структурными схемами (см. рис.1, а и б) работают только по методу непосредственной оценки и называются приборами непосредственной оценки.
Структурная схема прибора, работающего по методу сравнения в неравновесном режиме, представлена на рис.1, в. Измеряемая электрическая величина Х э или эффект, ею вызываемый, компенсируется на некотором участке цепи, однородной с Х э величиной Х э.к постоянного значения, получаемой от вспомогательного источника питания U всп через преобразователь, который обычно именуют измерительной цепью ИЦ.
Если величина Х э.к компенсирует измеряемую величину Х э не полностью, то разность ∆Х э = Х э – Х э.к поступает в измерительный прибор непосредственной оценки Г, и отсчет по прибору будет функцией ∆Х э.
Измерительный прибор непосредственной оценки в случаях использования его на выходе приборов сложной структуры будем в дальнейшем называть измерителем.
Если же прибор работает по методу сравнения в равновесном режиме, т. е. по нулевому методу, то его структурную схему можно изобразить согласно рис.1, г. В этом случае величина Х э.к изменяется до тех пор, пока она не уравновесит измеряемую величину Х э , о чем будут свидетельствовать отсутствие тока и показание нулевого указателя НУ.
Если равновесия нет, то разность ∆Х э = Х э – Х э.к будет обнаружена по показанию нулевого указателя. Тогда производят изменение того или иного параметра измерительной цепи до тех пор, пока не наступит равновесие, т. е. равенство Х э = Х э.к .
Отсчетным устройством, градуированным в единицах измеряемой величины, в этих приборах является та часть измерительной цепи, параметр которой регулировался для получения равновесия. В данной схеме уравновешивание производится вручную путем изменения U всп .
В приборе, работающем по схеме, показанной на рис.1, д, уравновешивание производится автоматически. Разность сигналов ∆Х э = Х э - Х э.к, возникающая при отсутствии равновесия, поступает в усилитель Ус, на выходе которого включен реверсивный двигатель РД, механически связанный с движком потенциометра, являющегося частью измерительной цепи. Двигатель перемещает движок потенциометра в таком направлении и до тех пор, пока не наступит равновесие, т. е. равенство Х э = Х э.к . При этом ∆Х , станет равным нулю и реверсивный двигатель остановится.
Одновременно реверсивный двигатель перемещает стрелку по шкале. Таким образом, каждому значению измеряемой величины соответствует определенное положение движка потенциометра и стрелки на шкале. Основными измерительными цепями приборов сравнения являются компенсационные и мостовые цепи. 
Рис.2. Структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин:
а - с преобразованием неэлектрической величины в электрическую и с измерительным механизмом: б - с преобразованием неэлектрической величины в электрическую и сравнением в неравновесном режиме: в - с преобразованием неэлектрической величины в электрическую и сравнением в равновесном режиме
Структурные схемы электрических приборов для измерений неэлектрических величин . Эти схемы аналогичны схемам, рассмотренным ранее, и отличаются от них лишь наличием преобразователя для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую.
Структурная схема, изображенная на рис.1, б, при измерении неэлектрической величины превращается в схему, представленную на рис.2, а, где измеритель (Г) объединяет преобразователь П ээ и измерительный механизм ИМ. Схема рис.1, в превращается в схему рис.2, б, а схема рис.1, г - в схему рис.2, в.
Электрические измерения выполняются по одному из следующих видов: прямой, косвенный, совокупный и совместный. Название прямого вида говорит само за себя, значение нужной величины определяется непосредственно прибором. Примером таких измерений может служить определение мощности ваттметром, силы тока амперметром и т. д.
Косвенный вид заключается в нахождении величины на основании известной зависимости этой величины и величины, найденной прямым методом. Примером может служить определение мощности без ваттметра. Прямым методом находят I, U, фазу и по формуле вычисляют мощность.
Совокупный и совместный виды измерений заключаются в одновременном измерении нескольких одноименных (совокупный) или не одноимённых (совместный) величин. Нахождение искомых величин осуществляется решением систем уравнений с коэффициентами, полученными в результате прямых измерений. Число уравнений в такой системе должно равняться числу искомых величин.
Прямые измерения как самый распространенный вид измерений могут производиться двумя основными методами: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. Первый метод является самым простым, так как значение нужной величины определяют по шкале прибора.
Таким методом определяется сила тока амперметром, напряжение вольтметров и т. д. Достоинством данного способа можно назвать простоту, а недостатком невысокую точность.
Измерения сравнением с мерой выполняется по одной из следующих методик: замещения, противопоставления, совпадения, дифференциальной и нулевой. Мера является своего рода эталонным значением некоторой величины.
Дифференциальный и нулевой методы - заложены в основе работы измерительных мостов. При дифференциальном методе делают неуравновешенно-показывающие мосты, а при нулевом - уравновешенные или нулевые.
В уравновешенных мостах сравнение происходит при помощи двух или более вспомогательных сопротивлений, подбираемых таким образом, чтобы со сравниваемыми сопротивлениями они составляли замкнутый контур (четырехполюсник), питаемый от одного источника и имеющий равнопотенциальные точки, обнаруживаемые индикатором равновесия.
Отношение между вспомогательными сопротивлениями является мерой отношения между сравниваемыми величинами. Индикатором равновесия в цепях постоянного тока выступает гальванометр, а в цепях переменного тока милливольтметр.
Дифференциальный метод иначе называют разностным, так как на средство измерения воздействует именно разность известной и искомой величины тока. Нулевой метод является предельным случаем дифференциального метода. Так, например, в указанной мостовой схеме гальванометр показывает ноль, если соблюдается равенство:
Из этого выражения следует:
Таким образом, можно вычислить сопротивление любого неизвестного элемента, при условии, что остальные 3 являются образцовыми. Образцовым также должен быть и источник постоянного тока.
”СхемаМетод противопоставления - иначе этот метод называют компенсационным и используют для непосредственного сравнения напряжения или ЭДС, тока и косвенно для измерений других величин, преобразуемых в электрические.
Две встречно направленные ЭДС, не связанные между собой включаются на прибор, по которому уравновешивают ветви схемы. На рисунке: требуется найти Ux. С помощью образцового регулируемого сопротивления Rk добиваются такого падения напряжения Uk, чтобы численно оно было равно Ux.
Судить об их равенстве можно по показаниям гальванометра. При равенстве Uк и Uх ток в цепи гальванометра протекать не будет, так как они противоположно направлены. Зная сопротивление и величину тока по формуле определяем Uх.
Метод замещения - метод, при котором искомую величину замещают или совмещают с известной образцовой величиной, по значению равной замещенной. Такой способ применяется для определения индуктивности или емкости неизвестной величины. Выражение, определяющее зависимость частоты от параметров цепи:
Слева, частота f0 задаваемая генератором ВЧ, в правой части значения индуктивности и емкости измеряемой цепи. Подбирая резонанс частоты можно определить неизвестные значения в правой части выражения.
”РезонанснаяИндикатором резонанса является электронный вольтметр с большим входным сопротивлением, показания которого в момент резонанса будут наибольшими. Если измеряемую катушку индуктивности включить параллельно образцовому конденсатору и измерять резонансную частоту, то значение Lx можно найти по вышеуказанному выражению. Аналогично находится неизвестная емкость.
Вначале резонансный контур, состоящий из индуктивности Lи образцового конденсатора емкости Co, настраивают в резонанс на частоту fo; при этом фиксируют значения fo и емкости конденсатора Co1.
Затем, параллельно образцовому конденсатору Co подключают конденсатор Cх и изменением емкости образцового конденсатора добиваются резонанса при той же частоте fo; соответственно искомая величина равна Co2.
Метод совпадений - метод, при котором разность между искомой и известной величиной определяется по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. Ярким примером применения этого способа в жизни является измерение угловой скорости вращения различных деталей.
Для этого на измеряемом объекте наносят метку, например мелком. При вращении детали с меткой, на нее направляют стробоскоп, частота мигания которого известна изначально. Регулированием частоты стробоскопа добиваются, чтобы метка стояла на месте. При этом частоту вращения детали принимают равной частоте мигания стробоскопа.
Погрешность измерительных приборов и класс точности
Точность измерения -- качество измерения, отражающее близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малой погрешности.
Погрешность измерительного прибора -- разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины.
Результат измерения -- значение величины, найденное путем ее измерения.
При однократном измерении показание прибора является результатом измерения, а при многократном -- результат измерения находят путем статистической обработки результатов каждого наблюдения. По точности результатов измерения подразделяют на три вида: очные (прецизионные), результат которых должен иметь минимальную погрешность; контрольно-поверочные, погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения; технические, результат которых содержит погрешность, определяемую погрешностью измерительного прибора. Как правило, точные и контрольно-оверочные измерения требуют многократных наблюдений.
По способу выражения погрешности средств измерений разделяют на абсолютные, относительные и приведенные.
Абсолютная погрешность ДА -- разность между показанием прибора А и действительным значением измеряемой величины А.
Относительная погрешность -- отношение абсолютной погрешности ДА к значению измеряемой величины А, выраженное в процентах:
Приведенная погрешность (в процентах) -- отношение абсолютной погрешности ЛА к нормирующему значению:
Для приборов с нулевой отметкой на краю или вне шкалы нормирующее значение равно конечному значению диапазона измерений. Для приборов с двухсторонней шкалой, т. е. с отметками шкалы, расположенными по обе стороны от нуля, оно равно арифметической сумме конечных значений диапазона измерений. Для приборов с логарифмической или гиперболической шкалой нормирующее значение равно длине всей шкалы.
Таблица 1 - Классы точности* средств измерений
Средства измерений электрических величин должны удовлетворять следующим основным требованиям (ПУЭ):
- 1) класс точности измерительных приборов должен быть не хуже 2,5;
- 2) классы точности измерительных шунтов, добавочных резисторов, трансформаторов и преобразователей должны быть не хуже приведенных в табл. 1.;
- 3) пределы измерения приборов должны выбираться с учетом возможных наибольших длительных отклонений измеряемых величин от номинальных значений.
Учет активной электрической энергии должен обеспечивать определение количества энергии: выработанной генераторами ЭС; потребленной на с. н. и хозяйственные нужды (раздельно) ЭС и ПС; отпущенной потребителям по линиям, отходящим от шин ЭС непосредственно к потребителям; переданной в др. энергосистемы или полученной от них; отпущенной потребителям из электрической сети. Кроме того, учет активной электрической энергии должен обеспечивать возможность: определения поступления электрической энергии в электрические сети разных классов напряжений энергосистемы; составления балансов электрической энергии для хозрасчетных подразделений энергосистемы; контроля за соблюдением потребителями заданных им режимов потребления и баланса электрической энергии.
Учет реактивной электрической энергии должен обеспечивать возможность определения количества реактивной электрической энергии, полученной потребителем от электроснабжающей организации или переданной ей, только в том случае, если по этим данным производятся расчеты или контроль соблюдения заданного режима работы компенсирующих устройств.
Классификация электрических приборов
Электрическими аппаратами (ЭА) называются электротехнические устройства для управления потоками энергии и информации, режимами работы, контроля и защиты технических систем и их компонентов.
Электрические аппараты в зависимости от элементной базы и принципа действия разделяются на три группы:
электромеханические;
Основным признаком электромеханических аппаратов является наличие в них подвижных частей. У многих типов электромеханических аппаратов одной из подвижных частей является контактная система, осуществляющая коммутацию электрической цепи.
статические;
Статические аппараты выполняются на основе электронных компонентов диодов, тиристоров, транзисторов и др.), а также управляемых электромагнитных устройств (магнитных усилителей, дросселей насыщения и др.). Аппараты этого вида, как правило, относятся к силовым электронным устройствам, так как обычно используется для управления потоками электрической энергии, а не информации.
гибридные.
Представляют собой комбинацию электромеханических и статических аппаратов.
Основные виды электрических аппаратов
Классификация электрических аппаратов может быть проведена по разным признакам, например:
по напряжению: низкого (до 1000 В) и высокого от единиц до тысяч киловольт напряжения;
значению тока: слаботочные (до 5 А) и сильноточные (от 5 А до сотен килоампер);
роду тока: постоянного и переменного;
частоте источника питания: с нормальной (до 50 Гц) и повышенной (от 400 Гц до 10 кГц) частотой;
роду выполняемых функций: коммутирующие, регулирующие, контролирующие, измеряющие, ограничивающие по току или напряжению, стабилизирующие;
исполнению коммутирующего органа: контактные и бесконтактные (статические), гибридные, синхронные, бездуговые.
Многообразие видов классификации определяется областями применения: в схемах автоматического и неавтоматического управления различного электротехнического оборудования; в устройствах автоматического регулирования, стабилизации, контроля и измерения систем распределения электрической энергии и энергоснабжения предприятий электротехнической и многих других отраслей промышленности, связанных с использованием электрической энергии.
Электрические аппараты высокого напряжения (АВН)
По функциональному признаку АВН делятся на следующие виды:
коммутационные аппараты (выключатели, выключатели нагрузки, разъединители);
измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряжения, делители напряжения);
ограничивающие аппараты (предохранители, реакторы, разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений);
компенсирующие аппараты (управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы);
комплектные распределительные устройства.
Электрические аппараты управления и распределительных устройств низкого напряжения
Аппараты управления предназначены для управления режимом работы электрооборудования и подразделяются на следующие виды:
контакторы;
пускатели;
контроллеры;
электрические реле управления;
командоаппараты;
рубильники;
электромагниты управления;
электроуправляемые муфты.
Аппараты распределительных устройств предназначены для защиты электрооборудования в различных аварийных режимах (токи перегрузки и короткого замыкания, недопустимое снижение напряжения, токи утечки на землю при повреждении изоляции, обратные токи и т. п.). Эти аппараты подразделяются на автоматические выключатели и низковольтные предохранители.
Конструктивно законченные электротехнические компоненты: электрические разъёмы (розетка, вилка), пускорегулирующие аппараты светотехники, генераторы импульсов спец. формы, блоки контроля параметров сетевого напряжения и др.
Электрические аппараты автоматики
Для реализации электрических аппаратов автоматики используются разнообразные физические принципы. По назначению они классифицируются следующим образом:
первичные преобразователи (датчики);
распределители (коммутаторы);
сумматоры, логические элементы, регулирующие органы;
исполнительные аппараты (электрические реле автоматики, электрогидровентили, электрогидрокраны, электроклапаны, магнитные опоры и подвесы, задвижки, толкатели и др.);
электрические реле автоматики (герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы) и др.).
релейные аппараты с механическим управлением (входом) и электрическим выходом (кнопки, ключи, клавиатуры, тумблеры, микровыключатели).
Измерение напряжения токов и мощности
Приборы выпрямительной системы?
Приборы выпрямительной системы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного прибора и одного или нескольких полупроводниковых выпрямителей (детекторов), соединенных вместе в одну схему.
На рис. 221 даны схемы соединения выпрямителей с магнитоэлектрическим прибором.
На рис. 221, а представлена схема двухполупериодного выпрямления, а на рис. 221, б - мостовая выпрямительная схема из четырех элементов. Приборы этой системы применяются для измерения небольших величин переменного тока и напряжения (начиная от десятых долей миллиампера и десятых долей вольта), а также для измерения в целях повышенной частоты (50-2000 гц).
Применяются главным образом универсальные приборы: многопредельные вольтамперметры постоянного и переменного тока. Точность приборов этой детекторной системы невелика: они изготовляются обычно в классе 2 5
На рис. 222 даны условные обозначения, указанные на шкалах электроизмерительных приборов.
Рис. 222. Условные обозначения, указанные на шкалах электроизмерительных приборов
Приборы термоэлектрической системы?
Принцип действия приборов термоэлектрической системы основан на использовании электродвижущей силы, возникающей в цепи, состоящей из разнородных проводников, если место соединения этих проводников имеет температуру, отличную от температуры остальной части цепи.
На фиг. 337 дана схема прибора термоэлектрической системы.
Измеряемый ток проходит по металлической нити 1, к которой припаяны или приварены два разнородных проводника 2, например железо н кон-стантан. Свободные концы проводников 2 присоединены к металлическим колодкам 3, хорошо отводящим тепло. К колодкам подключается магнитоэлектрический измерительный прибор 4.
Когда по нити 1 проходит ток, сама нить и место опая ее с проводниками 2 (точка 5) нагреваются. Точка 5 пред-
ставляет собой горячий спай термопары. Металлические колодки 3 являются холодными спаями термопары. Вследствие разности температур в замкнутом контуре возникает термо-э. д. с, которая создает в этой цепи ток. Направление термотока будет всегда одно и то же, независимо от направления измеряемого гока.
Количество тепла, выделенного в горячем спае термопары, согласно закону Джоуля - Ленца, пропорционально квадрату тока. Поэтому шкала применяемого в этой системе магнитоэлектрического прибора неравномерна. Для получения равномерной шкалы магнитное поле магнитоэлектрического прибора делают неоднородным. Термо-э. д. с. одной термопары не превышает 15 мв, что требует установки весьма чувствительного магнитоэлектрического прибора. Чтобы увеличить величину термо-э. д. с, соединяют несколько термопар последовательно в термобатарею.
Чувствительные термоэлектрические приборы изготовляются с термопарой, помещенной в вакуум.
Приборы термоэлектрической системы чувствительны к перегрузкам: даже при кратковременной перегрузке на 10% нагревательная нить может перегореть. Точность приборов довольно высока, что дает возможность строить их в классах 0,5 и 1. Приборы термоэлектрической системы получили наибольшее применение для измерения малых значений переменных токов в цепях повышенной и высокой частоты.
Кодоимпульсные вольтметры
мперметра МЭ системы с одной или несколькими термопарами (термопреобразователями).
Протекание измеряемого тока Ixчерез нагреватель (нихромовая или константановая проволока) приводит к его разогреву. К нагревателю подсоединен контакт термопары (золото – палладий, платина - платинородий, хромель - капель и пр.).Под действием тепла в термопаре возникает термоток , который и отклоняет указатель прибора. В установившемся режиме вследствие тепловой инерции температура нагревателя постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью.
14. Вольтметры с времяимпульсным преобразованием
В основе действия вольтметров с время импульсным преобразованием лежит преобразование в АЦП измеряемого напряжения в пропорциональном интервале времени, который заполняет счетные импульсы с известной стабильной частотой следования. В результате преобразования дискретный сигнал измерительной информации имеет пачки импульсов, число которых пропорционально измеряемого напряжения.
15. Техника измерения напряжения и тока в различных цепях. Расширение пределов измерения
Для измерения силы тока в электрических цепях служат амперметры, миллиамперметры и микроамперметры различных систем. Их включают в цепь последовательно, и через прибор проходит весь ток, протекающий в цепи.
При различных электрических измерениях весьма важно, чтобы измерительный прибор как можно меньше изменял электрический режим цепи, в которую его включают. По этой причине амперметр должен обладать незначительным сопротивлением по сравнению с сопротивлением цепи. Пусть в электрическую цепь включен источник электрической энергии, напряжение которого U = 10 в. Сопротивление потребителя rп=20 ом. В этой цепи, согласно закону Ома, ток.
16) Ц20 советский ампервольтомметр мультиметр, один из самых недорогих и популярных в стране приборов этого класса, предназначенный в основном для радиолюбителей. Выпускался с 1958 г. по крайней мере до начала 1980-х гг. без существенных изменений. Прибор Ц20 предназначен для измерения:
сопротивлений до 500 кОм;
напряжения постоянного тока до 600 В;
напряжения переменного тока (50 Гц) до 600 В;
силы постоянного тока до 750 мА.
В качестве индикатора используется стрелочный микроамперметр с током полного отклонения стрелки 85 мкА. Основная погрешность прибора не превосходит ±4 % при измерении тока и напряжения и ±2,5 % при измерении сопротивления.
Питание омметра - два элемента ФБС-0,25 (332); на пределе 5-500 кОм дополнительно подключается одна батарея КБС (3336) или 3 элемента БАС-80. Для измерения напряжения и тока источник питания не требуется.
Размеры прибора - 105×195×72 мм, масса - 1,3 кг (ранние выпуски - 118×208×75 мм, 1,6 кг).
Пределы измерения:
постоянного тока: 0,3 / 3 / 30 / 300 / 750 мА;
постоянного напряжения: 0,6 / 1,5 / 6 / 30 / 120 / 600 В (в ранних вариантах отсутствовал предел 0,6 В);
переменного напряжения (50 Гц): 0,6-3 / 1,5-7,5 / 6-30 / 30-150 / 120-600 В (в ранних вариантах отсутствовал предел 0,6-3 В);
сопротивления на постоянном токе: 0,005-0,5 / 0,05-5 / 0,5-50 / 5-500 кОм.
Входное сопротивление на постоянном токе 10 кОм/В, на переменном токе 2 кОм/В. Падение напряжения при измерении тока 0,6 В на всех диапазонах. Время установления показаний не более 4 секунд.
Выпускался в пылезащищённом исполнении, рабочая температура от +10 до +35 °C, влажность до 80 % (при 30° C).
На передней панели прибора в верхней части находится стрелочный индикатор с тремя шкалами; ниже размещены переменный резистор для установки нуля при измерении сопротивления (слева) и трёхпозиционный переключатель (справа) для выбора типа измерения: постоянного напряжения или тока; сопротивления; переменного напряжения. Ниже расположены три вертикальных ряда гнезд для выбора пределов измерения путём переключения щупа: слева для измерения постоянного и переменного напряжения; по центру для измерения сопротивления; справа для измерения постоянного тока. Под средним рядом находится гнездо для общего щупа, помеченный знаком «−».
Мультиметр комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций.
В минимальном наборе включает функции вольтметра, амперметра и омметра. Иногда выполняется мультиметр в виде токоизмерительных клещей. Существуют цифровые и аналоговые мультиметры.
Мультиметр может быть как лёгким переносным устройством, используемым для базовых измерений и поиска неисправностей, так и сложным стационарным прибором со множеством возможностей.
Наиболее простые цифровые мультиметры имеют портативное исполнение. Их разрядность 2,5 цифровых разряда (точность обычно около 10 %). Наиболее распространены приборы с разрядностью 3,5 (точность обычно около 1,0 %). Выпускаются также чуть более дорогие приборы с разрядностью 4,5 (точность обычно около 0,1 %) и существенно более дорогие приборы с разрядностью 5 разрядов и выше
17) Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.
Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 - 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 -2,5).
Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.
Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения ui = р и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения ui, т. е. от мощности.
18) Мощность в цепи трехфазного тока может быть измерена с помощью одного, двух и трех ваттметров. Метод одного прибора применяют в трехфазной симметричной системе. Активная мощность всей системы равна утроенной мощности потребления по одной из фаз.
При соединении нагрузки звездой с доступной нулевой точкой или если при соединении нагрузки треугольником имеется возможность включить обмотку ваттметра последовательно с нагрузкой, можно использовать схемы включения, показанные на рис. 1.
Рис. 1 Схемы измерения мощности трехфазного переменного тока при соединении нагрузок а - по схеме звезды с доступной нулевой точкой; б - по схеме треугольника с помощью одного ваттметра
Если нагрузка соединена звездой с недоступной нулевой точкой или треугольником, то можно применить схему с искусственной нулевой точкой (рис. 2). В этом случае сопротивления должны быть равны Rвт+ Rа = Rb =Rc.
Рис 2. Схема измерения мощности трехфазного переменного тока одним ваттметром с искусственной нулевой точкой
Для измерения реактивной мощности токовые концы ваттметра включают в рассечку любой фазы, а концы обмотки напряжения - на две другие фазы (рис. 3). Полная реактивная мощность определяется умножением показания ваттметра на корень из трех. (Даже при незначительной асимметрии фаз применение данного метода дает значительную погрешность).
Рис. 3. Схема измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока одним ваттметром
Методом двух приборов можно пользоваться при симметричной и несимметричной нагрузке фаз. Три равноценных варианта включения ваттметров для измерения активной мощности показаны на рис. 4. Активная мощность определяется как сумма показаний ваттметров.
При измерении реактивной мощности можно применять схему рис. 5, а с искусственной нулевой точкой. Для создания нулевой точки необходимо выполнить условие равенства сопротивлений обмоток напряжений ваттметров и резистора R. Реактивная мощность вычисляется по формуле
где Р1 и Р2 - показания ваттметров.
По этой же формуле можно вычислить реактивную мощность при равномерной загрузке фаз и соединении ваттметров по схеме рис. 4. Достоинство этого способа в том, что по одной и той же схеме можно определить активную и реактивную мощности. При равномерной загрузке фаз реактивная мощность может быть измерена по схеме рис. 5, б.
Метод трех приборов применяется при любой нагрузке фаз. Активная мощность может быть замерена по схеме рис. 6. Мощность всей цепи определяется суммированием показаний всех ваттметров.
Рис. 4. Схемы измерения активной мощности трехфазного переменного тока двумя ваттметрами а - токовые обмотки включены в фазы А и С; б - в фазы А и В; в - в фазы В и С
Реактивная мощность для трех- и четырех-проводной сети измеряется по схеме рис. 7 и вычисляется по формуле
где РA, РB, РC - показания ваттметров, включенных в фазы А, В, С.
Рис. 5. Схемы измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока двумя ваттметрами
Рис. 6. Схемы измерения активной мощности трехфазного переменного тока тремя ваттметрами а - при наличии нулевого провода; б - с искусственной нулевой точкой
На практике обычно применяют одно-, двух- и трехэлементные трехфазные ваттметры соответственно методу измерения.
Чтобы расширить предел измерения, можно применить все указанные схемы при подключении ваттметров через измерительные трансформаторы тока и напряжения. На рис. 8 в качестве примера показана схема измерения мощности по методу двух приборов при включении их через измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Рис. 7. Схемы измерения реактивной мощности тремя ваттметрами
Рис. 8. Схемы включения ваттметров через измерительные трансформаторы.
19) Счётчик электрической энергии ‒ это электроизмерительный прибор для учёта электроэнергии, получаемой потребителем от сети за определённый промежуток времени. По характеру выполняемого измерения счетчики электроэнергии (СЭ) относятся к интегрирующим измерительным приборам. Основное отличие индукционного СЭ от показывающих приборов индукционной системы со стрелочным или световым указателем состоит в том, что его подвижная часть в виде алюминиевого диска 6 не связана пружиной и может свободно вращаться, причём каждому её обороту соответствует определённое значение измеряемой величины.
Индукционный счетчик имеет два электромагнита. Электромагнит 1 снабжен токовой катушкой с малым числом витком и проводом относительно большого сечения, а электромагнит 2 выполнен в виде магнитопровода с многовитковой катушки напряжения. Токовая катушка включена в измерительную цепь последовательно, а катушка напряжения – параллельно. Протекающие по катушкам токи создают в электромагнитах переменные магнитные потоки Фuот протекающего тока в катушке напряжения и ФI – от тока в токовой катушке. В результате взаимодействия потока Фuс вихревыми токами, индуктируемыми в диске потоком ФI, возникает вращающий момент, пропорциональный мощности Р, потребляемая активной нагрузкой. Электронный счетчик электроэнергии
В последнее время получили распространение однофазные и трехфазные электронные счетчики учета активной, реактивной и полной электроэнергии. Их основными достоинствами являются высокая точность, возможность телеметрической передачи показаний счетчика, учет электроэнергии по двухставочному тарифу (день/ночь). Принцип действия счетчика заключается в непрерывном преобразовании текущих мгновенных значений синусоидальных тока i и напряжения u с помощьюаналого-цифрового преобразователя(АЦП) через малые интервалы времени, задаваемые процессором, в числовые эквиваленты, последующем вычислении процессором активной мощности и электроэнергии и фиксации результатов вычислений в регистрирующем устройстве с помощью электровакуумных, жидкокристаллических или других индикаторов.
Электронный счетчик не содержит подвижных частей, а программирование процессора позволяет эффективно использовать его для телеметрической передачи данных в автоматизированных системах коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), для анализа суточных графиков нагрузки,многотарифного расчета за электроэнергию и т. п.
Электронный счетчик применим и для измерений энергии в цепях постоянного тока при наличии датчиков постоянного тока и напряжения и соответствующем программировании процессора.
20) В цепях переменного тока для измерения активной энергии в основном используются однофазные и трехфазные счетчики индукционной системы. Для измерения активной энергии в однофазных и трехфазных цепях однофазные счетчики включают по схемам, аналогичным схемам включения ваттметров.
В трехпроводных трехфазных цепях для измерения активной энергии применяют двухэлементныеобъединяющие измерительные системы двух однофазных счетчиков.
Для измерения активной энергии в четырехпроводных цепях трехфазного тока применяюттрехэлементные счетчики.
Реактивную энергию WРкак при симметричной, так и при несимметричной нагрузке в трехфазной цепи измеряют трехфазными индукционными счетчиками реактивной энергии.
· Индукционный счетчик электрической энергии
21. Измерение активных сопротивлений методом Амперметра-Вольтметра,
Метод амперметра-вольтметра. Основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений (рис. 1.9,а) и измерение малых сопротивлений (рис. 1.9,б). По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление.
Для схемы рис. 1.9,а искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются
где Rx - измеряемое сопротивление; Rа - сопротивление амперметра.
Для схемы рис. 1.9,6 искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются
где Rв -сопротивление вольтметра.
Из определения относительных методических погрешностей следует, что измерение по схеме рис. 1.9,а обеспечивает меньшую погрешность при измерении больших сопротивлений, а измерение по схеме рис. 1.9,6 - при измерении малых сопротивлений.
Погрешность измерения по данному методу рассчитывается по выражению
где γв, γa, - классы точности вольтметра и амперметра;
Uп, I п пределы измерения вольтметра и амперметра.
Используемые при измерении приборы должны иметь класс точности не более 0,2. Вольтметр подключают непосредственно к измеряемому сопротивлению. Ток при измерении должен быть таким, чтобы показания отсчитывались по второй половине шкалы. В соответствии с этим выбирается и шунт, применяемый для возможности измерения тока прибором класса 0,2. Во избежании нагрева сопротивления и, соответственно, снижения точности измерений, ток в схеме измерения не должен превышать 20% номинального.
22. Измерение активных сопротивлений с помощью логометра и омметром.
Измерение сопротивлений омметрами
Омметр
- измерительный прибор, предназначенный для измерения сопротивлений. Электронный омметр аналогового типа выполняют по схеме инвертирующего усилителя на ОУ, охваченного отрицательной ОС с помощью измеряемого сопротивления Rx
(рис. 14.3, а) Напряжение на выходе усилителя омметра определяется как
Uвых = – URХ / R1. (14.5)
Рис. 14.3. Схемы омметров для измерения сопротивлений:
а - малых; б - больших
Поскольку выходное напряжение линейно связано с измеряемым сопротивлением Rx, то шкала прибора И может быть проградуирована непосредственно в единицах сопротивления. Шкала равномерна в широких пределах. Погрешности измерения электронных омметров 2...4%.
Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами. На рисунке 2 приведена принципиальная схема логометра.
Схема логометра
Для этой схемы имеем:
Отклонение подвижной части логометра:
Таким образом, показание прибора не зависит от напряжения источника питания и определяется величиной измеряемого сопротивления Rx
В приборах для измерения особо больших активных сопротивлений (тераомметрах) сопротивленияRz
и R, надо поменять местами (рис. 14.3, б), при этом шкала измерительного прибора И получается обратной и напряжение
Uвых
= – UR1 / RХ (14.6)
Применение в одном приборе обоих вариантов схем позволяет создать измерители сопротивления с диапазоном измерения от единиц Ом до нескольких десятков МОм с погрешностью не более 10%. Измерители сопротивлений, построенные по приведенным схемам, используют для измерения сопротивлений и на переменном токе.
23. Электронные Омметры
Омме́тр (Ом + др.-греч. μετρεω «измеряю») - измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения электрических активных (омических) сопротивлений. Обычно измерение производится по постоянному току, однако, в некоторых электронных омметрах возможно использование переменного тока. Разновидности омметров: мегаомметры, гигаомметры, тераомметры, миллиомметры, микроомметры, различающиеся диапазонами измеряемых сопротивлений.
Классификация[править | править вики-текст]
По исполнению омметры подразделяются на щитовые, лабораторные и переносные
По принципу действия омметры бывают магнитоэлектрические - с магнитоэлектрическим измерителем или магнитоэлектрическимлогометром (мегаомметры) и электронные - аналоговые или цифровые
Магнитоэлектрические омметры
Действие магнитоэлектрического омметра основано на измерении силы тока, протекающего через измеряемое сопротивление при постоянном напряжении источника питания, с помощью магнитоэлектрического микроамперметра. Для измерения сопротивлений от сотен ом до нескольких мегаом измеритель (микроамперметр с добавочным сопротивлением), источник постоянного напряжения и измеряемое сопротивление rx включают последовательно. В этом случае сила тока I в измерителе равна: I = U/(r0 + rx), где U - напряжение источника питания; r0 - сопротивление измерителя (сумма добавочного сопротивления и сопротивления рамки микроамперметра).
Согласно этой формуле, магнитоэлектрический омметр имеют нелинейную шкалу. Кроме того, она является обратной (нулевому значению сопротивления соответствует крайнее правое положение стрелки прибора). Перед началом измерения сопротивления необходимо выполнить установку нуля (скорректировать величину r0) специальным регулятором на передней панели при замкнутых входных клеммах прибора, для компенсации нестабильности напряжения источника питания.
Поскольку типичное значение тока полного отклонения магнитоэлектрических микроамперметров составляет 50..200 мкА, для измерения сопротивлений до нескольких мегаом достаточно напряжения питания, которое даёт встроенная батарейка. Более высокие пределы измерения (десятки - сотни мегаом) требуют использования внешнего источника постоянного напряжения порядка десятков - сотен вольт.
Для получения предела измерения в единицы килоом и сотни ом, необходимо уменьшить величину r0 и соответственно увеличить ток полного отклонения измерителя путём добавления шунта.
При малых значениях rx (до нескольких ом) применяется другая схема: измеритель и rx включают параллельно . При этом измеряется падение напряжения на измеряемом сопротивлении, которое, согласно закону Ома, прямо пропорционально сопротивлению, (при условии I=const).
ПРИМЕРЫ: М419, М372, М41070/1
24. Мостовые измерители активного сопротивления
Мостовые измерения - методы измерения параметров электрических цепей на постоянном токе (сопротивления пост, току) и на переменном токе (активного сопротивления, емкости, индуктивности, взаимной индуктивности, частоты, угла потерь, добротности и др.) посредством мостовых схем. Мостовые измерения широко распространены также для электрических измерений неэлектрических величин при помощи датчиков - промежуточных преобразователей измеряемой величины в функционально связанный с ней параметр электрической цепи.
Мостовые измерения осуществляются с помощью измерит, мостов (мостовых установок), относящихся к категории приборов сравнения. В общем случае они основаны на применении некоторой электрической цепи, состоящей из нескольких известных и одного неизвестного (измеряемого) сопротивлений, питаемой одним источником и снабженной указывающим прибором.
Изменением известных сопротивлений эта цепь регулируется до достижения определенного, отмечаемого указателем, распределения напряжений на отдельных участках цепи. Очевидно, что заданному соотношению напряжений соответствует также определенное соотношение сопротивлений цепи, по которому можно вычислить неизвестное сопротивление, если остальные сопротивления известны.
25.Резонансный метод измерения индуктивности и емкости.
сосредоточенных элементов электрических цепей
Резонансный метод основан на измерении параметров колебательного контура, составленного из рабочего (образцового) элемента и исследуемой цепи. В качестве образцового элемента обычно используют конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком, обладающий высокой стабильностью, малыми потерями и низким температурным коэффициентом емкости (ТКЕ). Градуировка рабочего конденсатора делается с большой точностью: от этого зависит погрешность метода. Настраивая контур в резонанс и измеряя его добротность, можно по опытным данным рассчитать параметры исследуемой цепи.
Резонансный метод измерения параметров сосредоточенных элементов реализуется в измерителях добротности (куметрах). Упрощенная структурная схема прибора (рис. 2.1) содержит диапазонный генератор гармонических колебаний, колебательный контур, состоящий из рабочего конденсатора C0 и измеряемой цепи, а также электронный вольтметр, по показаниям которого фиксируют момент настройки в резонанс колебательного контура и определяют его добротность Q. В комплект прибора входит набор образцовых (рабочих) катушек индуктивности, используемых, в основном, при измерении емкости методом замещения. На каждой катушке указан диапазон частот, в пределах которого возможен резонанс для рабочего конденсатора данного куметра.
Рис. 2.1. Структурная схема измерителя добротности
Принцип измерения добротности с помощью куметра основан на известном свойстве последовательного колебательного контура - при резонансе амплитуда напряжения на емкости в Q раз превышает амплитуду напряжения на входе цепи. Измеряемый элемент подключают либо к клеммам “LХ “, последовательно с рабочим конденсатором куметра, либо к клеммам “CХ “ (в этом случае к клеммам “LХ“ должна быть подключена рабочая катушка индуктивности, соответствующая частоте измерения).
26.Измерение индуктивности, емкости, добротности и тангенса угла потерь мостовым методом. Для измерения параметров элементов цепей методом сравнения применяют мосты. Сравнение измеряемой величины (сопротивления, индуктивности, емкости) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения осуществляют вручную или автоматически, на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы обладают высокой чувствительностью, большой точностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров элементов. На основе мостовых методов строят средства измерения, предназначенные как для измерения какой-либо одной величины, так и универсальные аналоговые и цифровые приборы.
Существует несколько разновидностей мостовых схем измерения элементов R, L, С: четырехплечие, уравновешенные, неуравновешенные и процентные. Управление этими мостами может осуществляться как вручную, так и автоматически.
Наибольшее распространение получили схемы четырехплечих уравновешенных мостов (рис. 14.4). Для установления равновесия электронный или цифровой нуль-индикатор НИ включают в диагональ уравновешенного моста (рис. 14.4, а). Сопротивления четырехплечего моста в общем случае имеют комплексный характер:
где Z1, Z2, Z3, Z4,- модули комплексных сопротивлений; φ1, φ2, φ3, φ4 - их соответствующие фазы.
Рис. 14.4. Структурные схемы четырехплечих мостов:
а - обобщенная; б - для измерения активных сопротивлений
Условия равновесия моста определяются равенствами:
(14.9)
Для выполнения этих равенств необходимо наличие в плечах моста элементов с регулируемыми параметрами. Для обеспечения условия равенства амплитуд (14.8) наиболее удобно применять образцовое (эталонное) регулируемое активное сопротивление. Условий равновесия фаз (14.9) может выполнить эталонный конденсатор емкостью Со
с малыми потерями.
27. Цифровые средства измерения параметров элементов электрических цепей. При построении цифровых средств измерения параметров элементов электрических цепей, чаще всего используют сочетание аналогового преобразователя, преобразующего определяемый параметр элемента в активную величину, и соответствующего цифрового прибора для измерения этой величины.
Одним из методов измерения сопротивления, индуктивности и емкости является метод прямого преобразования их значений в пропорциональный интервал времени и измерение этого интервала путем заполнения его счетными импульсами. Этот метод измерения называют методом дискретного счета.
При методе дискретного счета используются закономерности апериодического процесса, возникающего при подключении заряженного конденсатора или катушки индуктивности с протекающим в ней током к образцовому резистору. При измерении активного сопротивления применяют процесс разряда образцового конденсатора через измеряемый резистор.
Измеряемый интервал времени оказывается функционально связанным с преобразуемым параметром. Данные преобразователи отличаются высокой точностью, быстродействием, линейностью функции преобразования, удобным для преобразования в цифровой код видом выходного сигнала.
Если цепочку RС (или LR) использовать как интегрирующее звено и подключить к источнику постоянного напряжения Uвх, тогда выходное напряжение Uвых будет изменяться во времени согласно уравнения:
Uвых (t) = Uвх (1 - е–t/τ). (17.4)
В момент, когда текущее время t = τ, напряжение на выходе будет точно равно значению:
Uвых = Uвх (1 - е–1) = 0,632 Uвх. (17.5)
Из уравнения (17.5) следует, что необходимо зафиксировать момент переходного процесса, когда t = τ. Если использовать образцовый источник Uо = Uвх, схему сравнения (компаратор) с опорным напряжением, равным 0,632 Uо и один из образцовых элементов Rо, Со, и Lо, тогда достаточно измерить время t = τ и по известным соотношениям τ = RС; τ = L/ R, рассчитать один из параметров Rх, Сх, и Lх.
Погрешность измерений цифровым методом составляет 0,1...0,2 % и зависит от нестабильности сопротивлений образцовых элементов, нестабильности частоты генератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения.
28. Датчики и их основные параметры Параметрические датчики.
датчики, в которых контролируемая физическая величина преобразуется в изменение таких параметров, как активное сопротивление, индуктивность или емкость. Параметрические датчики относятся к пассивным элементам и требуют источника питания для выявления изменения входной величины.
Датчик - первичный преобразователь контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего использования.
Это элемент:
Измерительного,
Сигнального,
Регулирующего
Управляющего
устройств, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы..
В состав датчика входят:
Воспринимающий (чувствительный)элемент;
Один или несколько промежуточных преобразователей.
Довольно часто датчик состоит только из одного воспринимающего органа (например: термопара, термометр сопротивления и т.д.)
1. Чувствительность датчика - изменение выходной величины в зависимости от изменения входной величины;
2. Погрешностью датчика - изменение выходного сигнала, возникающее в результате изменения внутренних свойств датчика или изменения внешних условий его работы.
3. Инерционность датчика - отставание изменений выходной величины от изменений входной величины.
Все эти показатели датчиков необходимо учитывать при выборе датчиков для автоматизации конкретной машины или технологического процесса.
А. В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают:
Датчики механических перемещений (линейных и угловых), - пневматические,
Электрические,
Расходомеры,
Датчики скорости,
Датчики ускорения,
Датчики усилия,
Датчики температуры,
Датчики давления и др.
P.S. В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности:
Температура – 50%,
Расход (массовый и объемный) – 15%,
Давление – 10%,
Уровень – 5%,
Количество (масса, объем) – 5%,
Время – 4%,
Электрические и магнитные величины – менее 4%.
29.Генераторные датчики; их виды принцип действия и область применения.
К группе генераторных датчиков можно отнести преобразователи различных видов энергии в электрическую. Наибольшее применение в качестве датчиков находят индукционные, термоэлектрические и пьезоэлектрические преобразователи.
Индукционные датчики.
Принцип действия индукционных датчиков основан на законе электромагнитной индукции, дающем возможность непосредственного преобразования входной: измеряемой Величины в ЭДС без источника дополнительной энергии. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного тока, представляющие собой небольшие электромашинные генераторы, у которых выходное напряжение пропорционально угловой скорости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.
Тахогенераторы постоянного тока бывают двух типов: с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением от независимого источника постоянного тока.
Так как индуктированна
Прямыми измерениями называют такие измерения, которые получены непосредственно с помощью измерительного прибора. К прямым измерениям можно отнести измерение длины линейкой, штангенциркулем, измерение напряжения вольтметром, измерение температуры термометром и т.п. На результатах прямых измерений могут оказать влияние различные факторы. Поэтому погрешность измерений имеет различный вид, т.е. имеет место погрешность прибора, систематические и случайные погрешности, ошибки округления при снятии отсчета со шкалы прибора, промахи. В связи с этим важно выявить в каждом конкретном эксперименте, какая из ошибок измерения является наибольшей, и если окажется, что одна из них на порядок превышает все остальные, то последними погрешностями можно пренебречь.
Если же все учитываемые погрешности по порядку величины одинаковы, то необходимо оценить совместный эффект нескольких различных погрешностей. В общем случае суммарная ошибка подсчитывается по формуле:
где – случайная погрешность, – погрешность прибора, – погрешность округления.
В большинстве экспериментальных исследований физическая величина измеряется не прямо, а через другие величины, которые в свою очередь определяются прямыми измерениями. В этих случаях измеряемая физическая величина определяется через прямо измеренные величины посредством формул. Такие измерения называются косвенными. На языке математики это означает, что искомая физическая величина f связана с другими величинами х 1, х 2, х 3, … ,. х n функциональной зависимостью, т.е
F = f (x 1 , x 2 ,….,х n )
Примером таких зависимостей может служить объем шара
.
В данном случае косвенно измеряемой величиной является V - шара, которая определится при прямом измерении радиуса шара R. Данная измеряемая величина V является функцией одной переменной.
Другим примером может быть плотность твердого тела
.
(8)
Здесь – является косвенно измеряемая величина, которая определяется прямым измерением массы тела m и косвенной величиной V . Данная измеряемая величина является функцией двух переменных, т.е.
= (m, V)
Теория погрешностей показывает, что погрешность функции оценивается суммой погрешностей всех аргументов. Погрешность функции будет тем меньше, чем меньше погрешностей её аргументов.
4.Построение графиков по экспериментальным измерениям.
Существенным моментом экспериментального исследования является построение графиков. При построении графиков, прежде всего необходимо выбрать систему координат. Наиболее распространенной является прямоугольная система координат с координатной сеткой, образованной равностоящими друг от друга параллельными прямыми (например, миллиметровая бумага). На осях координат через определенные промежутки наносятся деления в определенном масштабе для функции и аргумента.
В лабораторных работах при изучении физических явлений приходится учитывать изменения одних величин в зависимости от изменения других. Например: при рассмотрении движения тела устанавливается функциональная зависимость пройденного пути от времени; при изучении электросопротивления проводника от температуры. Можно привести еще множество примеров.
Переменную величину У называют функцией другой переменной величины Х (аргумент), если каждому значение У будет соответствовать вполне определенное значение величины Х , то можно записать зависимость функции в виде У = У(Х) .
Из определения функции следует, что для её задания необходимо указать два множества чисел (значений аргумента Х и функции У ), а так же закон взаимозависимости и соответствия между ними (Х и У ). Экспериментально функция может быть задана четырьмя способами:
Таблицей; 2. Аналитически, в виде формулы; 3. Графически; 4. Словесно.
Например: 1. Табличный способ задания функции –зависимости величины постоянного тока I от величины напряжения U , т.е. I = f (U ) .
Таблица 2
2.Аналитический способ задания функции устанавливается формулой, при помощи которой по заданным (известным) значениям аргумента можно определить соответствующие значения функции. Например, функциональная зависимость, приведенная в таблице 2, может быть записана формулой:
(9)
3.Графический способ задания функции.
Графиком функции I = f (U ) в декартовой системе координат называется геометрическое место точек, построенное по числовым значениям координатной точки аргумента и функции.
На рис. 1 построен график зависимости I = f (U ) , заданный таблицей.
Точки, найденные на опыте и наносимые на график, отмечаются отчетливо в виде кружочков, крестиков. На графике для каждой построенной точки необходимо указывать погрешности в виде «молоточков» (см. рис 1). Размеры этих «молоточков» должны быть равны удвоенному значению абсолютных ошибок функции и аргумента.
Масштабы графиков надо выбирать так, чтобы наименьшее расстояние, отсчитываемое по графику, было бы не меньше наибольшей абсолютной погрешности измерений. Однако такой выбор масштаба не всегда удобен. В некоторых случаях удобней взять по одной из осей несколько больший или меньший масштаб.
Если исследуемый интервал значений аргумента или функции отстоит от начала координат на величину, сравнимую с величиной самого интервала, то целесообразно перенести начало координат в точку, близкую к началу исследуемого интервала, как по оси абсцисс, так и по оси ординат.
Проведение кривой (т.е. соединение экспериментальных точек) через точки обычно осуществляется в соответствии с идеями метода наименьших квадратов. В теории вероятностей показано, что наилучшим приближением к экспериментальным точкам будет такая кривая (или прямая), для которой сумма наименьших квадратов отклонений по вертикали от точки до кривой будет минимальной.
Нанесенные на координатную бумагу точки соединяют плавной кривой, причем кривая должна проходить возможно ближе ко всем экспериментальным точкам. Проводить кривую следует так, чтобы она лежала возможно ближе к точкам не превышаемые погрешности и чтобы по обе стороны кривой оказывалось приблизительно равное их количество (см. рис. 2).
Если при построении кривой одна или несколько точек выходят за пределы области допустимых значений (см. рис. 2, точки А и В ), то кривую проводят по остальным точкам, а выпавшие точки А и В как промахи не берут в учет. Затем проводят повторные измерения в этой области (точки А и В ) и устанавливается причина такого отклонения (либо это промах или законное нарушение найденной зависимости).
Если исследуемая, экспериментально построенная функция обнаруживает «особые» точки, (например, точки экстремума, перегиба, разрыва и т.д.). То увеличивается число экспериментов при малых значениях шага (аргумента) в области особых точек.
