Технические средства и методы измерения электрических величин. Исембергенов Н.Т Методы и средства измерений и контроля электрических величин

Изучение электроизмерительных приборов. Методы расширения пределов измерения электроизмерительных приборов.

Цели работы:

1. Ознакомиться с методами расширения пределов электроизмерительных приборов;

3. Изготовить омметр и провести измерение сопротивлений с его помощью.

Приборы:

1. Гальванометр (миллиамперметр 50-100-200мА);

2. Амперметр (1-2) А;

3. Вольтметр (15-60) В;

4. Реостат (30 Ом);

5. Магазин сопротивлений типа Р-33;

6. Источник напряжения (типа ВС-24);

7. Проволока для изготовления шунта (медь);

8. Масштабная линейка;

9. Микрометр;

10. Соединительные провода

Примечание : Технические характеристики приборов записать в рабочую тетрадь.

Введение

Электрические измерения

Средства измерений – это особые технические средства, приводимые во взаимодействие с материальным объектом. Результатом измерений является значение физической величины. Физические величины подразделяют на непрерывные (аналоговые) и дискретные (квантованные). Большинство физических величин являются аналоговыми (напряжение, сила тока, температура, длина и т.д.). квантованной величиной является, например, электрический заряд.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Существуют следующие основные группы средств для измерения электрических, магнитных и неэлектрических физических величин:

Аналоговые электромеханические и электронные приборы

Цифровые измерительные приборы и аналого-цифровые преобразователи

Измерительные преобразователи электрических и неэлектрических величин в электрические сигналы

Регистрирующие приборы (самопишущие приборы, осциллографы, магнитографы и др.

Измерительные информационные системы и вычислительные комплексы и т.д.

Все приборы делятся на аналоговые измерительные приборы (например, электроизмерительный прибор с отсчетным устройством в виде стрелки, перемещающейся по шкале с делениями) и цифровые измерительные приборы (показания представляются в цифровой форме). Цифровые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. В них измеряемая величина (например, напряжение) автоматически сравнивается с эталонной величиной, после ряда преобразований результат сравнения выдается на экран в виде светящегося числа. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока.

Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения величины во времени применяются региотрирующие приборы – ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые. В цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный, вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управление встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме.

Аналого-цифровые преобразователи. Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,01 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1 – 0,003 %. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4 – 0,002 %), но зато время преобразования от ~ 10мкс до ~ 1мс.

Параллельные АЦП – самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность – от 0,4 до 2%.

По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы делят на следующие группы: амперметры (для измерения величины тока), вольтметры (для измерения напряжения), омметры (для измерения сопротивления), ваттметры (для измерения мощности), частотомеры (для измерения частоты), фазометры (для измерения сдвига фаз в электрических цепях) и т.д.

По способу представления результатов измерений приборы и устройства можно разделить на показывающие и регистрирующие. По методу измерения средства электроизмерительной техники можно разделить на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения (уравновешивания). По способу применения и по конструкции электроизмерительные приборы и устройства делятся на щитовые, переносные и стационарные. По точности измерения приборы делятся на измерительные (в которых нормируются погрешности); индикаторы, или внеклассные приборы (погрешность измерений больше предусматриваемой соответствующими стандартами), и указатели (погрешность не нормируется).

По принципу действия или физическому явлению можно выделить следующие укрупненные группы: электромеханические, электронные, термоэлектрические и электрохимические. В зависимости от способа защиты схемы прибора от воздействия внешних условий корпуса приборов делятся на обыкновенные, водо-, газо-, и пылезащищенные, герметические, взрывобезопасные.

Измерение электрических величин

Гальванометр – электроизмерительный прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению и предназначенный для измерения весьма малых токов, напряжений, величины заряда. Используя комбинацию гальванометра с различными шунтами и добавочными сопротивлениями, можно изготовить приборы для измерения различных электрических величин (амперметры, вольтметры и т.д.)

Измерение токов

Для непосредственного измерения тока в цепи применятся амперметры, которые включаются в цепь так, чтобы через них проходил весь измеряемый ток, т.е. последовательно тем участкам цепи, где необходимо измерить ток. Амперметр должен иметь малое сопротивление, чтобы его включение в цепь не могло заметно изменить величину тока в цепи. Существуют четыре схемы включения амперметра в цепь. Первые две (рис. 1а, 16) предназначены для измерения постоянного тока, а две вторые схемы

(1в,1г) – для измерения переменного тока.

Вторая и четвертая схемы (рис 16,1 г) применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования.

Для расширения пределов измерения амперметра параллельно ему необходимо присоединить проводник, называемый шунтом. Признаком параллельного соединения является разветвление тока. В данном случае электрический ток I 0 разветвляется на два тока I 0 и I m (рис.2), где R r – сопротивление гальванометра (исходного амперметра), I r – ток, протекающий через гальванометр (исходный амперметр), R m – сопротивление шунта, I ш – ток, протекающий через шунт, I 0 - ток, измеряемый амперметром с шунтом («новый» прибор).

Из закона сохранения зарядов следует, что:

I a = I m +I a (1)

Напряжение при параллельном соединении в ветвях одинаково, поэтому можно записать:

U= I m R m =I a R a

Откуда следует, что

При параллельном соединении проводников токи в отдельных проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям, т.е. чем меньше сопротивление шунта по сравнению с сопротивлением приборов, тем большая часть измеряемого тока отводится через шунт.

Коэффициентом шунта называется число, показывающее, во сколько раз предельный ток, измеряемый амперметром с шунтом, больше предельного тока, измеряемого гальванометром (исходной амперметром) без шунта:

Разделив обе части равенства (1) на I r , получим:

Но, так как

Равенство (4) можно записать так:

n = R r / R ш +1

Отсюда сопротивление шунта равно:

Таким образом, чтобы измерить амперметром в n раз больший ток, необходимо взять сопротивление шунта в (n-1) меньше сопротивления исходного амперметра.

где ρ – удельное сопротивление материала шунта,

L - длина проводника

S = / 4 – площадь поперечного сечения проводника, из которого изготовлен шунт

d – диаметр проволоки

Обычно шунты изготавливают из манганина, имеющего большое удельное сопротивление и малый термический коэффициент сопротивления.

Измерение напряжений

Для измерения напряжений в цепи применяются вольтметры, которые включаются в цепь параллельно (к тем точкам цепи, между которыми измеряется напряжение). Вольтметр должен иметь очень высокое внутреннее сопротивление, чтобы не влиять заметно на режим исследуемой цепи. Измерение напряжения производится вольтметром. Здесь также возможны четыре различных схемы подключения прибора (рис.3).

В этих схемах также используются методы расширения пределов измерения напряжения (вторая и четвертая схемы рис.3б, 3г), для расширения предела измерения вольтметра последовательно с ним включается добавочное сопротивление R 0 (рис.4).

По закону Ома:

или (7)

ЛЕКЦИЯ № 1

Тема: ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1. Общие сведения об электроизмерительных приборах

Электроизмерительные приборы предназначены для измерения различных величин и параметров электрической цепи: напряжения, силы тока, мощности, частоты, сопротивления, индуктивности, емкости и других.

На схемах электроизмерительные приборы изображаются условными графическими обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.729-68. На рис.1.1 приведены общие обозначения показывающих и регистрирующих приборов.

Рис. 1.1 Условные графические обозначения электроизмерительных приборов.

Для указания назначения электроизмерительного прибора в его общее обозначение вписывают конкретизирующее условное обозначение, установленное в стандартах, или буквенное обозначение единиц измерения прибора согласно ГОСТ в соответствии с табл.1.1.

Таблица 1.1

2. Электромеханические измерительные приборы

По принципу действия электромеханические приборы подразделяются на приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, ферродинамической, индукционной, электростатической систем. Условные обозначения систем приведены в табл. 1.2. Наибольшее распространение получили приборы первых трех типов: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические.

Таблица 1.2

3. Области применения электромеханических приборов

Магнитоэлектрические приборы: щитовые и лабораторные амперметры и вольтметры; нулевые индикаторы при измерениях в мостовых и компенсационных цепях.

В промышленных установках переменного тока низкой частоты большинство амперметров и вольтметров - приборы электромагнитной системы. Лабораторные приборы класса 0,5 и точнее могут изготовляться для измерения постоянного и переменного токов и напряжения.

Электродинамические механизмы используются в лабораторных и образцовых, приборах для измерения постоянных и переменных токов, напряжений и мощностей.

Индукционные приборы на базе индукционных механизмов используют главным образом в качестве одно - и трехфазных счетчиков энергии переменного тока. По точности счетчики подразделяются на классы 1,0; 2,0; 2,5. Счетчик СО (счетчик однофазный) используют для учета активной энергии (ватт-часов) в однофазных цепях. Для измерения активной энергии в трехфазных цепях применяют двухэлементные индуктивные счетчики, счетный механизм которых учитывает киловатт-часы. Для учета реактивной энергии служат специальные индуктивные счетчики, имеющие некоторые изменения в устройстве обмоток или в схеме включения.

Активные и реактивные счетчики устанавливают на всех предприятиях для расчета с энергоснабжающими организациями за используемую электроэнергию.

Принцип выбора измерительных приборов

1.Определяют расчетом цепи максимальные значения тока, напряжения и мощности в цепи. Часто значения измеряемых величин известны заранее, например, напряжение сети или аккумуляторной батареи .

2. В зависимости от рода измеряемой величины, постоянного или переменного тока, выбирают систему прибора. Для технических измерений постоянного и переменного тока выбирают соответственно магнитоэлектрическую и электромагнитную системы. При лабораторных и точных измерениях для определения постоянных токов и напряжений применяют магнитоэлектрическую систему, а для переменного тока и напряжения - электродинамическую систему.

3. Выбирают предел измерения прибора таким образом, чтобы
измеряемая величина находилась в последней, третьей части шкалы
прибора.

4. В зависимости от требуемой точности измерения выбирают класс
точности прибора.

4. Способы включения приборов в цепь

Амперметры включают в цепь последовательно с нагрузкой, вольтметры - параллельно, ваттметры и счетчики, как имеющие две обмотки (токовую и напряжения), включают последовательно – параллельно (Рис. 1.2.).

DIV_ADBLOCK111">

https://pandia.ru/text/78/613/images/image016_8.gif" width="393" height="313 src=">

Рис. 1.3. Способы расширения пределов измерения приборов.

Цена деления многопредельных амперметров, вольтметров, ваттметров определяется по формуле:

П" в старшем разряде) и изменить полярность входного сигнала при мигании знака "-" в старшем разряде.

Погрешность измерения мультиметра ВР-11 А.

Постоянное напряжение: ±(0,5% Ux +4 зн.).

Переменное напряжение: ±(0,5% Ux + 10 зн.),

где Ux - показание прибора;

зн. - единица младшего разряда.

Достоинства электронных приборов: высокое входное сопротивление, что позволяет проводить измерения без влияния на цепь; широкий диапазон измерений, высокая чувствительность, широкий частотный диапазон, высокая точность измерений.

6. Погрешности измерений и измерительных приборов

Качество средств и результатов измерений принято характеризовать указанием их погрешностей. Разновидностей погрешностей около 30. Определения им даны в литературе по измерениям. Следует иметь в виду, что погрешности средств измерений и погрешности результатов измерений - понятия не идентичные. Исторически часть наименований разновидности погрешностей закрепилась за погрешностями средств измерений, другая за погрешностями результатов измерений, а некоторые применяются по отношению и к тем, и к другим.

Способы представления погрешности следующие.

В зависимости от решаемых задач используются несколько способов представления погрешности, чаще всего используются абсолютная, относительная и приведенная.

Абсолютная погрешность – измеряется в тех же единицах что и измеряемая величина. Характеризует величину возможного отклонения истинного значения измеряемой величины от измеренного.

Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к значению величины. Если мы хотим определить погрешность на всем интервале измерений, мы должны найти максимальное значение отношения на интервале. Измеряется в безразмерных единицах.

Класс точности – относительная погрешность, выраженная в процентах. Обычно значения класса точности выбираются из ряда: 0,1; 0,5: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и т. д.

Понятия абсолютной и относительной погрешностей применяют и к измерениям, и к средствам измерения, а приведенная погрешность оценивает только точность средств измерения.

Абсолютная погрешность измерения - это разность между измеренным значением х и ее истинным значением хи:

Обычно истинное значение измеряемой величины неизвестно, и вместо него в (1.1) подставляют значение величины, измеряемой более точным прибором, т. е. имеющим меньшую погрешность, чем прибор, дающий значение х. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Формулой (1.1) пользуются при поверке измерительных приборов.

Относительная погрешность https://pandia.ru/text/78/613/images/image020_7.gif" width="99" height="45"> (1.2)

По относительной погрешности измерения проводят оценку точности измерения.

Приведенная погрешность измерительного прибора определяется как отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению xn и выражается в процентах:

(1.3)

Нормирующее значение обычно принимают равным верхнему пределу рабочей части шкалы, у которой нулевая отметка находится на краю шкалы.

Приведенная погрешность определяет точность измерительного прибора, не зависит от измеряемой величины и имеет единственное значение для данного прибора. Из (1..gif" width="15" height="19 src="> тем больше, чем меньше измеряемая величина х по отношению к пределу измерения прибора хN.

Многие измерительные приборы различаются по классам точности. Класс точности прибора G - обобщенная характеристика, которая характеризует точность прибора, но не является непосредственной характеристикой точности измерения, выполняемого с помощью данного прибора.

Класс точности прибора численно равен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности, вычисленной в процентах. Для амперметров и вольтметров установлены следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0. Эти числа наносятся на шкалу прибора. Например, класс 1 характеризует гарантированные границы погрешности в процентах (± 1%, например, от конечного значения 100 В, т. е. ±1В) в нормальных условиях эксплуатации.

По международной классификации приборы с классом точности 0,5 и точнее считаются точными или образцовыми, а приборы с классом точности 1,0 и грубее - рабочими. Все приборы подлежат периодической поверке на соответствие метрологических характеристик, в том числе и класса точности, их паспортным значениям. При этом образцовый прибор должен быть точнее поверяемого через класс, а именно: поверка прибора с классом точности 4,0 проводится прибором с классом точности 1,5, а поверка прибора с классом точности 1,0 проводится прибором с классом точности 0,2.

Поскольку на шкале прибора приводится и класс точности прибора G, и предел измерения XN, то абсолютная погрешность прибора определяется из формулы (1.3):

https://pandia.ru/text/78/613/images/image019_7.gif" width="15 height=19" height="19"> с классом точности прибора G выражается формулой:

откуда следует, что относительная погрешность измерения равна классу точности прибора только при измерении предельной величины на шкале, т. е. когда х = XN. С уменьшением измеряемой величины относительная погрешность возрастает. Во сколько раз XN > х, во столька раз > G. Поэтому рекомендуется выбирать пределы измерения показывающего прибора так, чтобы отсчитывать показания в пределах последней трети шкалы, ближе к ее концу.

7. Представление результата измерений при однократных измерениях

Результат измерения состоит из оценки измеряемой величины и погрешности измерения, характеризующей точность измерения. По ГОСТ 8.011-72 результат измерения представляют в форме:

где А - результат измерения;

Абсолютная погрешность прибора;

Р - вероятность, при статистической обработке данных.

При этом А и https://pandia.ru/text/78/613/images/image023_5.gif" width="15" height="17"> не должна иметь более двух значащих цифр.

Методы измерения токов и напряжений зависят от величины и вида этих электрических величин.

Для определения малых постоянных токов можно использовать как прямые, так и косвенные измерения. В первом случае ток можно измерять зеркальными гальванометрами и стрелочными магнитоэлектрическими приборами. Наименьший ток, который можно измерить зеркальным гальванометром, равен приблизительно 10" п А, а стрелочный магнитоэлектрический прибор позволяет измерить величину 10 6 А.

Косвенно неизвестный ток определяют по падению напряжения на высокоомном резисторе или по заряду, накопленному конденсатором. В качестве приборов используются баллистические гальванометры с минимально измеряемым током 10‘ 12 А и электрометры с минимально измеряемым током 10 17 А.

Электрометрами называют приборы высокой чувствительности по напряжению с входным сопротивлением до 10 15 Ом. Механизм электрометра представляет собой разновидность механизма электростатического прибора, который имеет один подвижный и несколько неподвижных электродов, находящихся под разными потенциалами.

Квадрантный электрометр представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1.

Устройство имеет подвижную часть 1 с зеркалом 2, которая закреплена на подвесе 3 и расположена внутри четырех неподвижных электродов 4, называемых квадрантами. Измеряемое напряжение Их включается между подвижной частью и общей точкой, а на квадранты от вспомогательных источников подаются постоянные напряжения U, значения которых равны, но противоположны по знаку. Отклонение подвижной части в этом случае равно

где С - емкость между подвижным электродом и двумя соединенными между собой квадрантами, М- удельный противодействующий момент, зависящий от конструкции подвеса. Отклонение подвижной части, а следовательно, и чувствительность электрометра пропорциональны вспомогательному напряжению U, значение которого обычно выбирают в пределах до 200 В. Чувствительность квадрантных электрометров при вспомогательном напряжении 200 В достигает 10 4 мм/В.

К средним токам и напряжениям условно можно отнести токи в диапазоне от 10 мА до 100 А и напряжения от 10 мВ до

600 В. Для измерения средних постоянных токов можно использовать прямые и косвенные измерения. Для измерения напряжений используют только прямые измерения.

При прямых измерениях ток и напряжение можно измерять приборами магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем, а также электронными и цифровыми приборами Напряжение можно измерять приборами электростатической системы и потенциометрами постоянного тока.

Наиболее точные приборы магнитоэлектрической системы, предназначенные для измерения средних токов и напряжений, имеют класс точности 0,1.

В тех случаях, когда необходимо измерить напряжение или ток с высокой точностью, используют потенциометры постоянного тока, цифровые вольтметры и амперметры. Класс точности наиболее точных потенциометров 0,001, цифровых вольтметров - 0,002, а цифровых амперметров - 0,02. Измерение тока при помощи потенциометра проводят косвенным путем, при этом искомый ток определяют по падению напряжения на образцовом резисторе. Преимуществом потенциометров и цифровых приборов является малое потребление мощности.

Измерение больших токов и напряжений проводят с помощью аттенюаторов. Шунтирование магнитоэлектрических приборов дает возможность измерять постоянные токи до нескольких тысяч ампер. Обычно для измерения больших токов часто используют несколько шунтов, соединенных параллельно. Несколько одинаковых шунтов подключают в разрыв шины, а проводники от потенциальных зажимов всех шунтов подводят к одному и тому же прибору.

Электростатические вольтметры позволяют измерять напряжения до 300 кВ. Для определения более высоких значений напряжения используют измерительные трансформаторы.

Для оценки переменных токов и напряжений используют понятия действующего или среднеквадратического значения, амплитудного или максимального значения и средневыпрям- ленного значения.

Действующее, амплитудное и средневыпрямленное значения связаны между собой через коэффициент формы кривой и коэффициент амплитуды.

Коэффициент формы сигнала равен

где U a - действующее значение сигнала, U cp - средневыпрямленное значение сигнала.

Коэффициент амплитуды сигнала определяется как

где Uа - амплитудное значение сигнала.

Значения этих коэффициентов зависят от формы кривой напряжения или тока. Для синусоиды = 1,11 и к а = л/2 = 1,41. Отсюда, измерив одно из трех указанных выше значений измеряемой величины, можно определить остальные.

При несинусоидальном сигнале чем ближе он будет к прямоугольной форме, тем ближе к единице будут коэффициенты кф и к и. Для узкой и острой формы кривой измеряемой величины эти коэффициенты будут иметь большее значение.

Приборы электродинамической, ферродинамической, электромагнитной, электростатической и термоэлектрической систем реагируют на действующее значение измеряемой величины. Приборы выпрямительной системы реагируют на средневыпрямленное значение измеряемой величины. Приборы электронной системы, как аналоговые, так и цифровые, в зависимости от типа измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное, могут реагировать на действующее, средневыпрямленное или амплитудное значение измеряемой величины.

Вольтметры и амперметры всех систем обычно градуируют в действующих значениях при синусоидальной форме кривой тока. При несинусоидальной форме кривой у приборов, реагирующих на средневыпрямленное или амплитудное значение тока или напряжения, будет возникать дополнительная погрешность, так как коэффициенты кф и к а при несинусоидальной форме кривой отличаются от соответствующих значений для синусоиды.

Основы метрологии

1. Метрология – наука об измерениях

a. Предмет и задачи метрологии

b. Метрологическое обеспечение и его структура

2. Понятие измерения, его роль и место в метрологии

a. Понятие измерения

b. Классификация измерений

c. Характеристики измерений

d. Методы измерений и их классификация

3. Единицы физических величин и их системы. Основное уравнение измерений

4. Средства измерений

a. Классификация средств измерений

b. Метрологические характеристики средств измерений

c. Классы точности средств измерений и их нормирование

d. Структурные схемы средств измерений. Связь между характеристиками и структурой средства измерений

5. Передача размера единиц от эталонов образцовым и рабочим средствам измерений. Поверка средств измерений

a. Поверка средств измерений. Основные цели и задачи. Качество поверки и ее периодичность.

b. Эталоны и образцовые средства измерений, их место в системе воспроизведения и передачи размеров единиц

c. Поверочные схемы и способы их построения.

d. Организация и проведение поверки средств измерений.

Погрешности измерения

1. Общие сведения о погрешности измерения
2. Классификация погрешностей
3. Систематические погрешности

a. Понятие систематической погрешности

b. Причины возникновения систематических погрешностей

c. Обнаружение и исключение систематических погрешностей

1. Случайные погрешности

a. Понятие случайной погрешности измерений и причины их возникновения.

b. Генеральная совокупность и ее числовые характеристики

c. Важнейшие функции распределения

d. Числовые характеристики генеральной совокупности

e. Выборка и ее характеристики

f. Построение доверительного интервала

g. Исключение грубых погрешностей

Обработка и представление результатов измерения

1. Однократные прямые измерения

2. Обработка результатов прямых измерений с многократными наблюдениями

3. Обработка и представление результатов косвенных измерений.

4. Выбор средств измерений, обеспечивающих необходимое качество измерений.

5. Обработка результатов измерений при наличии нескольких источников погрешности.

6. Представление результатов измерений

Технические средства и методы измерения электрических величин

1. Меры электрических величин, их устройство и характеристики

a) Мера ЭДС. Назначение, устройство, основные характеристики.

b) Меры сопротивления, емкости и индуктивности. Назначение, устройство, основные характеристики.

2. Аналоговые средства измерения

a) Устройство и характеристики измерительных преобразователей, используемых в средствах измерения электрического тока и напряжения

i. Пассивные преобразователи без изменения рода тока. Назначение, устройство, основные характеристики.

ii. Пассивные преобразователи с изменением рода тока

iii. Активные преобразователи

b) Электромеханические измерительные механизмы и средства измерений на их основе

i. Магнитоэлектрический измерительный механизм. Назначение, устройство, основные характеристики.

ii. Электромагнитный измерительный механизм. Назначение, устройство, основные характеристики.

iii. Электродинамический измерительный механизм. Назначение, устройство, основные характеристики.

iv. Электростатический измерительный механизм. Назначение, устройство, основные характеристики.

c) Электронные аналоговые средства измерений

i. Электронные вольтметры постоянного тока. Назначение, устройство, основные характеристики.

ii. Электронные вольтметры переменного тока. Назначение, устройство, основные характеристики.

d) Универсальный электронный осциллограф. Назначение, устройство, основные характеристики.

e) Компенсаторы и мосты постоянного тока. Назначение, устройство, основные характеристики.

3. Цифровые средства измерения

a) Принципы работы АЦП. Дискретизация во времени и квантование по уровню.

b) Восстановление сигнала по дискретным отсчетам. Теорема Котельникова (без доказательства)

c) Основные характеристики и источники погрешности АЦП.

d) Коды и системы счисления

i. АЦП последовательного счета. Принцип работы и основные характеристики.

ii. АЦП поразрядного уравновешивания. Принцип работы и основные характеристики

f) ЦАП. Принцип работы устройства сравнения.

g) Принцип работы, устройство и основные характеристики цифровых средств измерения последовательного счета

i. Цифровой измеритель временных интервалов. Назначение, устройство, основные характеристики.

ii. Цифровые фазометры (без усреднения и с усреднением). Назначение, устройство, основные характеристики.

iii. Цифровые частотомеры и периодомеры. Назначение, устройство, основные характеристики.

iv. Цифровой время-импульсный вольтметр. Назначение, устройство, основные характеристики.

(Документ)

n1.doc

1. 
   Устройства электромеханических преобразователей?
2. 
   По какому принципу классифицируется электромеханические преобразователи?
3. 
   Перечислите достоинства и недостатков магнитоэлектрических преобразователей?
4. 
   Перечислите достоинства и недостатков электромагнитных преобразователей?
5. 
   Перечислите достоинства и недостатков электродинамических преобразователей?
6. 
   Перечислите достоинства и недостатков ферродинамических преобразователей?
7. 
   Перечислите достоинства и недостатков электростатических преобразователей?
8. 
   Перечислите достоинства и недостатков индукционных преобразователей?
9. 
   Укажите обязательные функциональные узлы электромеханических приборов?

Лекция 8. Измерения при помощи мостов и компенсаторов электрических величин: сопротивления, емкости, угла, потерь, индуктивности, ЭДС и напряжения.

Мосты

Мосты постоянного и переменного тока нашли широкое применение для измерения параметров электрических цепей. Их основными достоинствами являются сравнительно высокая точность, высокая чувствительность и универсальность, т.е. возможность измерения различных величин.

Мосты применяются для измерения параметров электрических цепей (R, L, C), преобразования этих параметров в электрические сигналы и т.д. На рис. 10 показана простейшая мостовая схема – четырехплечий мост. Он содержит четыре комплексных сопротивления Z1, Z2, Z3 и Z4. В одну из диагоналей подключается источник питания , а в другую – сравнивающее устройство, в качестве которого могут быть использованы гальванометры. В зависимости от вида напряжения, питающего мостовую схему, различают мосты постоянного и переменного тока. Мосты постоянного тока применяются для измерения сопротивления постоянному току, а мосты переменного тока – для измерения индуктивности, емкости, добротности и угла потерь.

Мостовые цепи обладают одним важным свойством – при определенном соотношении сопротивлении плеч моста ток в диагонали
отсутствует, т.е.
. Такое состояние называется равновесием моста. Условие равновесия моста имеет вид

(8.1)

Для мостов постоянного тока, во все плечи которых включены лишь активные сопротивления, условия равновесия можно записать как

(8.2)

В мостах переменного тока комплексные сопротивления, входящие в плечи моста, можно записать в показательной форме
. Тогда для мостов переменного тока уравнение (8.1) можно представить в виде

Тогда условие равновесия мостов переменного тока примет вид

(8.3)

Таким образом, чтоб уравновесить мост переменного тока, необходимо иметь два регулируемых элемента, изменяющихся величину модуля и фазового сдвига.

Мосты постоянного тока делятся на одинарные и двоичные. Одинарными мостами измеряются сопротивление от 10 до 10 8 – 10 10 Ом. Значения измеряемого сопротивления можно вычислить, исходя из условия равновесия (9.1) по известным диагоналям трех остальных сопротивлений:

(8.4)

Плечо с резистором R3 называется плечом сравнения, а плечи с R2 и R4 – плечами отношения.

Нижний предел измерения одинарного моста ограничен тем, что при малом измеряемом сопротивлении R x большую погрешность вносят сопротивления соединительных проводов и контактов, включенных последовательных с измеряемым объектом. Для повышения точности измерении необходимо применять четырехзажимные и двойные мосты.

Для измерения малых сопротивлении от 10 -8 до 10 2 Ом используются двойные мосты (рис.11, а). Условия равновесия двойных мостов можно получить, произведя преобразование треугольника из резисторов R2, R3 и r в квивалентную звезду с резистороми R a , R b и R c (рис.11, б):

,
,

Тогда условие равновесия полученного одинарного моста запишется в виде

(8.5)

Практический воспользоваться этим уравнением трудно, так как, во- первых, входящее в уравнение (9.5) сопротивление r неизвестно и можно лишь приближенно оценить его величину, а во- вторых, само уравнение весьма громоздко и неудобно для расчетов. Поэтому с целью уменьшение влияния r на результаты измерения и упрощения уравнения (9.5) стараются уменьшить величину второго слагаемого, чтобы им можно было пренебречь без ущерба для точности измерения. Это достигается, если выполнить условие.

.

С этой целью обычно в двойных мостах делают, чтобы R1= R2 и R3= R4. Тогда уравнение (8.5) можно представить в виде

. (8.6)

Так как точность изготовления резисторов ограничена, в реальных мостах R1 и R2, R3 и R4 не могут быть выполнены абсолютно одинаковыми. Кроме того, в плечи моста входят также сопротивления соединительных проводов, точный учет которых затруднителен. Поэтому погрешность измерения, обусловленная ненулевым значением второго слагаемого в уравнении (7.5), будет тем меньше, чем меньше сопротивление r. Поэтому резистор r выполняется из короткого отрезка проводов большого сечения, а резисторы R1- R4 выбирают по возможности большими (не менее 10 – 100 Ом).

Так двойные мосты используют лишь для измерения сопротивлении от 10 -8 до 10 2 Ом, то падение напряжения на R x и R N очень малы и термо- ЭДС, возникающие в местах присоединения к плечам моста соединительных проводников, становятся соизмеримыми с этими падениями напряжения и вносят погрешность в результат измерения. Для исключения влияния термо – ЭДС уравновешивание моста производят дважды при двух направлениях тока. В качестве результата измерения берут среднее арифметическое из результата двух этих измерении.

Точность измерения сильно зависит от точности уравновешивания моста, которое зависит от чувствительности схемы. В общем виде под чувствительностью моста понимают отношение отклонения указателя гальванометра, вызываемого изменением сопротивления какого- либо из плеч предварительно уравновешенного моста к величине этого изменения R,

. (8.7)

Практически чувствительность моста определяется с помощью относительной чувствительности

, (8.8)

где
- относительное изменение сопротивления, выраженное в процентах.

Мосты переменного тока применяются для измерения индуктивности, добротности, емкости и тангенса угла потерь. Они могут быть использованы также для измерения активного сопротивления постоянному и переменному току. Параметры мостов подбирают таким образом, чтобы условия равновесия были независимы или зависимы от частот. В первом случае они называются частотно- независимыми, а во втором – частотно – зависимыми. На рис.12 приведены наиболее распространены схемы мостов переменного тока.

Мосты, представлены на рис. 4.3.а и 4.3.б применяются для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов с малыми (последовательная схема замещения) и большими (параллельная схема замещения) потерями. Уравновешивание реактивной составляющей с помощью резистора R4, а активной- R2. Для измерения индуктивности и добротности используются схемы, показанные на рис.12, в и 12, г. Для уравновешивания активной составляющей используется резистор R4, а реактивной – R2.

Для всех приведенных схем нетрудно заметить, что при измерении емкости и индуктивности все четыре схемы являются частотно – независимыми, а при измерении тангенса угла потерь и добротности – частотно- зависимыми.

Литература 1 осн , 3осн

Контрольные вопросы:

1. По какому принципу классифицируется мосты?

1. 
   По какому принципу классифицируется компенсаторы?
2. 
   Чем отличается уравновешенный мост от неуравновешенного?
3. 
   В чем заключается широкое применение мостовых схем?
4. 
   Каких физических величин можно измерить с помощью мостов?

Лекция 9. Измерения силы токов и напряжений. Измерения постоянных токов и напряжений. Измерение сопротивлений.

Измерения силы токов и напряжений

Токи и напряжения являются наиболее распространенными электрическими величинами, которые при­ходится измерять. Этим объясняется широкая номенклатура выпускаемых промышленностью средств измерений токов и на­пряжений. Выбор средства измерений может определяться со­вокупностью факторов: предполагаемым размером измеряемой величины, родом тока (постоянного или переменного), часто­той, требуемой точностью измерения, условиями проведения эксперимента (лабораторные, цеховые, полевые и т. п.), влиянием внешних условий (температуры, магнитного поля, вибраций и т. д.) и др.

Определение значений напряжений осуществляют, как пра­вило, прямыми измерениями; токов - кроме прямых измерений, широко используют косвенные измерения, при которых измеряет­ся падение напряжения U на резисторе с известным сопротивле­нием R , включенном в цепь измеряемого тока 1 Х . Значение тока находят по закону Ома: I X = U / R .

Из средств измерений, используемых для измерений токов и напряжений, наименьшим потреблением мощности из цепи измерений обладают компенсаторы (потенциометры), электрон­ные и цифровые приборы.

Среди электромеханических приборов наименьшую мощность потребляют магнитоэлектрические и электростатические приборы. Весьма малая мощность, потреб­ляемая из цепи измерений компенсаторами, позволяет измерять ими не только напряжения, но и ЭДС.

Диапазон измеряемых токов и напряжений весьма широк. Например, при биологических исследованиях, космических исследованиях, измерениях в вакууме необходимо измерять по­стоянные токи, составляющие доли фемтоампер (10 -15 А), а в мощных энергетических установках, на предприятиях цвет­ной металлургии, химической промышленности - токи, достига­ющие сотен килоампер. Для измерений токов и напряжений в таком широком диапазоне значений выпускаются различные средства измерений, обеспечива­ющие возможность измерений в определенных поддиапазонах. Средства измерений токов и напряжений делают, как правило, многопредельными. Для расширения пределов измерений тока применяют шунты и измерительные трансформаторы постоянно­го тока - в цепях постоянного тока и измерительные трансфор­маторы переменного тока - в цепях переменного тока. Для рас­ширения пределов измерений напряжения используют делители напряжения, добавочные резисторы и измерительные трансфор­маторы напряжения.

Весь диапазон измеряемых токов и напряжений можно услов­но разбить на три поддиапазона: малых, средних и больших значений. Наиболее обеспеченным средствами измерений явля­ется поддиапазон средних значений (ориентировочно: для то­ков - от единиц миллиампер до десятков ампер; для напряже­ний - от единиц милливольт до сотен вольт). Именно для этого поддиапазона созданы средства измерений с наименьшей по­грешностью измерения токов и напряжений. Это не случайно, так как при измерении малых и больших токов и напряжений возни­кают дополнительные трудности.

При измерении малых токов и напряжений эти трудности обусловлены термо-ЭДС в измерительной цепи, резистивными и емкостными связями измерительной цепи с посторонними ис­точниками напряжения, влиянием внешнего магнитного поля, шумами элементов измерительной цепи и другими причинами. Термо-ЭДС возникают в местах соединения разнородных метал­лов (в местах пайки и сварки проводников, в местах соприкосно­вения подвижных и неподвижных контактов переключателей и т. п.) вследствие неравномерного температурного поля средст­ва измерений.

Внешнее переменное магнитное поле тоже может внести су­щественные искажения за счет ЭДС, наводимых в проводах и других элементах цепи, соединяющей источник малой измеря­емой величины со средством измерений.

Полностью устранить влияние отмеченных факторов не уда­ется. Поэтому измерения малых токов и напряжений осуществля­ются с большей погрешностью.

Измерения больших токов и напряжений имеют свои осо­бенности и трудности. Например, при измерении больших посто­янных токов с использованием шунтов на шунтах рассеивается большая мощность, приводящая к значительному нагреву шун­тов и появлению дополнительных погрешностей. Для уменьшения рассеиваемой мощности и устранения перегрева необходимо уве­личивать габариты шунтов или применять специальные дополни­тельные меры по искусственному охлаждению. В результате шун­ты получаются громоздкими и дорогими. При измерении больших токов очень важно следить за качеством контактных соединений по которым протекает ток. Плохое качество контактного соедине­ния может не только исказить режим цепи и, следовательно, результат измерения, но и привести к обгоранию контакта за счет большой мощности, рассеиваемой на контактном сопротивлении. При измерении больших токов могут возникнуть дополнительные погрешности от влияния на средства измерений сильного магнит­ного поля, создаваемого вокруг шин протекающим током.

При измерении больших напряжений возрастают требования к качеству изоляционных материалов, применяемых в средствах измерений, как для уменьшения погрешностей, возникающих от токов утечки через изоляцию, так и для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Например, если для расширения пределов измерений используется делитель напряжения, то с уве­личением измеряемого напряжения сопротивление делителя нуж­но увеличивать. При измерении больших напряжений сопротивление делителя может оказаться сравнимым с сопротив­лением изоляции, что приведет к погрешности деления напряже­ния и, следовательно, к погрешности измерений.

Измерения постоянных токов и напряжений

Наивысшая точ­ность измерений постоянных токов и напряжений определяется точностью государственных первичных эталонов единицы силы постоянного электрического тока (ГОСТ 8.022-75) и единицы электродвижущей силы (ГОСТ 8.027-81). Государственные пер­вичные эталоны обеспечивают воспроизведение соответствующей единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений (5 0), не превышающим 4-10 -6 для силы постоянного тока и 5-10 -8 для ЭДС, при неисключенной систематической погрешности (Э о), не превышающей, соответственно, 8 10 -6 и I -10 -6 . Из рабочих средств измерений постоянных токов и на­пряжений наименьшую погрешность измерений дают компенса­торы постоянного тока. Например, компенсатор (потенциометр) типа Р332 имеет класс точности 0,0005 и позволяет измерять постоянные ЭДС и напряжения в диапазоне от 10 нВ до 2,1211111 В. Постоянные токи измеряют с помощью компенсато­ров косвенно с использованием катушек электрического сопро­тивления. При использовании катушек электрического сопротив­ления типа Р324 класса точности 0,002 и компенсатора типа Р332 можно измерять токи с погрешностью не более ±0,0025 %. Компенсаторы используют при точных измерениях постоянных токов, ЭДС и напряжений и для поверки менее точных средств измерений.

Наиболее распространенными средствами измерений посто­янных токов и напряжений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры) и вольтметры (микро-, милли-, киловольт-метры), а также универсальные и комбинированные приборы (например, микровольтнаноамперметры, нановольтамперметры и т. п.).

Для измерений весьма малых постоянных токов и напряже­ний применяют электрометры и фотогальванометрические прибо­ры. В качестве примера можно указать цифровые универсальные микровольтметры-электрометры типа В7-29 с диапазоном изме­рений постоянного тока от 10 -17 до 10 -13 А и типа В7-30 с диапа­зоном измерений тока от 10 -15 и до 10 -7 А. Примером фотогальванометрических приборов является нановольтамперметр типа Р341, имеющий наименьший диапазон измерений постоянных токов 0,5-0-0,5 нА и постоянных напряжений 50-0-50 нВ. При измерении малых и средних значений постоянных токов и напряжений наибольшее распространение получили цифровые и магнитоэлектрические приборы. Измерения больших постоян­ных токов осуществляют, как правило, магнитоэлектрическими килоамперметрами с использованием наружных шунтов, а весьма больших токов - с использованием трансформаторов постоянно­го тока.

Для измерений больших постоянных напряжений исполь­зуют магнитоэлектрические и электростатические киловольтметры. Измерения постоянных токов и напряжений можно выполнять и другими приборами. Следует иметь в виду, что электродинамические амперметры и вольтметры редко используют для технических измерений токов и напряжений в це­пях постоянного тока. Их чаще применяют (наряду с цифровыми и магнитоэлектрическими приборами высоких классов точности) в качестве образцовых приборов при поверке средств измерений более низкого класса точности.

Термоэлектрические приборы для измерения больших постоянных токов и напряжений неприменяется, так как применять их в цепях по­стоянного тока нецелесообразно из-за относительно большой мощности, потребляемой ими из цепи измерения.

Измерения переменных токов и напряжений

В основу изме­рений переменных токов и напряжений положены государствен­ный специальный эталон, воспроизводящий силу тока 0,01 - 10 А в диапазоне частот 40-1 10 5 Гц (ГОСТ 8.183-76), и госу­дарственный специальный эталон, воспроизводящий напряжение 0,1 - 10 В в диапазоне частот 20-3-10 7 Гц (ГОСТ 8.184-76). Точность этих эталонов зависит от размера и частоты вопроизводимых величин. Среднее квадратическое отклонение результата" измерений для эталона переменного тока S o =1 10 -5 -1 10 -4 при неисключенной систематической погрешности S о =3*10 - 4 -4,2*10 -4 . Для эталона переменного напряжения эти погрешно­сти равны, соответственно, S o ==5* 10 -6 - 5*10 -5 и S o = 1 10 -5

Рабочими средствами измерений переменных токов и напря­жений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры), вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), компенсаторы переменного тока, универсальные и комбинированные приборы, а также регистрирующие приборы и электронные осциллографы.

Особенностью измерений переменных токов и напряжений является то, что они изменяются во времени. В общем случае изменяющаяся во времени величина может быть полностью пред­ставлена мгновенными значениями в любой момент времени. Переменные во времени величины могут быть также охарактери­зованы своими отдельными параметрами (например, амплиту­дой) или интегральными параметрами, в качестве которых ис­пользуют действующее значение где x { t ) - изменяющаяся во времени величина. Таким образом при измерении переменных токов и напряжений могут измеряться их действующие, амплитудные, средневыпрямленные, средние и мгновенные значения. В практике электрических измерений чаще всего приходится измерять синусоидальные переменные токи и напряжения, которые обычно характеризуются действую­щим значением. Поэтому подавляющее большинство средств измерений переменных токов и напряжений градуируются в дей­ствующих значениях для синусоидальной формы кривой тока или напряжения.

Измерения действующих значений переменных токов и на­пряжений осуществляют различными средствами измерений.

Малые переменные токи измеряют цифровыми, элек­тронными и выпрямительными приборами, малые переменные напряжения - электронными вольтметрами. Наиболее широкий диапазон измерений переменных токов при прямом включении средств измерений обеспечивают выпрямительные приборы. Они имеют относительно широкий диапазон и при измерении перемен­ных напряжений. Эти приборы делают, как правило, многопредельными. Следует также учесть, что эти приборы при отключе­нии выпрямителя используются как магнитоэлектрические прибо­ры для измерений постоянных токов и напряжений.

Переменные токи свыше килоампера и переменные напряже­ния свыше киловольта измеряют с помощью наружных измери­тельных трансформаторов тока или напряжения электромагнитными, выпрямительными и электродинамическими приборами. Измерения высоких переменных напряжений (до 75 кВ) при прямом включении средств измерений позволяют осуществлять электростатические киловольтметры, например киловольтметр типа С100.

В наиболее широком частотном диапазоне при измерении переменных токов работают термоэлектрические и электронные приборы, а при измерении переменных напряжений - электрон­ные и электростатические приборы. Термоэлектрические вольт­метры имеют ограниченное применение из-за большой мощно­сти, потребляемой ими из цепи измерения.

В наиболее узком частотном диапазоне работают электродинамические и электромагнитные приборы. Верхняя граница их частотного диапазона обычно не превышает единиц килогерц.

При измерениях действующих значений переменных токов и напряжений, форма кривой которых отличается от синусоидальной, возникает дополнительная погрешность. Эта погреш­ность минимальна у средств измерений, работающих в широкой полосе частот, при условии, что выходной сигнал этих средств определяется действующим значением входной величины. Наиме­нее чувствительны к изменению формы кривой переменных токов и напряжений термоэлектрические, электростатические и элек­тронные приборы.

Наиболее точные измерения действующих значений синусои­дальных токов и напряжений можно осуществить электродинами­ческими приборами, цифровыми приборами и компенсаторами переменного тока. Однако погрешность измерений переменных токов и напряжений больше, чем постоянных.

Отметим некоторые особенности измерений токов и напряже­ний в трехфазных цепях. В общем случае в несимметричных трехфазных цепях число необходимых средств измерений токов и напряжений соответствует числу измеряемых величин, если каждая измеряемая величина измеряется своим прибором. При измерениях в симметричных трехфазных цепях достаточно про­извести измерение тока или напряжения только в одной линии (фазе), так как в этом случае все линейные (фазные) токи и на­пряжения равны между собой. Связь между линейными и фазны­ми токами и напряжениями зависит от схемы включения нагруз­ки. Известно, что для симметричных трехфазных цепей эта связь определяется соотношениями: I л = Iф и U л =
при соедине­нии нагрузки звездой и I л =
Iф и U л =U ф при соединении на­грузки треугольником.

В несимметричных трехфазных цепях при измерениях токов и напряжений с помощью измерительных трансформаторов можно сэкономить на количестве исполь­зуемых измерительных трансформаторов.

Для примера на рис. 9.1, а приведена схема измерений трех линейных токов с ис­пользованием двух измерительных трансформаторов тока, а на рис. 9.1, б - аналогичная схема измерений линейных напряжений.

Рис. 9.1. Схема для измерения токов (а) и напряжений (б) в трехфазной цепи

Эти схемы основаны на известных соотношениях для трехфазных цепей: I А + I в + I с = 0 и U АВ + U вс + U СА = 0.

В схеме измерений токов токи I А и I в измеряются амперметрами А и Л2 с учетом коэффициентов трансформации К\ и Ki измерительных транс­форматоров тока, т. е. 1 А = К\1\ и I в = K 2 h - Амперметр А 3 вклю­чен таким образом, что через него течет сумма токов, т. е. Iз = = I 1 +I 2 . Если /Ci = /C 2 , то Kh = KIi + Kh = i A + i B "=- ic - Так как знак «минус» означает изменение фазы тока, а показания амперметров, как известно, не зависят от фазы измеряемого тока, то, следовательно, по показанию амперметра Аз можно опреде­лить ток 1 С =К1 3 . Следует иметь в виду, что для правильного суммирования токов необходимо следить за правильностью вклю­чения генераторных зажимов измерительных трансформаторов. Неправильное включение генераторных зажимов одного из транс­форматоров (в первичной или вторичной цепи) приведет к изме­нению фазы одного из суммируемых токов и результат получится неправильный.

Схема для измерений линейных напряжений рабо­тает аналогично. Подобные схемы могут быть использованы для измерения фазных токов и напряжений. Для измерений токов и напряжений в трехфазных цепях можно использовать средства измерений этих величин, предназначенные для однофазных це­пей. Кроме этих средств, промышленностью выпускаются специ­альные приборы для измерения в трехфазных цепях, позволяю­щие более быстро и удобно выполнить необходимые измерения.

Среднее значение переменного тока или напряжения характе­ризует постоянную составляющую, содержащуюся в измеряемом токе или напряжении. Для измерений средних значений перемен­ных токов и напряжений обычно применяют магнитоэлектриче­ские приборы.

Следует иметь в виду, что при измерении переменных токов и напряжений большое значение имеет частота измеряемой величины. Частотный диапа­зон измеряемых токов и напряжений весьма широк: от долей герца (инфранизкие частоты) до сотен мегагерц и более.

Измерение сопротивлений с помощью омметров

На практике зачастую не всегда обязательна высокая точность измерений сопротивления, емкости или индуктивности. В этом случае возможно использование электромеханических приборов с различными измерительными цепями, позволяющими измерить указанные параметры.

В приборах для непосредственного измерения сопротивления – омметрах (рис.9.2), в качестве измерительного механизма которых используется магнитоэлектрический механизм.

В схеме с последовательным включением измерительного сопротивления (рис.9.2,а) ток равен

,

а для параллельной схемы включения

Если использовать заранее известное напряжение, то шкала прибора может быть проградуирована в Омах. Так как напряжение с течением времени может изменяться, в омметрах данного типа необходимо вводить поправку, которая осуществляется регулировкой резистора R Д. В схеме последовательного омметра указатель устанавливается на нулевую отметку при замкнутом ключе S, а для параллельного омметра- при разомкнутом ключе S на отметку «». Омметры с последовательной схемой применяются для измерения сопротивлений от 10 до 10 5 Ом, с параллельной схемой – от 1 до 10-50 Ом.

В омметрах с логометрическим измерительным механизмом (рис.9.2,в) показания не зависит от питающего напряжения, так как отклонение подвижной части логометра пропорционально отношению токов, протекающих через обе части обмотки

Так как шкалы омметров неравномерны, то за нормирующее значение при определении их основной приведенной погрешности принимается длина шкалы и под цифрой, обозначающей класс точности, ставится знак «V» (например, 1,5).

Рис 9.2. Измерение сопротивлений омметрами

Измерение сопротивлений методом амперметра и вольтметра

Метод амперметра и вольтметра является косвенным методом измерения и применяется для ориентировочных измерений относительно малых сопротивлений. Значение измеряемого сопротивления R Х независимо от схемы включения (рис.9.2) подсчитывается, исходя из результатов измерений напряжения U и тока I, протекающего через R Х:

.

Точность измерения зависит от точности применяемых приборов и методической погрешности, обусловленной собственным потреблением амперметра и вольтметра.

В схеме (рис.9.3,а) вольтметр показывает падение напряжений на R Х и внутреннем сопротивлении r a амперметра, а амперметр- значение тока в цепи с R Х.

Рисунок 9.3 Измерения сопротивления методом вольтметра и амперметра

Относительная погрешность метода измерения составит

,

Где
- действительное значение измеряемого сопротивления.

Для схемы рис.9.3,б вольтметр показывает значение напряжения на зажимах R Х, а амперметр- сумму токов через R Х и обмотку вольтметра r v . Следовательно, относительная методическая погрешность будет равна

.

Включение приборов по схеме (рис.9.3,б) следует применять при R X

.

Литература 1 осн , 3 осн

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается особенности измерения переменных токов и напряжении?

2. Какими методами можно измерить силы токов и напряжения переменного тока?

3. Как измеряют сопротивления косвенным путем?

Лекция 10. Измерение мощности и энергии в цепях постоянного и переменного тока. Измерение мощности. Измерения реактивной мощности, коэффициента мощности в цепях переменного тока.

Измерение мощности и энергии в цепях постоянного и переменного тока

В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока, активную мощность и энергию однофазного и трехфазного переменного тока, реактив­ную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновен­ное значение мощности, а также количество электричества в очень широких пределах. Так, мощность постоянного и одно­фазного переменного тока измеряют в диапазоне от 10 -18 до 10 10 Вт, причем нижний предел относится к мощности пе­ременного тока высоких частот радиотехнических устройств. Требуемая точность измерения мощности постоянного и перемен­ного тока различна для разных частотных диапазонов. Для постоянного и переменного однофазного и трехфазного тока при­мышленной частоты погрешность должна находиться в пределах ± (0,01- 0,1) %; при сверхвысоких частотах погрешность может быть выше ± (1 - 5 %).

Измерение мощности

Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока применяют электродинамиче­ские и ферродинамические ваттметры.

Для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц) вы­пускают электродинамические ваттметры в виде переносных при­боров классов точности 0,1- 0,5.

Для измерений мощности в производственных условиях в це­пях переменного тока промышленной или более высоких фиксиро­ванных частот (400, 500 Гц) применяют щитовые ферродина­мические ваттметры классов точности 1,5-2,5.

Для измерений мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры.

При измерениях малых мощностей на сверхвысоких частотах возможно использование электрометров.

Для измерений мощности при больших токах и напряжениях ваттметры обычно включают через измерительные трансформа­торы тока и напряжения.

Находят применение также косвенные методы измерения мощности постоянного и однофазного переменного тока. Мощ­ность постоянного тока можно определить с помощью двух прибо­ров: амперметра и вольтметра, а мощность однофазного перемен­ного тока - с помощью трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра (или измерителя коэффициента мощности). При различных схемах включения приборов значения методических погрешностей измерения мощности оказываются различными, зависящими от соотношений сопротивлений приборов и нагрузки (аналогично погрешностям ваттметра). При косвенном измерении мощности необходимо производить одновременный отсчет по двум или трем приборам. Кроме того, при этом снижает­ся точность измерения за счет суммирования инструментальных погрешностей приборов. Например, прямые измерения мощности однофазного переменного тока могут быть проведены с наимень­шей погрешностью ±0,1 %, в то время как при косвенных измерениях мощности измерение только коэффици­ента мощности возможно с наименьшей погрешностью ±0,5 %, а следовательно, общая погрешность будет превышать ±0,5 %.

Измерение энергии постоянного тока осуществляют с по­мощью счетчиков постоянного тока.

Э
нергию однофазного переменного тока измеряют индукци­онными счетчиками электрической энергии.

Рисунок 10. 1 - Схема включения ваттметра электродинамической системы.

Электрическую энергию можно измерять также с помощью электронных счетчиков электрической энергии, не имеющих по­движных частей. Такие счетчики обладают лучшими метроло­гическими характеристиками и большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии. В цепях однофазного переменного тока измерение реактивной мощности и энергии выполняют обычно лишь при лабораторных исследованиях. При этом под реактивной мощностью понимают Q = UI sin ф. Реактивная мощность однофазной цепи может быть измерена как с помощью трех приборов (косвенный метод), так и специальным ваттметром, имеющим усложненную схему па­раллельной цепи с целью получения фазового сдвига между векторами тока и напряжения этой цепи, равного 90°.

Мощность в цепях переменного тока может измеряться:

1) косвенно, с помощью амперметра, вольтметра, фазометра:

P = U · I · cos ?

2) непосредственно с помощью ваттметра электродинамической (ферродинамической) системы (рисунок 1). Значения активной мощности в однофазной цепи переменного тока определяют по формуле:

,

где U –напряжения приемника, В; I – ток приемника, А;  - фазовый сдвиг между напряжением и током.

Из формулы видно, что мощность в однофазной цепи переменного тока можно определить косвенным путем, если включить три прибора: амперметр, вольтметр и фазометр.

Измерение активной мощности и энергии в трехфазных цепях

Втрехфазной системе независимо от схемы соединения нагрузки (треугольником или звездой) мгновенное значение мощности р системы равняется сумме мгновенных значений мощности от­дельных фаз:p=p 1 +p 2 +p 3

Активная мощность Р и энергия W за интервал времени At определяются, соответственно, выражениями:

Рис. 10.2. Схема измерения активной мощности в трехфазной цепи одним ваттметром при включении нагрузки звездой (а) и треугольником (б)

Где U ф, I ф - фазные напряжения и токи; cos ?- - косинус угла фазового сдвига между током и напряжением в фазах нагрузки; Т - период изменения переменного напряжения.

Для симметричной трехфазной системы, в которой все фазные и линейные напряжения, токи и углы фазового сдвига между напряжениями и токами равны между собой, эти уравнения при­мут вид:

Р=3U ф I ф cos ? = cos ? Л = U n l a cos ? ,

W =3 U ф I ф

где: U л , I л - линейные напряжения и токи; cos?- косинус угла фазового сдвига между током и напряжением в фазе нагрузки. При соединении нагрузки звездой (рис. 10.2, а) мгновенная мощность p = u AN i A + u BN i B + u CN i c , где u AN , u BN , u CN - мгновенные значения фазных напряжений; i A , i B , i c - мгновенные значения фазных токов. Учитывая что i A + i B + i C = 0 и U B С = = u BN - u CN , u AB = u AN - u BN и u СА = u CN - u AN , уравнение для мгновенного значения мощности трехфазной системы можно представить в трех формах: p = u AC i A - u BC i B ; p = u AB i A - u CB i c ; р = u BA i B - u CA i c .

Из вышеприведенных уравнений видно, что для измерения мощ­ности, а следовательно, и энергии трехфазной системы могут быть применены один прибор, два прибора или три прибора. Метод одного прибора основывается на использовании выражений Р=3U ф I ф cos ? и применяется в симметричных трехфазных системах. В асимметричной системе, в которой значения токов, напряжений и углов фазового сдвига неодинаковы, используется метод двух приборов.

Наконец, в самом общем случае, в том числе и в четырехпроводной асимметричной системе, применяется метод трех приборов.

Рассмотрим методы измерения мощности, что дает также представление и о методах измерения энергии.

Метод одного прибора. Если трехфазная система симметрич­на, а фазы нагрузки соединены звездой с доступной нулевой точкой, то однофазный ваттметр включают по схеме рис. 10.2, а и измеряют мощность одной фазы. Для получения мощности всей системы показания ваттметра утраивают. Можно также измерить мощность при соединении фаз нагрузки треугольником, но при условии, что последовательную обмотку ваттметра можно включить в одну из фаз нагрузки (рис. 10.2, б).

Если нагрузка включена треугольником или звездой с недо­ступной нулевой точкой, то применяют включение ваттметра с искусственной нулевой точкой (рис. 10.3, а), которая создается с помощью двух дополнительных резисторов с активным сопротивлением Ri и R .2. При этом необходимо чтобы R l = R 2 = Ru (Яи -сопротивление параллельной цепи ваттметра). На рис. 10.3, б показана векторная диаграмма, соответствующая схеме рис. 10.3, а. Напряжения U AN , V BN и U cw на параллельной обмотке и резисторах, образующих искусственную нулевую точ­ку, равны фазным напряжениям, показание ваттметра Р= U AN I A cos?.

Рис. 10.3. Схема измерения активной мощности в трехфазной цепи с ис­кусственной нулевой точкой (а) и векторная диаграмма (б).
Поскольку ваттметр показывает мощность одной фазы, для получения мощности всей системы показание ваттметра нужно утроить. То же самое будет и при соединении нагрузки звездой.

Для измерения энергии такая схема не применяется из-за большой индуктивности параллельной цепи счетчика.

Метод двух приборов. Этот метод применяют в асимметрич­ных трехпроводных цепях трехфазного тока. Имеется три варианта схемы включения двух приборов (рис. 10.4, а - в). Анализ работы ваттметров по этим схемам показывает, что в зависимости от характера нагрузки фаз знак показаний каждого из ваттметров может меняться. Активная мощность трехфазной системы в этом случае должна определять­ся как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров.

Рис. 10.4. Схемы включения двух ваттметров для измерения активной мощности трехфазной сети.

Метод трех приборов. В этом случае когда несимметричная нагрузка включается звездой с нулевым проводом, т. е. когда имеется асимметричная трехфазная четырехпроводная система, применяют три ваттметра, включенные по схеме рис. 10.5. При таком включении каждый из ваттметров измеряет мощность од­ной фазы. Полная мощность системы определяется как арифме­тическая сумма показаний ваттметров.

Рис. 10.5. Схема измерения активной мощности тремя ваттметрами.

Методы одного, двух и трех приборов применяют главным образом в лабораторной практике. В промышленных условиях применяют двух- и трехфазные ваттметры и счетчики, которые представляют собой сочетание в одном приборе двух-(двухэлементные) или трех-(трехэлементные) однофазных измеритель­ных механизма, имеющих общую подвижную часть, на которую действует суммарный вращающий момент всех элементов.

Рис. 10.6. Схема включения ваттметра (а) для измерения реактивной мощности в симметричной трехфазной сети и векторная диаграмма (б).

Измерение реактивной мощности и энергии в трехфазной цепи

Измерить реактивную мощность (энергию) трехфазной сети можно различными способами: при помощи обычных ваттметров (счетчиков), включаемых по специальным схемам, и при помощи реактивных ваттметров (счетчиков).

При полной симметрии трехфазной сети реактивную мощ­ность можно измерить одним ваттметром, включенным по схеме рис. 10.6, а. Показания ваттметра (с учетом векторной диаграм­мы рис. 10.6, б) P = U BC I A cos ? 1 = U л I л cos (90°-ф 1) = U л I л sin ? 1

Для определения реактивной мощности всей системы показа­ния ваттметра умножают на .

Схема с одним ваттметром даже при незначительной асимметрии системы дает большие погреш­ности. Лучшие результаты получают при измерении реактивной мощности двумя ваттметрами (рис. 10.7), и при этом сумма показаний ваттметров P 1 + P 2 = U BC I A cos ? 1 + U AB I c cos ? 2

Рис. 10.7. Схема включения двух ваттметров при измерении реактивной мощности в асимметричной трехфазной цепи.

Для получения мощности трехфазной системы сум­му показаний ваттметров умножают на.

При включении нагрузки по схеме треугольника приборы (ваттметры или счетчики) включаются аналогично изображенно­му на рис. 10.6, а и 10.7.

При измерении реактивной мощности и энергии в трехпроводной и четырехпроводной асимметричных сетях может быть применен один трехэлементный прибор или три прибора (ваттметра или счетчика) - рис. 10.8, а. Доказательство возможности измере­ния рассмотрим для частного случая. Сумма показаний приборов с учетом чередования фаз при включении параллельных обмоток так, как показано на рис. 10.8, a P 1 +P 2 +P 3 = U BC I A cos y 1 + + U CA I B cos y 2 + U AB I C cos y 3 .

Из векторной диаграммы (рис. 15-15,6) найдем? 1 = 90°- ? 1 ; ? 2 = 90°-? 2 ; ? з = 90°-? 3 .

Так как U AB = U BC = U CA = u л то Р 1 + Р 2 + Рз=и л (I A sin ? 1 + I B sin ? 2 + Iс sin? 3 .

Чтобы найти реактивную мощность системы, сумму показаний ваттметров не­обходимо разделить на
.

Рис. 10.8. Схема включения трех ваттмет­ров (а) для измерения реактивной мощности трехфазной (четырехпроводной) сети и векторная диаграмма (б).

Литература 1 осн , 3 осн ,

Контрольные вопросы:

1. Какими методами можно измерить активную мощность в трехфазной цепи?

2. Устройства и принцип действия индукционного счетчика электроэнергии?

3. Устройства и принцип действия ваттметра электродинамической системы?

4. Как можно определить значение cos в трехфазной цепи?
Лекция 11. Измерение электрических величин осциллографом. Электронно-лучевые осциллографы

Электронно-лучевые осциллографы

Электронно-лучевые осциллографы – приборы, предназначенные для визуального наблюдения форм исследуемых электрических сигналов. Кроме того, осциллографы могут применяться для измерения частоты, периода и амплитуды.

Основная деталь электронного осциллографа - электронно-лучевая трубка (см. рисунок 11.1), напоминающая по форме телевизионный кинескоп.

Экран трубки (8) покрыт изнутри люминофором - веществом, способным светиться под ударами электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают. Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) (1) и катода (2). Между “пушкой” и экраном размещены модулятор (3), регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода (4 и5), создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку, и две пары пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной Y (6) и вертикальной X (7) осям.

Рисунок 11.1. Устройства электрннно-лучевой трубки.

Работает электроннолучевая трубка следующим образом:

На нить накала подают переменное напряжение, на модулятор постоянное, отрицательной полярности по отношению к катоду на аноды - положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины (пластины Пх), а также ”рисующей” на экране форму исследуемых колебаний (пластины Пу).

Чтобы представить, как получается на экране изображение, экран трубки представим в виде окружности (хотя у трубки он может быть и прямоугольный) и поместим внутри нее отклоняющие пластины (см. рисунок 11.2). Если подвести к горизонтальным пластинам Пх пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия - ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения.

Если теперь одновременно с пилообразным напряжением, поданным на пластины Пх, подать на другую пару пластин (вертикальных - Пу), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности “изогнется” по форме колебаний и “нарисует” на экране изображение.

В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний, на экране будет изображение одного периода синусоиды. При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе имеется регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала.

Рисунок 11.2. Структурная схема осциллографа.

На рисунке изображена структурная схема осциллографа. На сегодняшний день существует большое число различных по конструкции и назначению осциллографов. По-разному выглядят их лицевые панели (панели управления), несколько отличаются названия ручек управления и переключатели. Но в любом осциллографе существует минимально необходимый набор узлов, без которых он не может работать. Рассмотрим назначение этих основных узлов (см. рисунок 11.3.). На примере осциллографа С 1-68.

Схема работает следующим образом.

Блок питания

Блок питания обеспечивает энергией работу всех узлов электронного осциллографа. На вход блока питания поступает переменное напряжение, как правило, величиной 220 В. В нем оно преобразуется в напряжения разной величины: переменное 6,3 В для питания нити накала электронно-лучевой трубки, постоянное напряжение 12-24 В для питания усилителей и генератора, около 150 В для питания оконечных усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча, несколько сотен вольт для фокусировки электронного луча и несколько тысяч вольт для ускорения электронного пучка.

Из блока питания кроме выключателя питания, выведены на переднюю панель осциллографа регуляторы: “ФОКУСИРОВКА” и “ЯРКОСТЬ” При вращении этих ручек изменяются напряжения, подаваемые на первый анод и модулятор. При изменении напряжения на первом аноде, меняется конфигурация электростатического поля, что приводит к изменению ширины электронного луча. При изменении напряжения на модуляторе изменяется ток электронного луча (изменяется кинетическая энергия электронов), что приводит к изменению яркости свечения люминофора экрана.

Генератор развертки

Выдает пилообразное напряжение, частоту которого можно изменять грубо (ступенями) и плавно. На лицевой панели осциллографа они называются “ЧАСТОТА ГРУБО” (или “ДЛИТЕЛЬНОСТЬ РАЗВЕРТКИ”) и “ЧАСТОТА ПЛАВНО”. Диапазон частот генератора весьма широк - от единиц герц до единиц мегагерц. Около переключателя диапазонов проставлены значения длительности (продолжительности) пилообразных колебаний.

Рисунок 11.3. Устройство осциллографа С 1-68.

На рисунке: ВА- входной аттенюатор; ВК- входной каскад усилителя; ПУ- предварительный усилитель; ЛЗ- линия задержки; ВУ- выходной усилитель; К- калибратор; СБ- схема блокировки; УП- усилитель подсвета; СС- схема синхронизации; ГР- генератор развертки; ЭЛТ- электроннолучевая трубка.

Усилитель канала горизонтального отклонения

С генератора развертки сигнал подается на усилитель канала горизонтального отклонения (канала X). Этот усилитель необходим для получения такой амплитуды пилообразного напряжения, при которой электронный луч отклоняется на весь экран. В усилителе расположены регулятор длины линии развертки, на передней панели осциллографа он называется “УСИЛЕНИЕ X“ или “ АМПЛИТУДА X”, и регулятор смещения лини развертки по горизонтали.

Канал вертикальной развертки

Состоит из входного аттенюатора (делителя входного сигнала) и двух усилителей - предварительного и оконечного. Аттенюатор позволяет выбирать нужную амплитуду рассматриваемого изображения в зависимости от амплитуды исследуемых колебаний. С помощью переключателя входного аттенюатора, амплитуду сигнала можно уменьшить. Кроме того, на входе канала вертикального отклонения стоит переключатель 1, с помощью которого можно либо подавать на усилитель постоянную составляющую исследуемого сигнала, либо избавляться от нее включением разделительного конденсатора. Это в свою очередь, позволяет пользоваться осциллографом как вольтметром постоянного тока, способным измерять постоянные напряжения. Причем входное сопротивление канала Y достаточно высокое - более 1 МОм.

У генератора развертки есть еще один переключатель - переключатель режима работы развертки. Он также выведен на переднюю, панель осциллографа (на структурной схеме он не указан). Генератор разверток может работать в двух режимах: в автоматическом - генерирует пилообразное напряжение заданной длительности и в ждущем режиме - “ожидает” прихода входного сигнала, и с его появлением запускается. Этот режим бывает необходим при исследовании сигналов появляющихся случайно, либо при исследовании параметров импульса, когда его передний фронт должен быть в начале развертки. В автоматическом режиме работы случайный сигнал может появиться в любом месте развертки, что усложняет его наблюдение. Ждущий режим целесообразно применять во время импульсных измерений.

Синхронизация.

Если между генератором развертки и сигналом нет никакой связи, то начинаться развертка и появляться сигнал будут в разное время, изображение сигнала на экране осциллографа будет перемещаться либо в одну, либо в другую сторону - в зависимости от разности частот сигнала и развертки. Чтобы остановить изображение нужно “за синхронизировать” генератор, т.е. обеспечить такой режим работы, при котором начало развертки, будет совпадать с началом появления периодического сигнала на входе Y (скажем синусоидального). Причем синхронизировать генератор можно как от внутреннего сигнала (он берется с усилителя вертикального отклонения), так и от внешнего, подаваемого на гнезда “ВXОД СИНXР.”. Выбирают тот или иной режим переключателем S2 - ВНУТР.- ВНЕШН. синхронизация (на структурной схеме переключатель находится в положении “внутренняя синхронизация).

Принцип синхронизации поясняет диаграмма 11.4.

Для наблюдения высокочастотных сигналов, когда их частота во много раз превышает принципиально возможную частоту каналов усиления осциллографа, применяют стробоскопические осциллографы.

Принцип работы стробоскопического осциллографа поясняет следующая диаграмма.

Осциллограф работает следующим образом: Каждый период исследуемого напряжения u(t) формируется синхронизирующий импульс Uc, который запускает генератор развертки. Генератор развертки формирует напряжение пилообразной формы, которое сравнивается со ступенчато - нарастающим (на U) напряжением (см. диаграмму рис. 11.4). В момент равенства напряжений формируется строб – импульс, причем каждый последующий период строб – импульса увеличивается по отношению к предыдущему на величину t. В момент прихода строб – импульса формируется импульс выборки. Его амплитуда равна амплитуде исследуемого сигнала и выводится на экран осциллографа. Таким образом, на экране получается изображение в виде импульсов, амплитудная огибающая которых, соответствует исследуемому сигналу только “растянутому” во времени. Стробоскопические осциллографы применяются в телевизионной, радиолокационной и других видах высокочастотной техники.

Рисунок 11.4. Диаграмма принципа синхронизации.
Литература 1 осн , 3 осн , 3 доп

Контрольные вопросы:

1. По какому принципу классифицируется осциллографы?

1. 
   Основные функциональные части электронно-лучевого осциллографа?
2. 
   В чем заключается широкое применение осциллографов?
3. 
   Принцип работы электронно-лучевой трубки?
4. 
   Для измерения каких электрических величин может быть применен осциллограф?
5. 
   Что называется синхронизацией частот при измерении электрических величин с помощью ЭЛО?

Лекция 12. Измерение неэлектрических величин. Датчики неэлектрических величин. Преобразователи неэлектрических величин в электрические и их классификация.

Измерение неэлектрических величин

Неэлектрические величины приходится из­мерять при научных исследованиях, например при изучении но­вых физических явлений, космоса, океана, недр земли, при опре­делении состава и свойств веществ и новых материалов, при контроле и управлении технологическими производственными процессами, при контроле качества выпускаемой продукции и т. д.

В измерении большого числа неэлектрических величин нуждается сельское хозяйство, медицина, служба охраны окру­жающей среды.

Перечень различных электрических средств измерений, выпускаемых промышленностью и предназначенных для измерения неэлектрических величин, весьма обширен.

Ввиду большого разнообразия как выпускаемых средств измерений, так и числа неэлектрических величин, которые необхо­димо измерять, невозможно рассмотреть измерения всех или даже значительного числа этих величин. Поэтому здесь рассматриваются измерения только некоторых величин, наиболее часто встречающихся в промышленности и при научных исследованиях. Например, необходимость измерения температуры, определение концентрации газообразных и жидких сред, давления жидкостей и газов встречается в химических производствах, в газовой и нефтяной промышленности, металлургии, теплоэнергетике, пище­вой промышленности, в сельском хозяйстве, медицине, в службах охраны окружающей среды и т. п.

Датчики неэлектричесих величин

Для электрических измерений не электрических величин применяются специальные датчики. Принцип их действия основан на различных физических явлениях. Основной квалификационной характеристикой является заложенный физический принцип измерения и построения датчиков.

Р
езистивные датчики – преобразуют измеряемую величину в омическое сопротивление. Наиболее часто такие датчики применяются для измерения перемещений, для измерения уровня жидкости и пр. На первом этапе измеряемая величина преобразуется в перемещение движка переменного резистора. Общий вид и рабочие характеристики резистивного датчика показаны на рисунке.

При этом R1+R2=R 0 .

Если обозначить Х- угловое или линейное перемещение движка тогда: .

Резистивные преобразователи применяются в системах, где прилагаемое усилие 10 -2 Н. Величина перемещения 2 мм. Частота питания 5 Гц.

Тензодатчики – используют для исследования механических напряжений.

Простейший тензодатчик представляет из себя пленку с наклеенной на нее проволокой очень маленького диаметра 0.02…0.03 мм. Ширина наклейки – а; Длина проволоки – l. Датчик крепится к исследуемой поверхности. При деформациях изменяется длина провода и, следовательно его сопротивление. По этим изменениям судят о деформациях объекта. Рисунок датчика приведен ниже.

Пьезо резистивные преобразователи сил давления и деформации.

Устройство датчика следующее: между металлизированными обкладками находится пьезо чувствительный элемент. Если приложить силу к обкладкам, сопротивление элемента будет изменяться (на практике это изменения бывают в несколько раз). По изменению сопротивления судят о приложенной силе или деформации. Устройство датчика показано на рисунке.

Размеры датчика: высота
Статическое сопротивление Rстат=10…10 8 Ом.

Магнитоупругие датчики – применяют для измерения больших сил (F=10 5 …10 6 Н). Датчик устроен следующим образом: В диэлектрическом материале большой твердости залиты две взаимно перпендикулярные катушки. Если на первую катушку подать переменное напряжение, на второй катушке будет индуцироваться ЭДС равная нулю. В случае приложения к датчику силы, происходит деформация материала, в следствие чего изменяется пространственное положение катушек и на второй катушке появляется ЭДС отличная от нуля. Устройство датчика показано на рисунке.

Электромагнитные датчики перемещения и деформаций

Принцип действия этих датчиков основан на взаимодействии магнитных потоков. О величине перемещения или деформации судят по изменению тока в катушке индуктора. Различные схемы электромагнитных датчиков приведены на рисунке.

На рисунке а показан датчик линейных перемещений. На рисунке б – угловых перемещений. Для повышения точности измерений применяют трансформаторную схему подключения (рис.12.1, в) и дифференциальную схему (рис.12.1,г).

Рисунок 12.1. Электромагнитные датчики перемещения и деформаций

Преобразователи неэлектрических величин в электрические и их классификация

По назначению ИП делятся на преобразователи механических, тепловых, химических, магнитных, биологических и других физических величин.

Принцип действия генераторного преобразователя основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую форму энергии. Наиболее важные из этих физических эффектов, используемых для построения генераторных преобразователей, приведены в таблице 12.1, а принципы их технической реализации иллюстрируют схемы, приведенные на рисунке 12.1.

По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.

Преобразователь, реализующий термоэлектрический эффект (термопара), содержит два проводника М1 и М2 различной химической природы (рисунок 1.3,а). Если температуру одного 01 места соединения (спая) проводников сделать отличной от температуры 02 другого, то в цепи появится термоЭДС, являющаяся разностью функций температур спаев. ТермоЭДС Е будет пропорциональна измеряемой температуре 01 при постоянной температуре 02 (соответствующий нерабочий спай термопары помещен в среду с постоянной температурой, равной, например, 0°С).

Таблица 12.1

В преобразователе с пироэлектрическим эффектом определенные кристаллы, называемые пироэлектриками (например, триглицин сульфата), испытывают спонтанную электрическую поляризацию, зависящую от их температуры. В этом случае на двух противолежащих поверхностях преобразователя появляются электрические заряды противоположных знаков, пропорциональные этой поляризации (рисунок 12.3,б).

Поглощенный кристаллом поток излучения приводит к росту его температуры и соответствующему изменению поляризации, которое определяется по изменению напряжения на зажимах конденсатора. В преобразователе с пироэлектрическим эффектом изменение механического напряжения в кристалле пироэлектрика, например кварца, приводит к деформации, вызывающей появление на противолежащих гранях кристалла одинаковых по величине электрических зарядов противоположного знака (рисунок 12.3,в). Таким образом, измерение силы или приводимых к ней величин (давление, ускорение) осуществляется измерением напряжения между зажимами пироэлектрика.

В преобразователе, использующем явление электромагнитной индукции, при перемещении проводника в постоянном магнитном поле возникает ЭДС, пропорциональная скорости его перемещения и значению магнитного потока (рисунок 12.3,г). При воздействии переменного магнитного поля на неподвижный замкнутый контур в нем индуцируется ЭДС, равная по значению (и противоположная по знаку) скорости изменения магнитного потока. При перемещении источника магнитного поля (например, магнита) относительно неподвижного контура в нем также будет возбуждаться ЭДС. Таким образом, измерение ЭДС электромагнитной индукции позволяет определить скорость перемещения объекта, механически связанного с подвижным элементом электромагнитного преобразователя.

Рисунок 12.2 - Классификация измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические.

В преобразователях используется и фотоэлектрические эффекты, различные по своим проявлением, но объединенные общей причиной их возникновения – освобождением электрических зарядов в веществе под действием светового или, в более общем случае, электромагнитного излучения, длина волны которого меньше некоторого порогового значения, являющегося характеристикой чувствительного материала (рис 12.3,д).

Преобразователь на основе фотоэлектромагнитного эффекта. Приложение магнитного поля, перпендикулярного падающему излучению, вызывает в освещенном полупроводнике появления электрического напряжения в направлении по нормали к полю и падающему излучению.

Фотоэлектрические эффекты являются основой фотометрии и обеспечивают передачу информации, носителем которой является свет.

Преобразователь на основе эффекта Холла. При пропускании электрического тока через образец (пластину) полупроводника, находящийся в однородном магнитном поле (вектор магнитной индукции B составляет угол с направлением тока I), в направлении, перпендикулярном полю, возникает ЭДС U x

где К Н - зависит от типа проводимости и размеров пластины (рис 12.3, е).

Преобразователь Холла используют для измерения перемещении объектов, а так же величин преобразуемых в перемещении, например давления. Постоянный магнит преобразователя механически связывают с объектом, и при смещении магнита пропорционально изменяется выходное напряжения преобразователя (при этом ток постоянен).

Параметрические преобразователи

В параметрических преобразователях некоторые параметры выходного комплексного сопротивления могут изменяться под воздействием измеряемой величины. Комплексное сопротивление преобразователя, с одной стороны, обусловлено геометрией и размерами его элементов, а с другой - свойствами материалов: удельным сопротивлением, магнитной проницаемостью и диэлектрической постоянной.

Изменения комплексного сопротивления могут быть, таким образом, вызваны воздействием измеряемой величины либо на геометрию и размеры элементов преобразователя, либо на электрические и магнитные свойства его материала, либо, что реже, на то и на другое одновременно. Геометрические размеры преобразователя и параметры его комплексного сопротивления могут изменяться, если преобразователь содержит подвижный или деформирующийся элемент.

Каждому положению подвижного элемента преобразователя соответствует определенное комплексное сопротивление, и измерение его параметров позволяет узнать положение элемента. На этом принципе работает большое число преобразователей положения и перемещения объектов: потенциометрических, индуктивных с подвижным сердечником, емкостных.

эффекты: а - термоэлектрический; б - пироэлектрический; в - пьезоэлектрический; г - электромагнитной индукции; д - фотоэлектрический; е – Холла

Рисунок 12.3 - Примеры использования физических явлений для построения генераторных преобразователей

Деформация является результатом действия силы (или величины, с ней связанной, - давления, ускорения) на чувствительный элемент преобразователя.

Изменение комплексного сопротивления преобразователя, вызванное деформацией чувствительного элемента, вызывает изменение соответствующего электрического сигнала в специальной измерительной схеме, в которую этот преобразователь включают.

Электрические свойства материала и состояние чувствительного элемента преобразователя зависят от переменных физических величин: температуры, давления, влажности, освещенности и т.д. Если меняется только одна из величин, а остальные поддерживаются постоянными, то можно оценить существующее однозначное соответствие между значениями этой величины и комплексным сопротивлением преобразователя. Это соответствие описывается градуировочной кривой. Зная градуировочную кривую, по результатам измерения комплексного сопротивления можно определить соответствующее значение измеряемой величины.

В таблице 12.2 приведен ряд физических эффектов, связанных с преобразованием неэлектрических величин с помощью параметрических преобразователей. Среди них следует специально отметить резистивные преобразователи.

Полное сопротивление параметрического преобразователя и его изменения можно измерить, включив преобразователь в специальную электрическую цепь, содержащую источник питания и схему формирования сигнала. Наиболее часто используются измерительные схемы следующих видов:

Потенциометрическая схема, содержащая соединенные параллельно источник напряжения и преобразователь-потенциометр;

Мостовая схема, разбаланс которой характеризует изменение комплексного сопротивления преобразователя;

Колебательный контур, включающий в себя полное сопротивление преобразователя (при этом контур является частью генератора колебаний и определяет его частоту);

Операционный усилитель, в котором сопротивление преобразователя является одним из элементов, определяющим коэффициент его усиления.

Комбинированные преобразователи

При измерениях некоторых неэлектрических величин не всегда удается преобразовать их непосредственно в электрическую величину. В этих случаях осуществляют двойное преобразование исходной (первичной) измеряемой величины в промежуточную неэлектрическую величину, которую преобразуют затем в выходную электрическую величину. Совокупность двух соответствующих измерительных преобразователей образует комбинированный преобразователь (рисунок 12.4).

Рисунок 12.4- Структурная схема комбинированного преобразователя.
Подобные преобразователи удобны для измерения механических величин, вызывающих в первичном преобразователе деформацию или перемещение выходного элемента, к которым чувствителен вторичный преобразователь.

Давление, например, можно измерить с помощью мембраны, служащей первичным преобразователем, деформация которой преобразуется в электрическую величину преобразователем, реагирующим на механическое смещение.

Генераторные измерительные преобразователи :

Индукционные измерительные преобразователи

Принцип действия генераторного преобразователя основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую форму энергии.

Индукционным измерительным преобразователем называется преобразователь, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется потокосцепление катушки с внешним по отношению к катушке магнитным полем:

где w – число витков катушки; Ф – проходящий через катушку магнитный поток; S - площадь поперечного сечения катушки; B – магнитная индукция.

При этом в катушке наводится ЭДС:

ЕДС в катушке может наводиться при изменении во времени любой из перечисленных величин w, S, B.

В качестве примера рассмотрим преобразователь, которой представляет собой магнитную систему с постоянным магнитом, в воздушном зазоре которой перемещается катушка (рис. 12.5).

При движении катушки в направлении Х изменяется площадь сечения катушки, находящейся

В магнитном поле,
.

Это приводит к изменению потокосцеплении и в катушке наводится ЭДС:

Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной
или угловой
скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они преобразует механическую энергию линейного или углового перемещения катушки в электрическую энергию.

Преобразователи скорости и вибрации

Индукционные преобразователи генерируют ЭДС только при перемещении катушки в магнитном поле. По этой причине преобразователи этого типа могут служить для преобразования линейной скорости в ЭДС при небольших линейных перемещениях. Они обычно применяются для измерения скорости вибрации, когда ее амплитуда не превышает нескольких сантиметров.

А - преобразователь линейных вибраций; б - преобразователь угловых вибраций,

Рисунок 12.6 - Примеры индукционных преобразователей.

Одно из конструктивных решений преобразователя скорости вибрации показано на рисунке 12.6,а. Преобразователь имеет кольцевой магнит I, расположенный внутри стального ярма 2. Магнитный поток от постоянного магнита проходит по центральному цилиндрическому сердечнику через воздушный зазор и полюсной наконечник 3 с цилиндрической расточкой. В цилиндрическом воздушном зазоре находится намотанная на каркас измерительная катушка 4, которая может перемещаться в воздушном зазоре вдоль оси преобразователя

Измерительную катушку 4 условно можно разделить на три части (см. рисунок 12.6,а). Часть I находится вне магнитопровода и магнитный поток в нее не заходит, т.е. ЭДС в этой части катушки не индуцируется. Часть II находится в воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и цилиндрическим сердечником. Магнитный поток, пронизывающий витки этой катушки, не изменяется во времени, число витков также остается постоянным. В этой части катушки ЭДС также не наводится. Часть Ш катушки находится вне воздушного зазора, но внутри магнитной системы. Магнитный поток, проходящий через витки этой катушки, также постоянен, но при вибрации катушки изменяется число витков. Изменение числа витков приводит к изменению потокосцепления и наводит ЭДС. Витки катушки обычно наматываются равномерно. При этом ЭДС преобразователя пропорциональна скорости вибрации.

Индукционные преобразователи могут применяться и для измерения угловой виброскорости. Схема такого преобразователя показана на рисунке 12.5,6. Он состоит из постоянного магнита 1, полюсных наконечников 2, цилиндрического стального сердечника 3 и катушки 4. Устройство преобразователя аналогично устройству магнитоэлектрического измерительного механизма. При повороте катушки вокруг оси сердечника ее потокосцепление с полем постоянного магнита изменяется и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная угловой скорости перемещения объекта измерения.

Тахометрические преобразователи

Преобразователи этого типа представляют собой электромашинные генераторы. В качестве примера рассмотрим синхронный преобразователь с вращающимся постоянным магнитом (рисунок 3.3,а).

ЭДС индуцируется в данном преобразователе за счет изменения магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом при его вращении. Частота его выходного сигнала равна или кратна частоте вращения вала. Преобразователь состоит из статора 1, на котором намотана обмотка, и ротора 2 с закрепленным на нем постоянным магнитом. Статор выполнен в виде полюсных наконечников, изготовленных из магнитомягкого материала, с цилиндрической расточкой. При вращении магнита изменяется магнитный поток, проходящий через обмотку, и в ней индуцируется переменная ЭДС. Амплитуда и частота ЭДС пропорциональны частоте вращения ротора. Частота выходного сигнала определяется соотношением
, где n - частота вращения, об/мин; р - число пар полюсов.

На рисунке приведена схема тахометрического преобразователя постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита, расположенного на статоре 1. измерительная обмотка расположена на роторе 2, в которой при вращении образуется переменная ЭДС, снимаемая с вращающегося ротора с помощью коллектора 3 и скользящих по нему щеток. При этом переменная ЭДС выпрямляется.

а- с неподвижной катушкой и подвижным магнитом; б – с подвижной катушкой и неподвижным магнитом.

Рисунок 12.7 - Устройство тахометрических преобразователей.

При подключении измерительного прибора к преобразователю последний отдает в измерительную цепь некоторую электрическую мощность, которая оказывается прямо пропорциональной механической мощности. Механическая мощность определяется соотношением:

,

здесь?- угловая частота вращения ротора; М- необходимый для этого момент, связанный с электрической мощностью выражением:

где - КПД.

Из приведенных соотношении видно, что с увеличением ЭДС генерируемой с преобразователем, увеличивается механическая мощность на его валу.

Литература 1 осн

Контрольные вопросы:

1. Как классифицируется преобразователи неэлектрических величин в электрические?

2. На какой физический принцип основана работа тахометрических преобразователей?

1. 
   Перечислите достоинства и недостатков параметрических преобразователей?
2. 
   Что такое датчик?
3. 
   На какой принцип основано принцип действия тензодатчиков?
4. 
   Для чего применяется пъезодатчики?
5. 
   Перечислите достоинства и недостатков генераторных преобразователей?
6. 
   Чем объясняется широкое применение электрических измерении неэлектрических величин?