Контрольная работа: Электрические измерения

Введение

Развитие науки и техники всегда было тесно связано с прогрессом в области измерений. Большое значение измерений для науки подчёркивали некоторые учёные.

Г. Галилей: «Измеряй всё доступное измерению и делай доступное всё недоступное ему».

Д.И. Менделеев: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры».

Кельвин: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой её можно измерить».

Измерения являются одним из основных способов познания природы, её явлений и законов. Каждому, новому открытию в области естественных и технических наук предшествует большое число различных измерений. (Г. Ом – закон Ома; П. Лебедев – давление света).

Важную роль играют измерения в создании новых машин, сооружений, повышении качества продукции. Например, во время испытания стендового крупнейшего в мире турбогенератора 1200 МВт, созданного на Ленинградском объединении «Электросила», измерения производились в 1500 различных его точках.

Особо важную роль играют электрические измерения как электрических так и не электрических величин.

Первый в мире электроизмерительный прибор «указатель электрической силы» был создан в 1745 году, академиком Г.В. Рохманом, соратником М.В. Ломоносова.

Это был электрометр – прибор для измерения разности потенциалов. Однако только со второй половины XIX века в связи с созданием генераторов электрической энергии остро встал вопрос о разработке различных электроизмерительных приборов.

Вторая половина XIX века, начало XX века, – русский электротехник М.О. Доливо-добровольский разработал амперметр и вольтметр, электромагнитный системы; индукционный измерительный механизм; основы ферродинамических приборов.

Тогда же – русский физик А.Г. Столетов – закон изменения магнитной проницаемости, её измерение.

Тогда же – академик Б.С. Якоби – приборы для измерения сопротивления электрической цепи.

Тогда же – Д.И. Менделеев – точная теория весов, введение в России метрической системы мер, организация отделения по проверке электроизмерительных приборов.

1927 год – Ленинград построен первый отечественный приборостроительный завод «Электроприбор» (сейчас – Вибратор выпуск счётчиков).

30 годы – построены приборостроительные заводы в Харькове, Ленинграде, Москве, Киеве и в других городах.

С 1948 по 1967 год объём продукции приборостроения возрос в 200 раз.

В последующих пятилетках развитие приборостроения идёт неизменно опережающими темпами.

Основные достижения:

–  Аналоговые приборы непосредственной оценки улучшенных свойств;

–  Узко профильные аналоговые сигнализирующие контрольные приборы;

–  Прецизионные полуавтоматические конденсаторы, мосты, делители напряжения, другие установки;

–  Цифровые измерительные приборы;

–  Применение микропроцессоров;

–  Измерительный компьютер.

Современное производство немыслимо без современных средств измерений. Электроизмерительная техника постоянно совершенствуется.

В приборостроении широко используется достижения радиоэлектроники, вычислительной техники, и другие достижения науки и техники. Всё чаще применяют микропроцессоры и микро ЭВМ.

Изучение курса «Электрических измерений» ставит цель:

–  Изучение устройства и принцип действия электроизмерительных приборов;

–  Классификация измерительных приборов, знакомство с условными обозначениями на шкалах приборов;

–  Основные методики измерений, подбор тех или иных измерительных приборов в зависимости от измеряемой величины и требования к измерению;

–  Ознакомление с основными направлениями современного приборостроения.

1. Основные понятия, методы измерений и погрешностей

Измерением называется нахождение значений физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.

Измерения должны выполняться в общепринятых единицах.

Средствами электрических измерений называются технические средства, использующиеся при электрических измерениях.

Различают следующие виды средств электрических измерений:

– Меры;

– Электроизмерительные приборы;

– Измерительные преобразователи;

– Электроизмерительные установки;

– Измерительные информационные системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Электроизмерительным прибором называется средство электрических измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме доступной непосредственного восприятия наблюдателя.

Измерительным преобразователем называется средство электрических измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию.

Электроизмерительная установка состоит из ряда средств измерений и вспомогательных устройств. С её помощью можно производить более точные и сложные измерения, поверку и градуировку приборов и т.д.

Измерительные информационные системы представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств. Предназначены для автоматического получения измерительной информации от ряда её источников, для её передачи и обработки.

Классификация измерений:

а). В зависимости от способа получения результата прямые и косвенные:

Прямыми называются измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных (измерение тока амперметром).

Косвенные называются измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а находится в результате расчёта по известным формулам. Например: P=U·I, где U и I измерены приборами.

б). В зависимости от совокупности приёмов использования принципов и средств измерений все методы делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Метод непосредственной оценки – измеряемая величина определяется непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (измерение тока амперметром). Этот метод прост, но отличается низкой точностью.

Метод сравнения – измеряемая величина сравнивается с известной (например: измерение сопротивления путём сравнения его с мерой сопротивления – образцовой катушкой сопротивления). Метод сравнения подразделяют на нулевой, дифференциальный и замещения.

Нулевой – измеряемая и известная величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, доводя его показания до нуля (например: измерение электрического сопротивления уравновешенным мостом).

Дифференциальный – прибор сравнения измеряет разность между измеряемой и известной величиной.

Метод замещения – измеряемая величина заменяется в измерительной установке известной величиной.

Этот метод наиболее точен.

Погрешности измерений

Результаты измерения физической величины дают лишь приближённое её значение вследствие целого ряда причин. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения.

Различают абсолютную и относительную погрешность.

Абсолютная погрешность измерения равна разности между результатом измерения Аи и истинным значением измеряемой величины А:

ДА=Аи‑А

Поправка: дА=А–Аи

Таким образом, Истинное значение величины равно: А=Аи+дА.

О погрешности можно узнать, сравнивая показания прибора с показаниями образцового прибора.

Относительная погрешность измерения г_А представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, выраженное в %:

%

Пример: Прибор показывает U=9,7 В. Действительное значение U=10 В определить ДU и г_U:

ДU=9,7–10=–0,3 В г_U=%=3%.

Погрешности измерений имеют систематическую и случайную составляющие. Первые остаются постоянными при повторных измерениях, они определяются, и влияние её на результат измерения устраняется введением поправки. Вторые изменяются случайным образом, и их нельзя определить или устранить.

В практике электроизмерений чаще всего пользуются понятием приведённой погрешности г_п:

Это отношение абсолютной погрешности к номинальному значению измеряемой величины или к последней цифре по шкале прибора:

%

Пример: ДU=0,3 В. Вольтметр рассчитан на 100 В. г_п=?

г_п=0,3/100·100%=0,3%

Погрешности в измерениях могут быть в следствии:

а). Неправильной установки прибора (горизонтальная, вместо вертикальной);

б). Неправильного учёта среды (внешней влажности, tє).

в). Влияние внешних электромагнитных полей.

г). Неточный отсчёт показаний и т.д.

При изготовлении электроизмерительных приборов применены те или иные технические средства, обеспечивающие тот или иной уровень точности.

Погрешность, обусловленная качеством изготовления прибора, называется – основной погрешностью.

В соответствии с качеством изготовления все приборы подразделяются на классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Класс точности указывается на шкалах измерительных приборов. Он обозначает Основную наибольшую допустимую приведённую погрешность прибора:

г_Д=%.

Исходя из класса точности при поверке прибора, определяют, пригоден ли он к дальнейшей эксплуатации, т.е. соответствует ли своему классу точности.

Сравнение точности прибора с образцовым – называется поверкой.

Для поверки применяют образцовые приборы на 2 класса точности выше поверяемого. Так для поверки прибора класса точности 0,5 пригодны приборы класса точности 0,1; 0,05.

Перед поверкой вычисляют наибольшую допустимую погрешность ДА наиб для поверяемого прибора, или определяют его истинный класс точности.

Меры основных электрических величин

В зависимости от степени точности и области применения меры подразделяются на эталоны, образцовые и рабочие меры.

Эталоны – средство измерения, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины для передачи её размера другим средствам измерений.

Образцовые меры – предназначены для поверки и градуировки рабочих мер измерительных приборов. Они могут непосредственно использоваться для точных измерений.

Рабочие меры– изготовляются для широкого диапазона номинальных значений величин и используются для поверки измерительных приборов и для измерений на предприятиях.

Для изготовления приборов в целях обеспечения высокой точности измерений применяют меры электрических величин: мера ЭДС; I; R; L; взаимной индуктивности; С.

а). Мера ЭДС– в качестве мер ЭДС, как образцовых так и рабочих, применяют нормальные элементы различных классов точности.

б). Меры электрических сопротивлений: образцовые и рабочие меры выполняются в виде катушек сопротивлений, которые выполняются из манганиновой проволоки или ленты (Cu‑84%, Ni‑4%, Mn‑12%). Он обладает малым температурным коэффициентом сопротивления (0,00001 1/єС), большим удельным сопротивлением (0,45 Ом·мм²/м) и малой термо-э.д.с. при контакте с медью (2 мкВ на 1 єС).

Образцовые резисторы изготовляются на номинальные сопротивления 0,00001; 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1,0; 10; 100; 1000; 10000; 100000 Ом. Класс точности измерительных резисторов (катушек сопротивлений): 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05.

Набор резисторов, заключённых в общий кожухи соединённых по определённой схеме, называется – магазином резисторов или сопротивлений. Они применяются взамен образцовых катушек и для регулировки тока. Магазины резисторов по точности делятся на классы: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0. Образцовые катушки и магазины резисторов должны иметь возможно меньшие собственные индуктивность и ёмкость.

в). Меры индуктивности и взаимной индуктивности представляют собой катушки индуктивности и взаимной индуктивности с постоянным значением индуктивности.

Образцовые катушки индуктивности представляют собой пластмассовый или фарфоровый каркас с наложенной на него обмоткой из медной изолированной проволоки, концы которой укрепляются на зажимах. Использование каркаса из немагнитного материала обеспечивает независимость индуктивности от тока в катушке.

Добротность катушки Q=щL/r увеличивают, уменьшая её активное сопротивление r.

Образцовые катушки изготовляют на следующие номинальные значения индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Г.

Образцовая катушка с переменной индуктивностью – вариометр состоит из двух частей – неподвижной и подвижной, могущей поворачиваться на угол около 180є. Индуктивность вариометра зависит от положения подвижной части.

Магазин индуктивностей состоит из набора катушек, а иногда, кроме того, и из вариометра. Погрешность этого магазина индуктивностей равна ±(0,3ч0,5)%.

Катушка взаимной индуктивности выполняются аналогично катушкам индуктивности, но имеют две обмотки.

г). Меры ёмкости – это образцовые конденсаторы с известной или переменной ёмкостью. Ёмкость конденсатора должна возможно меньше изменяться в зависимости от времени, температуры, частоты и других факторов. Конденсатор должен обладать малыми диэлектрическими потерями и большим сопротивлением изоляции. В качестве образцовых используются воздушные и слюдяные конденсаторы.

Воздушные конденсаторы выполняются с плоскими или цилиндрическими электродами, они имеют малую ёмкость от 0,001 мкФ и практически не обладают диэлектрическими потерями, но обладают большими размерами.

Слюдяные конденсаторы состоят из ряда металлических пластин, изолированных слюдяными прокладками. Чётные пластины соединены с одним, а нечётные с другим зажимом конденсатора. Тангенс угла потерь слюдяных конденсаторов порядка 10^-4, погрешность их составляет ±(0,01ч0,5)%.

При использования магазина конденсаторов кроме групп конденсаторов, в магазине имеется конденсатор переменной ёмкости (С=0ч0,011 мкФ). Погрешность его ±0,5%.

д). Мера тока – токовые весы.

Исходя из данного определения единицы силы тока и геометрических размеров катушек подсчитывается значение силы взаимодействия между катушками при силе тока 1 А. Нагрузив второе плечо грузом найденного расчётного значения, регулируют силу ока в катушках до получения равновесия, при котором установившийся ток имеет значение 1 А.

Токовые весы ВНИИМ обеспечивают погрешность до 0,001%.

Единица силы тока – ампер А – сила не изменяющегося тока, который, проходя по двум прямолинейным параллельным проводам бесконечной длинны и ничтожно малого кругового сечения, расположенного на расстоянии 1 м один от другого в вакууме. Вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2·10^-7 Ньютон (Н), на каждый метр длины.

Эталон ЭДС – 20 насыщенных нормальных элементов и устройство сравнения для взаимного сличения нормальных элементов. ЭДС отдельного элемента может колебаться, но среднее значение ЭДС= const (постоянно).

Эталон индуктивности– 4 катушки (групповой индуктивности).

Эталоны сопротивления – 10 манганиновых катушек с номинальным сопротивлением в 1 Ом.

2. Преобразователи токов и напряжений

2.1 Шунты

Является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Применяется для расширения предела измерения тока измерительным механизмом. Представляет собой измерительный преобразователь, состоящий из резистора, включаемого в цепь измеряемого тока, параллельно которому присоединяется измерительный механизм.

Для устранения влияния сопротивлений контактных соединений шунты снабжаются токовыми и потенциальными зажимами.

Шунты изготавливают из манганина. Шунты на токи до 30 А обычно встраивают в корпус прибора на большие токи делают наружные шунты.

Наружные шунты обычно выпускаются калиброванными, т.е. рассчитываются на определённые токи и падения напряжения 10; 15; 30; 50; 60; 75; 100; 150; 300 мВ.

2.2 Добавочные резисторы

Добавочный резистор, представляющий собой измерительный преобразователь, применяется для расширения предела измерения напряжения и для исключения влияния температуры на сопротивление вольтметра RV.

Если предел измерения напряжения измерительного механизма необходимо расширить в р раз, то, U=Uи·p=Uи+Uд=Iи·(rи+rд) откуда сопротивление добавочного резистора rд=(Uи·P–Iи·rи)/I=(Iи·rи·p–Iи·rи)/Iи;

Или Rд=rи·(p‑1),

Оно должно быть в (з‑1) раз больше сопротивления измерительного механизма.

Если сопротивление измерительного механизма и добавочного резистора известны, то множитель добавочного сопротивления р=rд/rи+1.

Добавочные резисторы для постоянного тока наматываются обычно, а для переменного тока – бифилярно для получения безреактивного резистора. Намотка производится изолированным проводом на пластины или каркасы из пластмассы.

Последние выполняют в виде самостоятельных устройств и подразделяют на индивидуальные и калиброванные. Индивидуальные резисторы применяют только с тем прибором, который градуировался с ним. Калиброванный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.

Калиброванные добавочные резисторы, так же как и шунты, делят на классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0. Они изготавливаются на номинальные токи 0,5; 1; 3; 5; 7,5; 15 и 30 мА.

Добавочные резисторы применяются для преобразования напряжения до 30 кВ.

Пример 1:

I=10A; Iп=100; Rи=10Ом; Rш– ?

Пример 2:

U=30; Uи=5; Rи=5; Rд– ?

2.3 Измерительные трансформаторы тока

Трансформаторы тока предназначены для преобразования измеряемых переменных токов в относительно малые токи. Во вторичную цепь трансформатора тока включают амперметры, последовательные обмотки ваттметров, счётчиков и других приборов.

– В цепях высокого напряжения при помощи трансформаторов тока измерительные приборы изолируются от проводов высокого напряжения. Таким образом, с одной стороны, достигается возможность применения низковольтных измерительных приборов, с другой стороны, обеспечивается безопасность обслуживания измерительной установки.

Так что сопротивление вторичной внешней цепи мало и обычно не превышает 1–2 Ом.

Принцип работы трансформатора тока тот же, что и трансформатора напряжения, но в отличие от последнего он работает в условиях, близких к короткому замыканию. Кроме того, первичный ток трансформатора тока не зависит от сопротивления его вторичной цепи. При работе этот ток может изменяться от нуля до номинального, а при коротких замыканиях в цепи может превосходить номинальный в десятки раз.

Отношение действительного значения первичного тока I₁ к действительному значению вторичного тока I₂ называется действительным коэффициентом трансформации трансформатора тока, т.е. k=I₁/I₂. При известном коэффициенте k, измерив вторичный ток амперметром, определяем первичный ток: I₁=k·I₂.

Действительный коэффициент трансформации обычно не известен, так как он зависит от режима работы трансформатора тока, т.е. от измеряемого тока, значения и характера сопротивления вторичной внешней цепи и от частоты тока. Вследствие этого пользуются даваемым заводом на щитке трансформатора номинальным коэффициентом трансформации k_Н=I_Н1/I_H2, представляющим отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току трансформатора. Зная k_H, находим приближённое значение переменного тока: I'₁=k_H·I₂.

Погрешность при измерении тока, вызванная применением трансформатора,

где гК=г1 – погрешность в коэффициенте трансформации или погрешность по току.

Вторичный номинальный ток у большинства трансформаторов тока равен 5 А.

Один из выводов вторичной обмотки должен быть заземлён.

По точности трансформаторы тока подразделяются на десять классов: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 10.

Разновидность трансформатора тока с разъёмным магнитопроводом и вторичной обмоткой, замкнутой на амперметр, носит название измерительных клещей. Разъёмный магнитопровод даёт возможность измерять ток в проводе, не разрывая его, а только охватывая его как клещами.

2.4 Измерительные трансформаторы напряжения

Представляет собой измерительный преобразователь, понижающий измеряемое напряжение в заданное число раз. Получаемое низкое напряжение, не превышающее обычно 100 В, подводится к вольтметрам, параллельным цепям ваттметров, счётчиков и других измерительных приборов.

Используя трансформаторы напряжения, с одной стороны, получаем возможность применения низковольтных приборов для измерений в цепях высокого напряжения, а с другой – обеспечиваем безопасность обслуживания высоковольтных установок.

Для работы трансформатора напряжения характерно незначительное изменение первичного напряжения и большое сопротивление вторичной внешней цепи; таким образом, он работает в условиях, близких к холостому ходу.

Отношение действительного значения первичного напряжения U₁ к действительному напряжению U₂ называется действительным коэффициентом трансформации трансформатора напряжения k=U₁/U₂. зная этот коэффициент и измерив вторичное напряжение вольтметром, можно определить первичное напряжение U₁=k·U₂.

Однако действительный коэффициент трансформации обычно не известен, так как он зависит от режима работы трансформатора, т.е. от измеряемого напряжения, от значения и характера нагрузки и от частоты переменного тока.

Вследствие этого приближённо измеряемое напряжение U’₁ находят по формуле:

U’₁=k_H·U₂

где k_H=U_H1/U_H2 – номинальный коэффициент трансформации, равный отношению номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению, даётся заводом изготовителем на щитке трансформатора. Напряжение U_H2=100 B или 100 В.

Погрешность при измерении напряжения, вызванная применением трансформатора,

где г_K= г_U – погрешность в коэффициенте трансформации или погрешность по напряжению.

Для безопасности обслуживающего персонала один зажим вторичной цепи трансформатора и его металлический корпус всегда заземляются.

Трансформаторы напряжения по точности делятся на классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 и 3,0.

Породу изоляции трансформаторы напряжения делят на сухие (для напряжений до 3 кВ) и трансформаторы с заливкой маслом или изолирующей массой (для напряжения 3 кВ и выше).

Отечественная промышленность, кроме различных типов промышленных трансформаторов, изготовляет лабораторные трансформаторы с несколькими номинальными первичными и вторичными напряжениями.

Список используемой литературы

1.  В.С. Попов «Электрические измерения». М «Энергия», 1974 г.

2.  В.Н. Малиновский «Электрические измерения». М «Энергоиздат», 1982 г.

3.  В.И. Котур и др. «Электрические измерения и электроизмерительные приборы». М. Эн. 1986 г.