Электротехнические измерения и приборы

Цель работы: изучить методы измерения электрических величин, принцип действия приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической и индукционной систем, рассчитать погрешность измерений.

Ход выполнения работы:

Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: ток, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т.д.

Электроизмерительные устройства широко применяются и для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и т.д.), которые для этой цели преобразуются в пропорциональные им электрические величины. Такие методы измерений известны под общим названием электрических измерений неэлектрических величин. Применение электрических методов измерений дает возможность относительно просто передавать показания приборов на дальние расстояния (телеизмерение), управлять машинами и аппаратами (автоматическое регулирование), выполнять автоматически математические операции над измеряемыми величинами, записывать (например, на ленту) ход контролируемых процессов и т.д.

По типу отсчетного устройства различают аналоговые и цифровые приборы. В аналоговых приборах измеряемая или пропорциональная ей величина непосредственно воздействует на положение подвижной части, на которой расположено отсчетное устройство. В цифровых приборах подвижная часть отсутствует, а измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, регистрируемый цифровым индикатором. Микропроцессоры позволяют существенно повысить производительность и точность измерительных приборов, придавая им дополнительные функции обработки результатов измерений. Для исследования сложных объектов применяются автоматические измерительные системы представляющие собой совокупность датчиков, измерительных и регистрирующих приборов, устройств их сопряжения (интерфейс) и управления.

Измерение любой физической величины заключается в ее сравнении посредством физического эксперимента с принятым за единицу значением соответствующей физической величины, называемой мерой. Такое сравнение возможно при помощи либо прибора сравнения, либо прибора непосредственного отсчета, называемого также показывающим прибором. В последнем случае измеряемая величина определяется по шкале прибора, для градуировки которой необходима мера. В зависимости от того, как получаются результаты измерения, различают измерения прямые, косвенные и совокупные.

Если результат измерения непосредственно дает искомое значение исследуемой величины, то такое измерение принадлежит к числу прямых, например, измерение тока амперметром.

Если измеряемую величину приходится определять на основании прямых измерений других физических величин, с которыми измеряемая величина связана определенной зависимостью, то измерение относится к косвенным, как, например, измерение сопротивления элемента электрической цепи при измерении напряжения вольтметром и тока амперметром. Следует иметь в виду, что при косвенном измерении возможно существенное снижение точности по сравнению с точностью при прямом измерении из-за сложения погрешностей прямых измерений величин, входящих в расчетные уравнения.

В зависимости от способа применения приборов и мер принято различать следующие основные методы измерения: непосредственный, нулевой и дифференциальный.

При пользовании методом непосредственного измерения (или непосредственного отсчета) измеряемая величина определяется путем непосредственного отсчета показания измерительного прибора или непосредственного сравнения с мерой данной физической величины (измерение тока амперметром, измерение длины метром). В этом случае точность измерения определяется точностью показывающего прибора.

При измерении нулевым методом значение образцовой (известной) величины (или эффект ее действия) регулируется до равенства со значением измеряемой величины (или эффектом ее действия), которая фиксируется измерительным прибором. Прибор должен быть высокой чувствительности, он именуется нулевым прибором, или нуль – индикатором. Точность измерения нулевым методом очень высока и в основном зависит от точности образцовых мер и чувствительности нулевых приборов. Важнейшие среди нулевых методов электрических измерений – мостовые и компенсационные.

Еще большая точность может быть достигнута при дифференциальных методах измерения. В этих случаях измеряемая величина уравновешивается известной величиной не до полного равновесия, а путем прямого отсчета, измеряется разность измеряемой и известной величин. Дифференциальные методы применяются для сравнения двух величин, значения которых мало различаются.

Точность измерения характеризуется его возможными погрешностями. Эти погрешности при каждом конкретном измерении, не должны превышать некоторого определенного значения. В зависимости от способа числового выражения различают погрешности абсолютные и относительные, а применительно к показывающим приборам – еще и приведенные.

Абсолютная погрешность ∆Аэто разность между измеренным А_из и действительным значениями измеряемой величины:

∆А =А_из - А(1)

Например, амперметр показывает А_из=9 А, а действительное значение тока А = 8,9 А, следовательно, ∆А = 0,1 А.

Чтобы определить действительное значение величины нужно к измеренному значению прибавить поправку – абсолютную погрешность, взятую с обратным знаком.

Точность измерения оценивается обычно не абсолютной, а относительной погрешностью – выраженным в процентах отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

, (2)

А так как разница между А и А_из обычно относительно мала, то практически в большинстве случаев можно считать, что

. (3)

Для приведенного примера измерения тока относительная погрешность

.

Для оценки точности самих показывающих измерительных приборов служит их приведенная погрешность. Так называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности показания ∆А к А_ном – номинальному значению, соответствующему наибольшему показанию прибора:

, (4)

Если в рассмотренном примере предел измерения амперметра А_ном = 10 А, то его приведенная погрешность

Погрешности прибора обуславливаются недостатками самого прибора и внешними влияниями. Приведенная погрешность, зависящая лишь от самого прибора, называется основной погрешностью.

Допускаемая основная погрешность электроизмерительного прибора определяет его класс точности. Обозначением класса точности служит допускаемая основная погрешность приборов, принадлежащих к этому классу: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Принадлежность прибора к определенному классу указывает, что основная погрешность прибора на всех делениях шкалы не превышает значения, определяемого классом точности этого прибора (например, у прибора класса 1 допускаемая основная погрешность 1%). Отклонение внешних условий от нормальных вызывает дополнительные погрешности.

В зависимости от чувствительности к внешним магнитным или электрическим полям электроизмерительные приборы делятся на две категории: 1-приборы менее чувствительные и 2 – приборы более чувствительные.

Любой прибор непосредственного отсчета состоит из двух основных частей: измерительного механизма и измерительной цепи (измерительной схемы).

Назначение измерительного механизма – преобразование подводимой к нему электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя. Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину (напряжение, ток, мощность и т.д.) в пропорциональную ей величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Например, в вольтметре измерительная цепь состоит из катушки измерительного механизма и добавочного резистора. При постоянстве сопротивления измерительной цепи ток в измерительном механизме вольтметра пропорционален измеряемому напряжению.

Один и тот же измерительный механизм в соединении с различными измерительными цепями может служить для измерения различных величин.

В зависимости от принципа действия измерительного механизма различают несколько систем показывающих приборов (магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, индукционная и др.).

В измерительных механизмах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается взаимодействием измеряемого постоянного тока в катушке механизма с полем постоянного магнита. Существует два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом, причем первые применяются значительно чаще, чем вторые.

В магнитоэлектрическом механизме с подвижной катушкой (рис.1) последняя установлена на опорах и может поворачиваться в воздушном зазоре магнитной цепи постоянного магнита 1.

Рис.1

Магнитную цепь измерительного механизма образуют магнитопровод 2, полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 4, которые изготовляются из магнитомягкого материала.

Угол между направлениями вектора магнитной индукции В в воздушном зазоре и тока I в активной части проводников длиной l подвижной катушки равен 90⁰. Следовательно, на каждый из проводников действует электромагнитная сила:

, (5)

а на подвижную часть механизма – вращающий момент:

, (6)

где d – диаметр каркаса катушки с числом витков ω и площадью поперечного сечения S = l d; k_вр= ω S d – коэффициент пропорциональности.

Так как противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами, прямо пропорционален углу закручивания, т.е. М_пр= k_прα , то угол поворота катушки при равенстве моментов М_вр = М_пр прямо пропорционален измеряемому току:

,

где С_пр – постоянная прибора («цена деления»).

Постоянный магнит создает сильное магнитное поле в воздушном зазоре магнитной цепи прибора (0,2-0,3 Тл), и даже при малых значениях измеряемых токов можно получить достаточный вращающий момент. Поэтому магнитоэлектрические приборы весьма чувствительны, внешние магнитные поля влияют на их показания, и их собственное потребление энергии относительно мало.

Для расширения пределов измерения приборы магнитоэлектрической системы, а также приборы других систем снабжают набором резисторов для делителей измеряемых величин. Резистор, включаемый последовательно с катушкой измерительного механизма, называется добавочным резистором; резистор, который включается параллельно с катушкой измерительного механизма или с ветвью, содержащей катушку и добавочный резистор, называется шунтом.

При изменении направления тока изменяется и направление вращающего момента. При переменном токе на подвижную часть прибора действуют быстро чередующиеся вращающие моменты противоположного направления. Их результирующее действие не изменит положение подвижной части прибора. Для измерения переменного тока магнитоэлектрический измерительный механизм должен быть соединен с преобразователем. Преобразователем может быть, например, двухполупериодный выпрямитель.

В измерительных механизмах электромагнитной системы вращающий момент обусловлен действием магнитного поля измеряемого тока в неподвижной катушке прибора на подвижный ферромагнитный якорь. Механические силы в подобном устройстве стремятся переместить якорь так, чтобы энергия магнитного поля устройства стала возможно большей.

Магнитное поле прибора возбуждается самим измеряемым током и относительно слабое, так как большая часть пути магнитного потока происходит в воздухе. По этой причине у измерительного механизма электромагнитной системы малая чувствительность. Из-за слабости собственного магнитного поля прибор приходится защищать от внешних магнитных влияний. Для этого применяют ферромагнитные экраны или же измерительные механизмы изготовляются астатическими.

Общий принцип астатического устройства измерительной системы заключается в следующем. Число катушек в механизме удваивается, причем обе катушки в равной мере участвуют в образовании вращающего момента, но их собственные магнитные поля имеют противоположные направления. Всякое внешнее однородное магнитное поле, усиливая магнитное поле одной катушки, настолько же ослабляет магнитное поле второй катушки. В результате внешнее магнитное поле не изменяет общий вращающий момент измерительного механизма.

Класс точности электромагнитных приборов обычно не выше 1,5, главным образом из-за влияния гистерезиса (остаточного намагничивания), что особенно сказывается при измерениях постоянного тока, и потерь энергии на перемагничивание при измерениях переменного тока.

Электромагнитный измерительный механизм обладает рядом ценных свойств. Неподвижную катушку с током легко выполнить с достаточным запасом сечения проводов на случай перегрузок. Приборы этой системы допускают большие перегрузки, дешевы и просты по устройству. Электромагнитными приборами измеряют преимущественно переменные напряжения и токи (невысоких частот). В промышленных установках переменного тока низкой частоты большинство амперметров и вольтметров – приборы электромагнитной системы.

В электродинамических измерительных механизмах для создания вращающего момента используется взаимодействие двух катушек с токами.

Измерительный механизм этой системы состоит в основном из неподвижной и подвижной катушек. Противодействующий момент создают специальные пружины, которые вместе с тем служат для подвода тока в подвижную катушку. Последняя под действием электромагнитных сил стремится занять такое положение, при котором направление его магнитного поля совпадает с направлением поля неподвижной катушки (максимальная энергия суммарного магнитного поля).

Так как в приборе две катушки, то можно существенно расширить область применения этого механизма. В зависимости от назначения прибора изменяется и характер его шкалы.

В вольтметре обе катушки с большими числами витков обычно соединяются последовательно между собой и последовательно с добавочным резистором.

В электродинамических амперметрах на токи до 0,5 А подвижная и неподвижная катушки соединяются последовательно. При большем значении измеряемого тока I подвижная и неподвижная катушки соединяются параллельно.

Электродинамические приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока, причем в обоих случаях шкала у приборов одна и та же.

В электродинамическом приборе измеряемые токи возбуждают относительно слабое магнитное поле в воздухе. Поэтому для получения достаточного вращающего момента нужны катушки измерительного механизма с большими числами витков и собственное потребление энергии прибором относительно велико. Из-за слабого магнитного поля прибор чувствителен к внешним магнитным влияниям; для защиты от этих влияний приборы имеют экраны. Так как условия охлаждения плохие (теплоотдача через слой воздуха), то электродинамические механизмы не допускают сколько-нибудь значительной перегрузки (в особенности амперметры). Наконец приборы этой системы дорогие. Однако благодаря отсутствию в магнитном поле ферромагнитных сердечников – элементов с нелинейными свойствами – точность электродинамического прибора может быть высокой – класса 0,2 и даже 0,1.

Индукционная измерительная система основана на использовании вращающегося магнитного поля. Если синусоидальные токи в двух катушках, определенным образом ориентированных в пространстве, не совпадают по фазе, то в части пространства результирующее магнитное поле этих двух катушек будет вращающимся вокруг некоторой оси. Если на этой оси находится тело из материала с малым удельным сопротивлением, то в нем возникнут вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с вращающимся магнитным полем создает вращающий момент, под действием которого тело придет в движение.

В индукционном измерительном механизме вращающий момент создается воздействием результирующего магнитного поля двух электромагнитов переменного тока на подвижную часть – алюминиевый диск, в котором это поле индуктирует вихревые токи. Электромагниты возбуждаются измеряемыми переменными токами. Поэтому значение вращающего момента зависит от значений токов в обоих электромагнитах и угла сдвига фаз между ними. Это ценное свойство индукционного измерительного механизма положено в основу построения приборов для измерения мощности и энергии в цепях переменного тока.

Контрольные вопросы и задания

Перечислите области применения электрических методов измерений.

В чем различие между аналоговыми и цифровыми приборами?

Что понимают под измерением физической величины?

Какие измерения относят к прямым, какие к косвенным?

Поясните сущность непосредственного, нулевого и дифференциального методов измерения.

Запишите определения и формулы абсолютной и относительной погрешностей.

Что означает класс точности прибора?

Из каких основных частей состоит прибор непосредственного отсчета?

Поясните принципы действия приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической и индукционной системы.

Определите абсолютную и приведенную погрешность вольтметра, рассчитанного на 250 В, если действительное значение напряжения 200 В, а вольтметр показывает 206,25 В.

Практическая работа № 10