Методы измерения постоянного тока. Глава пятнадцатая. измерения электрических, магнитных и неэлектрических величин

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Автоматизации Теплоэнергетических Процессов

Отчет по лабораторной работе №3

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

по курсу «Метрология, стандартизация и сертификация »

Студент гр. _____________ Пирназаров М.И

Выполнил

Студент гр ________________ Усмонов Э.Б

Предподователь ________________ Медведев В.В

Томск-2015г

Введение

Цель работы заключается в изучении различных видов измерений, а также в практическом освоении прямых и косвенных методов измерения электрических величин (постоянного тока и напряжения).

1.изучение классификации измерений;

2.измерение величины постоянного тока прямым и косвенным методами;

.построить графики;

.измерение величины напряжения постоянного тока прямы,м и косвенным методами.

Прямые и косвенные измерения U и I

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (по показаниям ИП).

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, измеренными прямым методом.

где Y - искомая, косвенно измеренная величина;, x2, x3, … xn - величины, измеренные прямым методом;

Прямой метод измерения напряжения постоянного тока

Для прямого измерения напряжения постоянного тока необходимо собрать схему, приведенную на рис. 2.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной цепи

Таблица 1 - результаты измерения постоянного напряжения

Угол поворота регулятора Р2 «Установка +U», °Результаты прямого измерения напряжения, ВРезультаты косвенного измерения напряжения, В00,010,56603,813,811209,569,2118014,2714,33

Косвенный метод измерения напряжения постоянного тока

Напряжение и ток в цепи постоянного тока связаны законом Ома:

где U - искомое значение напряжения, В,- измеренное значение постоянного тока, А,- известное значение сопротивления, Ом.

следовательно, величину напряжения постоянного тока в цепи можно оценить, измерив величину тока в цепи.

Для косвенного измерения напряжения постоянного тока цепи необходимо собрать

Рисунок 3 - Схема экспериментальной цепи

Таблица 2 - результаты измерения постоянного тока

Угол поворота регулятора Р2 «Установка +U», °Результаты измерения тока, мА00,02604,131208,4618013,30

Значения напряжения постоянного тока в цепи рассчитываются по формуле (2) и заносятся в таблицу 1.

По данным таблицы 1 в одной системе координат строим графики зависимости результатов прямого и косвенного измерений от значения угла поворота регулятора Р2. Графически показать абсолютную погрешность измерений. Сделать вывод о характере погрешности.

Рисунок 4 - График зависимости результатов прямого и косвенного измерений тока от значения угла поворота регулятора.

Прямой и косвенный методы измерения постоянного тока

Собираем схему, представленную на рис. 3 и данные заносим в таблицу 3.

напряжение сила ток измерение

Таблица 3 - результаты измерения постоянного тока

Результат прямого измерения постоянного тока, мАЗначение напряжение постоянного тока в цепи, ВРезультат косвенного измерения постоянного тока в цепи, мААбсолютная погрешность косвенного измерения, мАI10,59-0,58-0,56I21,931,502,63I37,116,571,89I411,3110,682,62

Данные также заносим в таблицу 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучили различные виды измерений, также в практически освоили прямые и косвенный методы измерение электрических величин (постоянного тока и ноприженя).

Контрольные вопросы

Приведите примеры прямых, косвенных, совокупных, и совместных измерений/

Какие измерения (косвенные/прямые) вы считаете более точными и печами

Измерения постоянного тока и напряжения производятся с помощью приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем, напряжение измеряется также электростатическими и электронными вольтметрами. Кроме этого, для более точных измерений используются компенсаторы постоянного тока.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы непосредственно являются микро- и миллиамперметрами или милливольтметрами, а в сочетании с шунтами и добавочными сопротивлениями – соответственно амперметрами и вольтметрами.

Для измерения и обнаружения малых токов (10 -11 - 10 -5 А) и напряжений (меньших 10 -4 В) применяют гальванометры – высокочувствительные измерительные механизмы обычно магнитоэлектрической системы. В отличие от приборов, шкалы которых градуируются в измеряемых величинах, гальванометры имеют неименованную шкалу, цена деления которой указывается в паспортных данных прибора или определяется экспериментально.

Измерение постоянных токов и напряжений можно производить с помощью амперметров и вольтметров электромагнитной и электродинамических систем. Они применяются в основном для измерений в цепях переменного тока.

Электростатические измерительные механизмы являются электростатическими вольтметрами, так как они могут непосредственно измерять напряжение. Диапазон измеряемых ими напряжений находится в пределах от десятка вольт до сотен киловольт. Для измерения напряжений до 3 кВ используют измерительные механизмы с изменяющейся активностью поверхности электродов. Изготавливают вольтметры однопредельными и многопредельными, переносными (до 30 кВ) и стационарными (для измерения высоких напряжений, свыше 30 кВ).

Класс точности современных электростатических вольтметров достигает 0,1 и даже 0,05 (С-71), однако чаще всего изготавливают приборы классов 1,5; 2 и 2.5. Для уменьшения влияния внешних электростатических полей применяют электростатическое экранирование . Пределы измерений расширяют с помощью резисторных делителей напряжения.

Основными достоинствами электростатических вольтметров являются: очень малое собственное потребление мощности (большое входное сопротивление, 10 10 Ом), способность измерять постоянные и переменные напряжения, возможность непосредственно измерять большие напряжения. К недостаткам относятся малая чувствительность и неравномерность шкалы.

Измерение постоянных напряжений от долей вольта до нескольких киловольт может осуществляться с помощью электронных вольтметров, которые содержат измерительный механизм и ламповый или транзисторный усилитель постоянного тока. Существует несколько разновидностей электронных вольтметров постоянного тока, однако все они характеризуются структурной схемой, показанной на рисунке 6.1 рис. 6.1 .

Рис. 6.1.

Входное устройство (делитель напряжения), на которое подается напряжение U X , позволяет изменять пределы измерения и обеспечивает высокое входное сопротивление прибора.

В качестве измерительного механизма используют обычно магнитоэлектрический микроамперметр с пределами измерения 50 500 мкА.

Усилители постоянного тока предназначаются для повышения чувствительности прибора, увеличения мощности измеряемого сигнала до уровня, при котором обеспечивается требуемое отклонение указателя измерительного механизма. Усилители имеют высокое входное и малое выходное сопротивление. Это обеспечивает согласование входного сопротивления вольтметра (10 - 20 МОм) с малым внутренним сопротивлением микроамперметра. Наиболее часто усилители выполняются в виде мостовых схем с обратной связью.

Электронные вольтметры со стрелочным отсчетом имеют следующие особенности: большое входное сопротивление и, следовательно, малое потребление мощности от объекта измерения; высокую чувствительность при большом диапазоне измерения; способность выдерживать перегрузки; сравнительно небольшую скорость измерений (из-за инерционности магнитоэлектрического измерительного механизма); необходимость питания (от сети или батареи); большие погрешности (основная приведенная погрешность 2 - 3 %).

В настоящее время, конечно, большее распространение получили цифровые вольтметры – приборы с цифровым отсчетным устройством и аналого-цифровым преобразователем, в котором напряжение (или другие физические величины; частота, сдвиг фаз и т.д.) автоматически преобразуются в цифровой код. Такие приборы имеют ряд преимуществ перед стрелочными: обладают широким диапазоном измеряемых напряжений (от 1 мВ до 1000 В), быстродействием, позволяют проводить измерения с малыми погрешностями (0,01 - 0,005), так как принцип действия большинства приборов основан на методе сравнения, а цифровой отсчет исключает погрешность считывания. Цифровые вольтметры позволяют также вводить данные измерений непосредственно в вычислительные машины, что позволяет в дальнейшем обрабатывать полученные данные более оперативно.

К недостаткам можно отнести сложность устройства, меньшую надежность и высокую стоимость .

Существуют различные принципы построения цифровых вольтметров постоянного тока:

• По типу используемых элементов в схемах они делятся на:
  • электромеханические;
  • электронные;
  • комбинированные.
• По способу аналого-цифровых преобразований подразделяются на приборы с:
  • пространственным кодированием;
  • промежуточным преобразованием (в интервал времени, частоту, фазу и т.д.);
  • уравновешенным образцовым напряжением (наиболее точные).

Введение.

1. Методы измерения

1.1 Метод непосредственной оценки

1.2 Метод сравнения

2. Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры)

2.1 Магнитоэлектрические приборы

2.2 Электромагнитные приборы

2.3 Электродинамические приборы

2.4 Ферродинамические приборы

2.5 Электростатические приборы

2.6 Термоэлектрические приборы

2.7 Выпрямительные приборы

Заключение.

Введение.

В эпоху научно-технической революции темпы развития науки и техники в значительной степени определяются научным и техническим уровнем измерения. В свою очередь уровень развития измерительной техники является одним из важнейших показателей прогресса науки и техники. Это особенно справедливо для электрорадиоизмерений, поскольку исследования в области физики, радиотехники, электроники, космонавтики, медицины, биологии и других отраслей человеческой деятельности базируются на измерениях электромагнитных величин.

Основными направлениями качественной стороны развития электрорадиоизмерительной техники являются:

· повышение точности измерения;

· автоматизация процессов измерения;

· повышение быстродействия и надежности измерительных приборов;

· уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

Электрорадиоизмерения, как и другие измерения, основаны на метрологии.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

1. Методы измерения

Перед измерением тока (напряжения) нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и сопротивлении цепи, в которой производится измерение. Эти предварительные сведения позволят выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор.

Для измерения тока и напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения.

1.1 Метод непосредственной оценки

· внутреннее сопротивление амперметра RA должно быть много меньше сопротивления нагрузки Rн;

· внутреннее сопротивление вольтметра RV должно быть много больше сопротивления нагрузки Rн;

Невыполнение этих условий приводит к систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадет со значениями отношений RA/RН и RН/RV. Условие RV > RН особенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивлением в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры с входным сопротивлением до сотен мегаом.

С повышением частоты погрешность измерений тока увеличивается.

1.2 Метод сравнения

Метод сравнения обеспечивает более высокую точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов – компенсаторов, отличающихся тем свойством, что в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется, т.е. входное сопротивление практически бесконечно. Это свойство позволяет применять компенсаторы для измерения ЭДС. Метод сравнения реализуется также в цифровых вольтметрах дискретного действия и аналоговых компенсационных вольтметрах, благодаря чему погрешность измерения составляет десятые, сотые и даже тысячные доли процента.

2. Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры)

Электромеханические измерительные приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно преобразуется в показания отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей:

· неподвижной, соединенной с корпусом прибора;

· подвижной, механической или оптической связанной с отсчетным устройством.

Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам называется ценой деления.

Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочным.

Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запресованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (Рис.2,а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках или подвесах (Рис.2,б,в).

Электромеханический измерительный прибор содержит следующие узлы:

· узел, создающий вращающий момент;

· узел, создающий противодействующий момент;

· успокоитель

Электромагнитная энергия Wэм поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент, и вызывает поворот подвижной части прибора. Вращающий момент Мв можно выразить уравнением Лангранжа второго рода:

(1)

Под воздействием вращающего момента подвижная часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент Мп, направленный навстречу вращающему моменту. Противодействующий момент можно получить за счет механических или электрический сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте подвижной части. Механический противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а.

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.

К интегральным параметрам относятся:

действующее значение - ,

средневыпрямленное значение - ,

среднее 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.

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. Благодаря такой универсальности и небольшим габаритам выпрямительные приборы широко применяются в лабораторной и производствен­ной практике.

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) прямом включении средств измерений позволяют осуществлять электростатические киловольтметры.

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.

Активная мощность измеряется ваттметром, а реактивная мощность измеряется варметром.

Измерение больших мощностей. При измерении больших мощностей используются трансформатор тока и трансформатор напряжения.

Схема подключения показана на рисунке 8.4.

Рисунок 8.4 Схема подключения ваттметра для измерения

больших мощностей

8.3 Измерение 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.

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

Для примера на рисунке 8.5приведена схема измерений трех линейных токов с использованием двух измерительных трансформаторов тока, а на рисунке 8.6- аналогичная схема измерений линейных напряжений (V1 - U AB , V2 - U B С, V3 - U С A).

Рисунок 8.5

Рисунок 8.6

Эти схемы основаны на известных соотношениях для трехфазных цепей.

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.