13439

ВИМІРЮВАННЯ ПОСТІЙНИХ СТРУМІВ ТА НАПРУГ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 3 ВИМІРЮВАННЯ ПОСТІЙНИХ СТРУМІВ ТА НАПРУГ Мета роботи: Навчитись: вимірювати постійні струми та напруги електромеханічними приладами; раціонально обирати межу вимірювання та клас точності стрілкового приладу для вимірювання заданої з допустим

Украинкский

2013-05-11

160 KB

15 чел.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 3

ВИМІРЮВАННЯ ПОСТІЙНИХ СТРУМІВ ТА НАПРУГ 

Мета роботи: Навчитись: вимірювати постійні струми та напруги електромеханічними приладами; раціонально обирати межу вимірювання та клас точності стрілкового приладу для вимірювання заданої з допустимим відхиленням фізичної величини; розширяти межі вимірювання магнітоелектричних амперметрів та вольтметрів.

При підготовці до виконання роботи необхідно:

1. Опрацювати опис даної роботи та відповідні розділи рекомендованої літератури [1], [2], [3], [5].

2. Уміти відповідати на наступні запитання:

1) Які переваги та основні характеристики мають магнітоелектричні вимірювальні механізми ( МЕВМ )?

2) Які три основні конструктивні різновиди МЕВМ вам відомі та як вони діють?

3) Які найважливіші експлуатаційні характеристики мають МЕВМ?

4) Чому шунт повинен бути чотириполюсником? Як розрахувати його опір?

5) Наведіть класифікацію шунтів та числові значення їх найважливіших експлуатаційних характеристик.

6) Наведіть класифікацію додаткових резисторів та числові значення їх найважливіших експлуатаційних характеристик. Як розрахувати опір додаткового резистора?

7) Як обрати межу вимірювання стрілкового приладу для вимірювання заданої з допустимим відхиленням фізичної величини?

8) Чому рекомендують обирати прилад із найменшою з можливих меж вимірювань?

9) Як обрати клас точності стрілкового приладу для вимірювання заданої з допустимим відхиленням фізичної величини?

10) Чому рекомендують обирати прилад найнижчої точності з тих, що відповідають розрахунковим вимогам

Короткі теоретичні відомості та послідовність виконання роботи

Постійний струм та напругу можна вимірювати електромеханічними приладами магнітоелектричної, електро та феродинамічної, електромагнітної та електростатичної систем. Але найчастіше це роблять приладами магніто-електричними (МЕ). В них вдало поєднуються найвища точність (класи точності до 0,1), чутливість ( мінімальний струм повного відхилення 0,1 мкА ), рівномірність шкали та мале власне споживання потужності, що може складати одиниці мікроват. Зовнішні електричні поля зовсім не впливають на їх роботу, а магнітні - мало. Температурні похибки добре компенсуються  конструктивно - застосуванням термомагнітного шунта, що зменшує залежність робочого магнітного потоку вимірювального механізму від температури, або схемно - застосуванням резисторів із різними температурними коефіцієнтами опору для зменшення залежності струму вимірювального механізму від температури (див. [2], [3]).

Конструктивно МЕ вимірювальні механізми (ВМ) поділяють на дві групи:

1) з рухомою котушкою;

2) з рухомим магнітом.

(Дивись відповідні плакати в лабораторії електровимірювань).

Найбільш поширені МЕВМ першої групи.  Їх, в свою чергу, поділяють на:

1. ВМ із зовнішнім магнітом.

2. ВМ із внутрішньорамковим магнітом (рамкою в приладобудуванні називають рухому котушку ВМ).

Особливу конструкцію мають так звані уніполярні МЕВМ з великим кутом шкали, що застосовуються в авіаційних приладах (див. плакати та препарати приладів у лабораторії електровимірювань).

       Головні експлуатаційні параметрами ВМ:

1. Струм, або напруга повного відхилення, тобто ті струми або напруга, при яких стрілка ВМ відхиляється до максимальної позначки шкали.  Цей параметр може бути для різних ВМ від часток мікроампера до кількох десятків міліамперів, або від часток мілівольта до одиниць вольтів.

2. Внутрішній опір  (від десятків омів до одиниць кілоомів).

3. Клас точності, що показує у відсотках межу допустимої основної зведеної похибки (звичайно від 0,1 до 1,5).

Сам МЕВМ може вимірювати як струм - при послідовному підключенні до об'єкта контролю, так і напругу - при паралельному підключенні, тобто виконувати функції амперметра або вольтметра. Але межа вимірювання таких приладів, що дорівнює відповідно струмові або напрузі повного відхилення, невелика. Щоб розширити її у бік збільшення використовують шунти та додаткові резистори. Шунти завжди включають паралельно ВМ, щоб мати амперметр із межею вимірювання в n разів більшою, ніж струм повного відхилення ВМ.

Додаткові резистори завжди включають послідовно з ВМ, щоб мати вольтметр із межею вимірювання в m разів більшою за напругу повного відхилення ВМ.  

Формули для підрахунків опору шунта та додаткового резистора:

Rш  =  Rвм / ( n – 1 )

Rд  = Rвм( m –1),

Рис. 3.1 Конструкція зовнішнього шунта

де Rш - опір шунта;  Rд - опір додаткового резистора; Rвм – опір вимірювального механізму;  n,  m - коефіцієнти,  що показують,  у скільки разів збільшуються межі вимірювання амперметра та вольтметра відповідно.

Шунт - це резистор, виготовлений з манганіну або константану, матеріалів з високим питомим опором та майже нульовим температурним коефіцієнтом опору. Але, на відміну від звичайного резистора, який є двополюсником, шунт - чотириполюсник. Він має дві великі клеми, або гвинти – затискачі, що звуться струмовими та два менші – потенціальні. (рис.3.1.).

До струмових затискачів приєднують товсті провідники - шини з вимірюваним великим струмом, який може доходити до сотень і тисяч амперів.

До потенціальних затискачів приєднують тонкі провідники з малим струмом не більш кількох десятків міліамперів, що йде на вимірювальний механізм. Причому, шунт може бути розташований від ВМ на значній відстані, як це має місце, наприклад, на літаку, де ВМ амперметра закріплений на дошці приладів у кабіні екіпажу, а шунт - біля енергоагрегатів та струмонесучих силових шин.

Нехтувати чотириполюсним підключенням шунта категорично забороняється, виходячи з двох головних причин. Перша причина: при двополюсному підключенні можливі великі похибки із-за впливу перехідних опорів затискачів. Друга: при порушенні контакту провідників із шунтом (якщо між собою вони мають хороший контакт) можливе пошкодження ВМ великим вимірюваним струмом.

Щоб зрозуміти це, треба мати на увазі, що затискачі шунта, на жаль, вкриті плівкою оксидів, жирових та інших забруднень, через яку струм переходить у тіло шунта, долаючи при цьому так званий перехідний опір. Хоча цей опір невеликий, але й шунти на великі струми мають дуже малий опір, тобто такого ж порядку. При двополюсному підключенні перехідні опори струмових затискачів додаються до опору самого шунта й спричинюють похибки вимірювань. Причому, врахувати ці опори при градуюванні неможливо, бо вони непостійні та

залежать від багатьох причин, що не можуть бути точно враховані, наприклад, від зусилля закручування затискачів, від часу та умов експлуатації шунта і т.п.

Шунти, розраховані на струми до 30 А, можуть бути вмонтовані всередину корпуса приладу, їх називають внутрішніми. Шунти на більші струми виділяють надто багато тепла, і тому їх розташовують поза приладом. Це зовнішні шунти. Бувають шунти одно граничними та багато граничними. Останні розраховані не на один номінальний струм, а на декілька, для чого передбачена відповідна комутація.

Індивідуальні шунти підганяються під конкретний екземпляр ВМ, тільки з яким їх і застосовують.

Взаємозамінні  шунти  розраховані  на повне  падіння напруги 45, 60 або 75 mV при номінальному вимірюваному струмові. Тому до них можна підключити будь-який ВМ, розрахований на вказану на шунті напругу.

Номінальні струми шунтів - від 10 мА до 7500 А. Класи точності - 0,05; 0,1; 0,2 та 0,5.

Клас точності шунта показує у відсотках допустиме  відхилення його опору від номінального.

Додаткові резистори також бувають внутрішніми та зовнішніми, індивідуальними та взаємозамінними.

Номінальні напруги, на які розраховані додаткові резистори, лежать у межах від 100 до 3000 V, а номінальні струми - 3; 5 або 7,5 мА; класи точності - 0,05; 0,1; 0,2 та 0,5.

Вибір межі вимірювання (МВ) та класу точності (КТ) стрілкового приладу для вимірювання заданого з допустимим відхиленням фізичної величини.

Це дуже поширена в практиці інженера задача. Від її грамотного вирішення залежать похибки вимірювань, їх вартість і інші параметри, що в кінцевому результаті впливають на ефективність виробництва.

Розглянемо на конкретному числовому прикладі, як це треба робити.

Найчастіше задача ставиться в такій формі: напруга на об'єкті повинна бути:

U=(2.90.2)V

Треба обрати МВ та КТ стрілкового вольтметра для вимірювання цієї напруги.

Межа вимірювання повинна бути не меншою за суму заданого значення фізичної величини та її допустимого відхилення:

МВ ≥ (2,9 + 0,2) V,

Отже,

МВ ≥ 3,1 V.

Вольтметр з МВ 3V та меншою не підходить, тому що ним не можна виміряти найбільше допустиме значення напруги на об'єкті, тобто 3,1V. Усі вольтметри з МВ, більшою за 3,1V, у принципі, можуть вирішити цю задачу. Але обирати слід прилад із найменшою МВ, що відповідає вище поставленій умові (МВ ≥ 3,1 V). Справа тут у відносній похибці вимірювання, яка є найменшою у кінці шкали стрілкового приладу, але може бути дуже великою на початку шкали.

Розглянемо для ілюстрації цього положення числовий приклад. Оберемо, наприклад, для вирішення цієї задачі вольтметр з МВ 100 V класу точності 1,0 (про вибір КТ далі буде детальніше).

Як відомо з визначення КТ, для нього допустима абсолютна похибка вимірювання дорівнює одному відсотку від нормованого значення шкали (100 V), тобто ± 1 V.

Підрахуємо, якою може бути при цьому відносна похибка вимірювання заданої напруги 3V:

δmax% = ( ∆max / X ) 100,

де  δmax – найбільша  можлива відносна похибка вимірювання;

∆max – найбільша  можлива абсолютна похибка вимірювання;

x – значення  вимірюваної фізичної величини.

Підставивши в формулу числові значення маємо:

δmax% =  1V/3V 100 ≈ 33,3% ,

   Звідси видно, що в результаті неправильного вибору МВ навіть при застосуванні приладу непоганого КТ, одержали надто велику відносну похибку.

А якщо обрати вольтметр такого ж КТ (1,0), але з МВ, наприклад, 5 V, то можна підрахувати:

∆max = ± 0,05 V   (1 відсоток від 5 V);

δmax% =  0.05V/3V 100 ≈ 1,66% ,

що в 20 разів краще попереднього варіанту.

Тепер розглянемо правило вибору КТ стрілкового приладу. Клас точності приладу повинен бути таким, щоб його допустима абсолютна похибка була, принаймні, у 3...5 разів меншою за допустиме відхилення вимірюваної фізичної величини.

Розглянемо й це положення на тому ж числовому прикладі. Нехай для вимірювання напруги U = ( 2,9 ± 0,2 ) V обрано вольтметр, у якого МВ = 5 V.

Підрахуємо згідно з вище наведеним правилом допустиму абсолютну похибку цього прикладу:

∆д  ≤  ( 0,2 V ) / ( 3….5 ),

тобто в  3...5  разів  меншою за допустиме відхилення вимірюваної фізичної величини (0,2 V).

Причому, для  технічних  вимірювань цілком досить коефіцієнта 3. Коефіцієнт 5 застосовують у не багатьох випадках вимірювань найвищої відповідальності, наприклад, пов'язаних із небезпекою для життя, здоров'я людини, з розподілом матеріальних цінностей і т.п.

Прийнявши коефіцієнт 3, матимемо:

∆д ≤ 0,066 V.

Тепер, знаючи МВ та допустиму абсолютну похибку приладу, можна обчислити межу його зведеної похибки, безпосередньо пов'язаної з класом точності:

д  ≤  ( ∆д / Хн ) 100

де      д – межа  зведеної похибки приладу; ∆д – допустима  абсолютна похибка приладу; Хн - нормоване значення шкали приладу.

Підставивши дані числа, одержимо:

д  ≤  ( 0,066V / 5V )  100

тобто

д  ≤ 1,32%

Стрілкові прилади загального призначення мають КТ: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 та 4,0, причому число КТ показує у відсотках межу зведеної основної похибки приладу.

Таким чином, для даної роботи придатні прилади класів точності 1,0; 0,5; 0,2; 0,1 та 0,05.

Перш за все, з економічних міркувань, рекомендують обирати прилад найнижчої точності, що відповідає вищенаведеним вимогам. У даному прикладі це клас 1,0. Прилади вищої точності застосовувати можна, але вони значно дорожчі, часто потребують особливих умов експлуатації, кваліфікованого (тобто з більшою зарплатою) персоналу і т.п.

Програма роботи

1. Дано МЕВМ з відомим струмом або напругою    повного      відхилення    та внутрішнім опором. Створити на його основі міліамперметр зі вказаною викладачем МВ.

Примітка. Якщо для ВМ вказано не струм, а напругу повного відхилення, то попередньо, скориставшись законом Ома, треба обчислити струм повного відхилення.

2. Калібрувати створений міліамперметр, робочим еталоном міліамперметром  високого класу точності.

3. Викладач задає необхідну для вимірювання напругу з допустимим відхиленням.

3.1. Знаючи, МВ та КТ наявного вольтметра, підрахувати, чи забезпечує він необхідну точність вимірювання.

3.2. При негативному результаті п.3.1 обчислити необхідну МВ та КТ вольтметра для вимірювання заданої викладачем напруги.

3.3. Створити вольтметр із необхідною МВ, скориставшись одним із МЕВМ на робочому місці.

Примітка. Якщо для ВМ вказано не напругу, а струм повного відхилення, то попередньо, скориставшись законом Ома, обчисліть напругу повного відхилення.

3.4. Калібрувати створений вольтметр робочим еталоном-вольтметром високого класу точності.

3.5. Опрацювати результати калібрування пп.2 та 3.4 і на їх основі зробити висновки, до яких класів точності можуть бути віднесені створені прилади.

3.6. Перевірити, знаючи МВ та КТ створеного вольтметра, чи придатний він для вимірювання заданої напруги з допустимим відхиленням. Написати висновки.

Вимоги до звіту

Звіт про виконання лабораторної роботи повинен містити:

1. Рисунки конструкцій МЕВМ із зовнішнім магнітом, із внутрішньо рамковим магнітом та рухомою котушкою і МЕВМ з рухомим магнітом (див. Рекомендовану літературу та плакати в лабораторії).

2. Схеми та розрахункові формули для амперметра з шунтом та вольтметра з додатковим резистором.

3. Розрахунки опорів шунта та додаткового резистора і результати повірок створених у лабораторній роботі амперметра та вольтметра.

4. Висновки, обґрунтовані числовими даними про належність створених амперметра та вольтметра окремо до того чи іншого класу точності.

5. Результати вимірювання заданої викладачем напруги вольтметром із великою МВ та обчислення відносної похибки вимірювання.

6. Підрахунки необхідної МВ та КТ вольтметра для вимірювання заданої викладачем напруги.

7. Розрахунки опору додаткового резистора для вольтметра з МВ, обраною у п.3.2.

8. Результати вимірювання заданої викладачем напруги вольтметром, створеним у п.3.3, та обчислення відносної похибки вимірювання.

9. Загальні висновки про лабораторну роботу.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77532. Экспертные системы. Приобретение (извлечение) знаний 255.5 KB
  В экспертных системах знания отделены от данных и мощность ЭС обусловлена в первую очередь мощностью базы знаний и только во вторую очередь используемыми методами решения задач. системы функциональные возможности которых являются в первую очередь следствием их наращиваемой базы знаний БЗ и только во вторую очередь определяется используемыми методами принятия решения. Правильное функционирование ЭС как систем основанных на знаниях зависит от качества и количества знаний хранимых в их БЗ. Поэтому приобретение знаний для ЭС является очень...
77533. Нечеткая логика: история проблемы, практические приложения 1.22 MB
  Для этого значения степень принадлежности физической величины к терму будет равна единице а для всех остальных значений в зависимости от выбранной функции принадлежности. Здесь необходимо описать лингвистические переменные которые вы будете использовать; их функции принадлежности; описать стратегию управления посредством нечетких правил которые вы сможете объединить в единую базу правил или знаний о системе. Другими словами множество А образуют такие объекты элементы для которых указанная выше функция называемая функцией...
77534. НЕЙРОННЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ. БИОЛОГИЧЕСКИЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ 463 KB
  С появлением дешевых компьютеров появилась возможность использовать в этой области нейронные сети НС. Крупный толчок развитию нейрокибернетики дал американский нейрофизиолог Френк Розенблатт предложивший в 1962 году свою модель нейронной сети персептрон. Хопфилд предложил оригинальную модель нейронной сети названную его именем.
77535. Проблемно-ориентированные языки. Языки представления знаний 97.5 KB
  Стремление к эффективной программной реализации моделей представления знаний привело к разработке большого числа языков представления знаний от простых, предназначенных для решения отдельных специальных задач, до мощных универсальных.
77536. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АЛГОРИТМЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 299 KB
  В животной клетке каждая молекула ДНК окружена оболочкой такое образование называется хромосомой. Основная часть хромосомы нить ДНК определяющая какие химические реакции будут происходить в данной клетке как она будет развиваться и как функции выполнять. В каждой соматической клетке человека содержится 46 хромосом. Эти 46 хромосом на самом деле 23 пары причем в каждой паре одна из хромосом получена от отца а вторая от матери.
77537. РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ И СИТУАЦИЙ 89 KB
  Суть задачи распознавания установить обладают ли изучаемые объекты фиксированным конечным набором признаков позволяющим отнести и ке определенному классу. Цели науки распознавания образов: замена человеческого эксперта или сложной экспертной системы более простой системой автоматизация деятельности человека или упрощение сложных систем; построение обучающихся систем которые умеют принимать решения без указания четких правил а именно систем которые умеют сами синтезировать правила принятия решений на основе некоторого конечного...
77538. МУЛЬТИ-АГЕНТНЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 96.5 KB
  Системы группового управления должны обеспечить возможность быстрой перестройки производства к изменению типа и объёма выпускаемой продукции в изменяющейся среде. Первоначально были разработаны принципы централизованного и децентрализованного группового управления сложными робототехническими системами. При децентрализованном управлении использовались распределённая группа микропроцессоров встроенных в локальные системы управления гибко программирующие поведение роботов и оборудования в соответствии с заданной в реальном времени...
77539. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 66 KB
  Изменения во внешней среде влияют не только на сам МО но и на выбор требований к цели и качеству управления и как следствие на характер желаемых траекторий движения рабочих органов. Современные МО должны обладать возможностями выполнения функций принятия решений и управления близкими к интеллектуальным функциям человека а по скорости получения решений существенно превышать возможности человека. Эти функции реализуются с помощью современных средств вычислительной техники в интеллектуальных системах управления ИСУ.
77540. Основы искусственного интеллекта (ИИ). Создание высокоавтоматизированных производств 111 KB
  Прогресс в области информатизации практически всех сфер деятельности человека, в том числе в мехатронике и робототехнике связан с тем, что часть интеллектуальной нагрузки берут на себя компьютеры. Одним из способов достигнуть максимального прогресса в этой области, является искусственный интеллект