23369

Исследование метрологических характеристик электромеханических приборов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Построить графики зависимости абсолютной погрешности прибора от его показаний при его работе на постоянном токе. Определить максимальное значение приведенной основной погрешности прибора для постоянного тока. На основе анализа полученных данных сделать вывод о соответствии основной погрешности и вариации показаниям определяемым классом точности испытуемого прибора.

Русский

2013-08-04

646 KB

5 чел.

10

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра автоматизации производственных процессов

Лабораторная работа

Исследование метрологических характеристик

электромеханических приборов

Уфа 2007


Цель работы – ознакомление с аналоговыми электромеханическими приборами и методикой определения некоторых метрологических характеристик приборов.

Рекомендации по сборке и включению схем

Прежде чем приступить к сборке схемы, необходимо расставить всю аппаратуру на столе так, чтобы было удобно собирать схему, снимать показания приборов и пользоваться регулирующими устройствами. После этого необходимо мысленно выделить по функциональному назначению части цепи (например, параллельные и последовательные цепи) и собирать их отдельно. Провода, соединяющие схему с источником питания, следует подключать к источнику последними. Перед включением схемы необходимо все ручки регулировочных устройств установить в такое положение, при котором на элементах схемы выделялась бы минимальная мощность (минимальные напряжения и токи). Верхние пределы измерений используемых приборов должны быть установлены максимальными, кроме особо оговоренных в работах случаев.

По окончании работы схемы должны быть разобраны, провода собраны в специальные папки, а используемые средства должны быть аккуратно расставлены на столе.

Задание

1. Ознакомиться с имеющейся на рабочем месте аппаратурой.

2. Определить основную погрешность и вариацию показаний поверяемого миллиамперметра или вольтметра на постоянном токе. Погрешность и вариация определяются для 6-8 точек шкалы с обязательным включением в число поверяемых точек всех числовых отметок.

3. Построить графики зависимости абсолютной погрешности прибора от его показаний при его работе на постоянном токе. Определить максимальное значение приведенной основной погрешности прибора для постоянного тока.

4. Определить внутреннее сопротивление миллиамперметра или вольтметра.

5. На основе анализа полученных данных сделать вывод о соответствии основной погрешности и вариации показаниям, определяемым классом точности испытуемого прибора.

Методические указания к работе

Поверкой средств измерений называют определение погрешностей средства и установление его пригодности к применению. В основе поверки методом сличения лежит одновременное измерение одной и той же величины поверяемым прибором и образцовым средством измерений. Соотношение пределов допускаемых абсолютных основных погрешностей образцовых средств измерений и поверяемых приборов для каждой поверяемой отметки шкалы должно быть не более 1:5 при поверке приборов всех классов точности.

Перед началом поверки необходимо:

а) установить прибор в нормальное для него положение в соответствии с условным обозначением на шкале прибора;

б) с помощью корректоров установить указатели приборов на начальную отметку шкалы;

в) для поверки вольтметра собрать и включить цепь (рис. 1), где V1 и V2 - поверяемый и образцовый вольтметры; R2 и R3 - регулировочные переменные резисторы;

Рис. 1.

г) для поверки миллиамперметра собрать и включить цепь (рис. 2), где А1 и А2 – поверяемый и образцовый миллиамперметры; R5 и R6 – регулировочные переменные резисторы.

Рис. 2.

При работе с измерительными приборами необходимо обращать внимание на их пределы измерений, выбирая пределы так, чтобы отсчет производился по возможности ближе к конечному значению шкалы.

При определении основной погрешности указатель поверяемого прибора последовательно устанавливают на поверяемые отметки шкалы сначала при плавном увеличении измеряемой величины (прямой ход), а затем на те же отметки при плавном уменьшении измеряемой величины (обратный ход). Для всех поверяемых отметок по образцовому средству измерений определяют действительные значения измеряемой величины.

Результаты поверки и расчетов заносят в таблицу следующего вида:

Показания поверяемого средства измерения

Показания образцового средства измерения

Абсолютная погрешность

Вариация

Относи-тельная погрешность

Приведённая погрешность

Прямой ход

Обратный ход

Прямой ход

Обратный ход

В единицах измеряемой величины

%

Абсолютную погрешность при прямом и обратном ходе определяют по формулам (соответственно): Δx’ = х – x; Δx’’ = х – x’’, где х – показание поверяемого прибора; x – показание образцового средства измерений при прямом ходе; x’’ – показание образцового средства измерений при обратном ходе.

Относительная погрешность (в процентах) равна δ = 100Δx/х.

Приведенная погрешность (в процентах) равна γ = 100Δx/xN, где xN – нормирующее значение, которое принимается равным:

а) верхнему пределу измерений, если нижний предел равен нулю, либо нуль находится вне диапазона измерений;

б) сумме модулей пределов измерений, если нуль находится внутри диапазона измерений.

Для приборов, у которых пределы показаний могут быть (∞, 0) или (0, ∞), например магнитоэлектрических омметров, за нормирующее значение принимается длина шкалы lN, выраженная, в частности, в делениях равномерной шкалы.

Относительную и приведенную погрешности определяют для всех поверяемых отметок шкалы, выбирая наибольшее по модулю значение абсолютной погрешности.

Вариацию показаний прибора на поверяемой отметке шкалы определяют как абсолютное значение разности действительных значений измеряемой величины при одном и том же показании прибора, полученных при прямом и обратном ходе. Вариация   может определяться также в   процентах   от нормирующего значения измеряемой величины.

Класс точности – обобщенная характеристика СИ, определяемая пределами допускаемой основной и дополнительной погрешностей. Класс точности определяется по максимальной основной приведенной погрешности и выбирается из ряда чисел [1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6]*10n (значение n может быть равно -3; -2; -1, 0; +1) путем округления в бóльшую сторону.

Для определения входного сопротивления приборов можно использовать набор сопротивлений R7 ... R14. При этом проводятся два эксперимента:

- выставляется напряжение на входе прибора, при котором стрелка откланяется более чем на 2/3 шкалы и фиксируется это значение напряжения

- не изменяя входное напряжение источника, последовательно с прибором дополнительно включается такое сопротивление, при котором показание исследуемого прибора изменится на 10-30%. Далее входное сопротивление прибора определяется на основании расчет

Краткие теоретические сведения

Электромеханические приборы (ЭМП) – такие приборы, в устройствах преобразования которых нет электронных блоков.

В этих приборах электромагнитная энергия, проведенная к прибору из измерительной цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части измерительного механизма относительно подвижной.

ЭМП применяются для измерения тока, напряжение, мощности, сопротивления и других электрических величин. Они состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства (рис. 3).

Рис. 3.

Измерительная цепь обеспечивает преобразование измеряемой величины Х в некоторую промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с измеряемой величиной Х.

По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов (датчиков, резисторов, конденсаторов, выпрямителей и т.д.).

Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же прибор для измерения различных величин.

Измерительный механизм является основной частью прибора, преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для создания угла отклонения α его подвижной части относительно неподвижной.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающих работу измерительного механизма, имеет вид:   

,

(1)

где J – момент инерции подвижной части ИМ.

На подвижную часть ИМ воздействуют следующие моменты:

1) вращающий момент, определяемый для всех ЭМП скоростью измерения энергии электромагнитного поля:

,

(2)

где Wэм – энергия электромагнитного поля.

2) противодействующий момент, который создается механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек и т.д.:

,

(3)

где W – удельный противодействующий момент на единицу угла закручиваемой пружины, который зависит от материала пружины и ее геометрических размеров.

3) момент успокоения, т.е. момент сил сопротивления движения (направлен на встречу движению):

,

(4)

где Р – коэффициент ускорения (деформирования).

Таким образом, сумма моментов, воздействующих на подвижную часть ИМ равна

.

(5)

Решив систему уравнений (1.1)-(1.5) и выразив вращающий момент, получим  

.

(6)

При установившемся отклонении подвижной части ИМ , выражение (1.6) примет вид

.

(7)

Подставив в последнее выражение аналитические выражения моментов, можно получить уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения от значения измеряемой величины.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическую ЭМП делятся на:

  •  магнитоэлектрические приборы (МЭП);
  •  электромагнитные приборы  (ЭМП);
  •  электродинамические приборы (ЭДП);
  •  электростатические приборы (ЭСП);
  •  индукционные приборы (ИП).

Условные обозначения, наносимые на шкалах соответствующих приборов, показаны на рис. 4.

МЭП

ЭМП

ЭДП

ЭСП

ИП

Рис. 4.

Отсчетное устройство – состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные и световые. Шкалы бывают прямолинейные, дуговые и круговые, равномерные и неравномерные.

Магнитоэлектрические приборы (МЭП). В этих приборах используется взаимодействие поля постоянного магнита с рамкой, в которой протекает измеряемый ток (рис. 5).

Рис. 5.

На рисунке: 1 – постоянный магнит; 2 – цилиндрические накладки; 3 – рамка с обмоткой из медного провода; 4 – цилиндрический сердечник из ферромагнитного материала. Сердечник укрепляется на оси, противодействующий момент создается спиральной пружиной.

При протекании тока I по обмотке рамки на активной стороне рамки действует пара сил, создающая вращающий момент, значение которого определяется выражением (2). Энергия электромагнитного поля при этом равна:  

,

(8)

где Ψ – потокосцепление подвижной рамки,  

I – измеряемый ток;

В – магнитная индукция;

S – площадь рамки;

N – число витков рамки;

α – угол отклонения.

Подставив выражение (8) в (2) получим

.

(9)

При установившемся отклонении рамки имеем

(10)

где SI – чувствительность прибора по току.

Из выражений (10) следует, что при постоянной индукции угол поворота α рамки МЭП пропорционален току в рамке, а знак угла меняется при изменении направления тока.

МЭП относятся к числу наиболее чувствительных и точных среди ЭМП.

МЭП применяется только в цепях постоянного тока.

Электромагнитные приборы (ЭМП). Принцип действия ЭМП основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником (рис. 6).

Рис. 6.

Под действием магнитного поля сердечник 2 втягивается внутрь катушки 1. Противодействующий момент создается с помощью спиральной пружины 3. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим.

Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает ток I, равна  

,

(11)

где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а, следовательно, от угла поворота подвижной части механизма.

Т.к. вращающий момент равен  и учитывая, что индуктивность изменяется с изменением α, а ток не меняется, можем записать

.

(12)

При равновесии . Следовательно

.

(13)

Последнее выражение называется уравнением преобразования ЭМП. Из него следует, что α пропорционален квадрату тока, т.е. не зависит от направления тока, а также следует, что шкала прибора неравномерна. Линеаризация шкалы производится путем выбора специальной формы сердечника.

ЭМП одинаково пригодны для цепей постоянного и переменного тока.

Электродинамические приборы (ЭДП). Принцип действия основан на взаимодействии двух катушек (подвижной и неподвижной), по которым протекает ток (рис. 7).

Рис. 7.

Внутри неподвижной катушки 1, обычно выполняемой из двух секций, вращается подвижная катушка 2. Ток к катушке 2 подводится через токоведущие пружины, которые при повороте создают противодействующий момент. Поворот катушки 2 осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2.

Запишем выражение для электрокинетической энергии двух катушек с токами:

.

(14)

где L1 и L2 – индуктивность катушек 1 и 2, М – взаимная индуктивность катушек.

Поскольку от угла поворота зависит только взаимная индуктивность катушек и не зависят их собственные индуктивности и токи в катушках, то при равновесии

(15)

Рассмотрим случай переменных токов:

(16)

Подставим эти значения в выражение и произведем усреднение по времени:

.

(17)

Из последнего выражения следует, что в случае переменных токов угол поворота подвижной части ЭДП зависит как от произведения токов, так и от косинуса угла между ними. Это дает возможность использовать ЭДП не только в качестве вольтметров и амперметров, но и в качестве ваттметров.

Электростатические приборы (ЭСП). Принцип действия ЭСП основан на взаимодействии электрически заряженных проводников (рис. 8).

Рис. 8.

Неподвижная часть (неподвижный электрод) состоит из одной или нескольких камер 2. В воздушный зазор этих камер входит подвижный секторообразный электрод 1. Под действием подведенного к электродам напряжения создается электрическое поле. Отклонение подвижной части прибора связано с изменением емкости системы.

Энергия электростатического поля системы равна

,

(18)

где С – емкость между пластинами, зависящая от взаимного расположения электродов, т. е. от угла отклонения α; U – измеряемое напряжение.

Таким образом,

.

(19)

При равновесии

.

(20)

Из последнего выражения следует, что, во-первых, показания прибора не зависят от полярности приложенного напряжения, а во-вторых, шкала ЭСП неоднородна. Линеаризации шкалы добиваются путем выбора специальной формы пластин, чтобы .

Индукционные приборы (ИП). Принцип действия ИП основан на взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных потоков с токами, индуцированными ими в подвижном алюминиевом диске.

ИП предназначены только для цепей переменного тока.

Особым расположением катушек получают вращающееся магнитное поле, которое, пронизывая алюминиевый диск, индуцирует в нем вихревые токи, что вызывает возникновение вращающего момента.

ИП применяются в основном в однофазных и трехфазных счетчиках электрической энергии. Рассмотрим работу ИП на примере однофазного счетчика электрической энергии (рис. 9).  

Рис. 9.

Прибор состоит из двух неподвижных магнитопроводов: трехстержневого сердечника 1 с катушкой напряжения и двухстержневого сердечника 5 с двумя последовательно соединенными катушками тока, а также из счетного механизма 2, алюминиевого диска 3, укрепленного на оси, и постоянного магнита 4, служащего для создания тормозного момента.

Можно показать, что вращающий момент диска пропорционален активной мощности переменного тока:

,

(21)

где К1 – коэффициент пропорциональности.

Под влиянием вращающего момента диск начинает вращаться. На диск действует тормозной момент, создаваемый магнитом 4, который упрощенно можно считать пропорциональным скорости вращения диска:

,

(22)

где К2 – коэффициент пропорциональности.

При неизменной активной мощности в цепи . Тогда

или .

(23)

Интегрируя последнее выражение по времени от t1 до t2, получим:

; .

(24)

где W – активная энергия, учтенная счетчиком за время от t1 до t2; N – число оборотов диска за время от t1 до t2.

Следовательно,

,

(25)

где  – номинальная постоянная счетчика (количество энергии, учитываемой счетчиком за один оборот диска); А – передаточное число счетчика (число оборотов диска, соответствующее единице энергии).

Передаточное число А указывается на щитке счетчика. Значения А и Сном зависит только от конструкции данного счетчика и являются постоянными величинами.

Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен выполняться на бумаге формата А4 рукописным или машинописным способом.

Отчет должен иметь титульный лист и включать следующие разделы:

  1.  цель работы и краткое задание;
  2.  схемы экспериментов;
  3.  таблицы результатов измерений и расчетов;
  4.  расчетные формулы и примеры расчетов;
  5.  графики зависимостей в соответствии с заданием к работе;
  6.  выводы по работе.

Допускается выполнять схемы и графики на миллиметровой бумаге формата А4 или другого формата (при этом они должны быть вклеены в соответствующее место отчета). При построении графиков следует по осям использовать масштабы, кратные (1, 2, 5)10n, где п – целое число (положительное или отрицательное). На осях графиков указываются величины и их единицы. Точки на графике, соответствующие экспериментально полученным значениям, соединяются плавной кривой, если наблюдается закономерная зависимость. Если же зависимость не является закономерной, то точки на графике соединяются прямыми линиями. Экспериментально полученные значения следует на графике выделять крестиком или точкой. Все графики должны иметь наименование, пояснительный текст. Отдельные листы отчета должны быть сшиты или склеены по левой стороне.

Контрольные вопросы

  1.  Как можно установить соответствие прибора требованиям того или иного класса точности?
  2.  Что такое вариация показаний прибора и как ее можно определить?
  3.  Какие обозначения наносят на шкалы прибора?
  4.  Как создается противодействующий момент в магнитоэлектрических, электродинамических и электростатических приборах?
  5.  Что такое время установления показаний приборов?
  6.  Почему магнитоэлектрические амперметры, и вольтметры без преобразователя переменного тока в постоянный не могут быть использованы для измерений в цепях переменного тока промышленной частоты?
  7.  Что такое чувствительность прибора?
  8.  Каким образом создается противодействующий момент в логометрических измерительных механизмах?
  9.  Что такое приведенная погрешность?
  10.  Как создается вращающий момент в магнитоэлектрических, электромагнитных, электродинамических, электростатических измерительных механизмах?
  11.  Какие требования по точности предъявляют к образцовому прибору?
  12.  Как определяют дополнительную погрешность?
  13.  Что такое абсолютная, относительная и приведенная погрешности?
  14.  Что такое дополнительная погрешность прибора?
  15.  Что такое класс точности прибора?

Литература

  1.  Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душина. – Л.: Энергоатомиздат,  1987, с. 16-21; 56-75.
  2.  Электрические измерения / Под ред. В.Н. Малиновского. –  М.: Энергоиздат, 1982, 392 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54015. Популярність. Популярні зірки 154 KB
  The topic of the today’s lesson is “The Famous Pop Stars”. Well, at the today’s lesson we’re speaking about people who want to be famous. You’ll read the text. You’re going to revise grammar (Past Simple and Present Perfect). By the end of the lesson you’ll be able to ask and answer the questions about pop idols.
54016. Англійська мова у 6 класі «Our English» 193.5 KB
  How do you do, my dears? Are you in a good mood? Are you ready for the lesson? We have got an interesting and unusual lesson today. It will be a competition to see who is the wisest, the most attentive and the most active. The winner will be given a tasty present. Do you want to take part in this competition? So, go ahead!
54018. Индивид, индивидуальность, личность и общество как производители и носители культуры 37 KB
  Индивидом обычно называют единичного конкретного человека, рассматриваемого в качестве биосоциального существа. Понятие «человек», как правило, употребляют, желая показать принадлежность какого-либо лица к человеческому роду (Homo sapiens), а также тот факт, что данное лицо обладает всеобщими, свойственными всем людям чертами и качествами. От этих двух понятий необходимо отличать понятие «личность».
54019. Структура культуры и ее элементы 42.5 KB
  Структура культуры — строение культуры, состоящей из субстанциональных элементов (опредмечиваются в ее ценностях и нормах) и функциональных элементов (характеризуют процесс культурной деятельности, различные ее стороны и аспекты)...
54020. Лексические игры на уроках английского языка 28 KB
  Лексические игры используются в самых различных целях: при введении нового лексического материала для закрепления его в памяти учащихся и для развития их устной речи. Лексические игры преследуют следующие цели: познакомить учащихся с новыми словами и их сочетаниями; тренировать учащихся в употреблении лексике в ситуациях приближенных к естественной обстановке; активизировать речемыслительную деятельность учащихся; развивать речевую реакцию. Лексические игры сосредоточивают внимание учащихся исключительно на лексическом материале...
54023. I need a book. At the library 101.5 KB
  Teacher: Right you are. A book is a main source of knowledge. It is impossible to imagine our life without books. They play an important role in educating, upbringing and help us to get useful information. Where can we get books?