42458

Изучение электроизмерительных приборов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Производят электроизмерительными приборами. Механическое усилие развиваемое механизмом электроизмерительного прибора отклоняет стрелку на угол пропорциональный измеряемой величине вращает диск счётчика или перемещает перо самописца по бумажной ленте фиксируя результаты измерения. Результаты измерений в них индуцируются в виде светящихся цифр на табло прибора. Градуировку и поверку рабочих приборов производят по образцовым приборам.

Русский

2013-10-29

189.5 KB

74 чел.

Лабораторная работа № 1

Изучение электроизмерительных приборов

Цель работы: изучить устройство, принцип действия и характеристики основных электроизмерительных приборов.

Оборудование: набор электроизмерительных приборов, источник питания, реостаты.

1.1. Краткие теоретические сведения

Измерение электрических величин (тока, напряжения, частоты, фазы, мощности, энергии и т.д.) производят электроизмерительными приборами. В основу принципа действия приборов положен результат взаимодействия либо магнитных полей постоянного магнита и катушки, по которой протекает ток, либо двух катушек с током, либо электростатических зарядов и других факторов, способных так или иначе превратить электрическую энергию в механическую. Механическое усилие, развиваемое механизмом электроизмерительного прибора, отклоняет стрелку на угол, пропорциональный измеряемой величине, вращает диск счётчика или перемещает перо самописца по бумажной ленте, фиксируя результаты измерения.

Большое распространение получили также цифровые электроизмерительные приборы, не имеющие механических показывающих или регистрирующих устройств. Результаты измерений в них индуцируются в виде светящихся цифр на табло прибора.  

Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на преобразовании измеряемого непрерывного сигнала в электрический код, отображаемый в цифровой форме.

В общем случае цифровой прибор содержит входное устройство, аналогово-цифровой преобразователь и цифровое отсчетное устройство. Входное устройство предназначено для обеспечения большого входного сопротивления, изменения пределов измерения и определения полярности входного устройства.

Аналогово-цифровой преобразователь преобразует аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода, пропорциональный измеряемой величине. Результат измерения регистрируется на табло цифрового отсчетного устройства.

Достоинствами цифровых приборов являются: малые погрешности измерения (0,1 – 0,001%) в широком диапазоне измеряемых сигналов, высокое быстродействие (до 500 измерений/с), выдача результатов измерений в цифровом виде, возможность документальной регистрации измеряемой информации с помощью цифропечатающих устройств и ввода её в ПЭВМ для последующей обработки.

Электрический сигнал, воспринятый цифровым датчиком, может также непосредственно восприниматься специально созданной компьютерной программой с дальнейшей машинной обработкой и представлением результатов измерений в форме табличного и графического представления на экране монитора или распечатки принтере.

Электроизмерительные приборы, предназначенные для непосредственных измерений, называют рабочими. Градуировку и поверку рабочих приборов производят по образцовым приборам. Образцовые приборы, изготовленные с наивысшей достижимой точностью, называют эталонными. Последние, в свою очередь, также подразделяются на рабочие, используемые только для поверки образцовых приборов, и государственные, хранимые в специальных учреждениях и служащие для воспроизведения и поверки рабочих.

Измерительные приборы различают по назначению, конструкции, роду измеряемой величины, условиям эксплуатации, принципу действия, классу точности и другим признакам.

В зависимости от условий эксплуатации измерительные приборы по исполнению разделяют на три группы: А − для работы в сухих отапливаемых помещениях, Б − в закрытых неотапливаемых помещениях и В − в полевых (В1) или морских (В2) условиях. По защищённости от внешних полей приборы разделяют на две категории с допускаемыми изменениями в показаниях по классам точности. Устойчивость к механическим воздействиям определена следующими категориями: обыкновенные, обыкновенные с повышенной прочностью и устойчивые к механическим воздействиям, нечувствительные к тряске (ТП), вибропрочные (ВП), тряскоустойчивые (ТН), нечувствительные к вибрациям (ВН) и ударопрочные (УП).

В зависимости от рода измеряемой величины приборы подразделяют на амперметры, вольтметры и т.д. и комбинированные, измеряющие две и более величины (например, ампервольтметры, авометры). По способу преобразования энергии измеряемой величины во вращающий момент, действующий на подвижную часть, а также по конструктивным особенностям самого измерительного механизма приборы разделяют на магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические и другие.

Во всём многообразии электроизмерительных приборов помогает разобраться специальная система условных обозначений, наносимых на шкалу (рис. 1.1). Кроме того, на шкале указывают род измеряемой величины (V − напряжение, вольты; A − ток, амперы; W − мощность, ватты и т.п.), категорию защищённости прибора от внешних полей, год выпуска и порядковый номер серии, товарный знак (фабричная марка) завода изготовителя (табл.1.1; 1.2).

В качестве примера на рис. 1.1. дана иллюстрация внешнего вида многопредельных вольтметра (рис. 1.1. а) и миллиамперметра (рис. 1.1. б). Предел измерения задаётся кнопочным переключателем с указанием предела в единицах измеряемой величины. Вольтметр предназначен для работы в цепях постоянного тока, принцип его действия магнитоэлектрический с подвижной рамкой (табл. 1.1), рабочее положение − вертикальное, класс точности 0,5. Миллиамперметр может быть использован в цепях постоянного и однофазного переменного токов, принцип действия − электромагнитный, рабочее положение − горизонтальное, класс точности 1,0. Изоляция обоих приборов испытана при напряжении 2 кВ.

Таблица 1.1. Условные обозначения на электроизмерительных

приборах

Таблица 1.2. Дополнительные обозначения на электроизмерительных приборах

Электроизмерительный прибор механического действия, включённый в измеряемую цепь, потребляет из неё некоторую энергию, расходуемую на перемещение (вращение) подвижных частей измерительного механизма, нагревание проводов рамки, добавочных резисторов и других вспомогательных элементов. Эта энергия называется собственным потреблением прибора. Собственное потребление − важный параметр электроизмерительного прибора: чем оно больше, тем «грубее» прибор и тем большее влияние он оказывает на режим измеряемой цепи, увеличивая погрешность измерений.

Токоведущие элементы электроизмерительного прибора рассчитаны на длительную эксплуатацию при определённых значениях тока и напряжения. При ошибочном включении в аварийной ситуации ток через прибор и напряжение могут во много раз превышать номинальное. Перегрузки опасны не столько перегревом или пробоем электрической изоляции, сколько динамическими нагрузками, вызывающими механические повреждения деталей и узлов прибора. В паспорте для каждого типа приборов указывают перегрузочную способность, которая нормируется государственным стандартом. Электрическая прочность изоляции токоведущих частей прибора имеет немаловажное значение. Существенная утечка тока через изоляцию приводит к погрешностям в измерениях и может являться причиной поражения электрическим током обслуживающего персонала. Значение синусоидального напряжения частотой 50 Гц, которое выдерживает изоляция проводников и элементов прибора в течение одной минуты, обычно указано на его шкале в киловольтах.

1.2. Чувствительность, цена деления, погрешность и входное

сопротивление измерительных приборов

Есть общие для всех электроизмерительных приборов характеристики. Это такие, как чувствительность и погрешность.

Чувствительностью электроизмерительных приборов называется отношение линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины х, вызывающему это перемещение

                                                    (1.1)

Величина С = 1/S называется ценой деления и определяет значение электрической величины, вызывающей отклонение на одно деление. Если шкала прибора имеет n делений, а A − предел шкалы (максимальное показание), то

                                                    (1.2)

Результат измерения всегда отличается от истинного значения измеряемой величины. Величина отклонения от истинного значения характеризуется погрешностью измерения. Если в качестве действительного значения измеряемой величины принимается величина, получаемая при измерении образцовым прибором, то тогда абсолютная погрешность

                                                    (1.3)

где − показания прибора; 0 − действительное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность, %,

                                                    (1.4)

В большинстве случаев для характеристики точности электроизмерительных приборов пользуются приведенной погрешностью, %,

                                                    (1.5)

Где А − предел шкалы прибора (максимальное показание).

По значению приведенной погрешности приборы делят на группы по классу точности. Класс точности характеризуется числом, показывающим наименьшее допустимое значение основной приведенной погрешности.

Абсолютная погрешность может быть определена по известному классу точности из выражения (1.5). Например, класс точности 0,5 вольтметра с верхним пределом измерения 150 В означает, что его абсолютная погрешность составляет 0,75 В:

                                         (1.6)

Согласно ГОСТу приборы делятся на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 − прецезионные; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 − технические.

Входное сопротивление прибора − это сопротивление прибора со стороны его входных зажимов. Чем больше входное сопротивление вольтметра, тем меньшее влияние оказывает прибор на измеряемую цепь и тем меньше погрешность измерений. Для амперметра − наоборот: чем меньше входное сопротивление, тем меньше погрешность. По этой причине амперметры, как правило, изготовляются с малыми внутренними сопротивлениями в расчёте, что при эксплуатации они будут включаться в цепь последовательно с нагрузкой.

Иное включение в цепь амперметра (без последовательно подсоединённой нагрузки) ведёт к мгновенному выходу прибора из строя и категорически воспрещается!!!  

1.3. Принципы действия электроизмерительных приборов

1.3.1. Приборы магнитоэлектрической системы

Предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы (рис. 1.2.) основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита 2 с магнитным полем лёгкой подвижной рамки 3, по которой протекает измеряемый ток. В результате этого взаимодействия возникает вращающий момент М1, под действием которого подвижная часть прибора вместе со стрелкой 1 поворачивается вокруг своей оси 6

                                                    (1.7)

Противодействующий момент создаётся закручивающимися спиральными пружинами 7, причём

                                                    (1.8)

где − угол поворота при закручивании пружины. Вращающий момент М1  уравновешивается вращающим моментом М2 закручивающихся спиральных пружин, и при достижении равновесия

                                                    (1.9)

Отсюда видно, что зависимость угла поворота рамки от значения тока может иметь линейный характер и шкала может быть равномерной

                                                    (1.10)

если коэффициент k не зависит от угла поворота. Для закручивающихся спиральных пружин k2 не зависит от угла поворота, следовательно, необходимо обеспечить только постоянство k1. Независимым от угла поворота k1 будет только при движении рамки с током в радиальном магнитном поле, при взаимной перпендикулярности вектора индукции  и нормали к поверхности плоской рамки (рис. 1.2. б). Необходимую конфигурацию магнитного поля по траектории движения рамки с током задают с помощью магнитопровода, расположенного между полюсами постоянного магнита, состоящего из ферромагнитных наполюсников и цилиндра,  как указано на рис. 1.2. б.

1.3.2. Приборы электромагнитной системы.

Предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях переменного и постоянного токов. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки 3 (рис. 1.3.), по которой протекает измеряемый ток, и эксцентричного укреплённого на оси железного сердечника 4, являющегося подвижной частью прибора. Под действием магнитного поля катушки сердечник, стремясь расположиться так, чтобы его пересекало возможно большее число силовых линий, втягивается в катушку и поворачивается по мере увеличения в ней силы тока. Противодействующий момент создаётся спиральной пружиной 1. Приборы электромагнитной системы снабжены воздушным успокоителем, представляющим собой камеру 6, в которой перемещается алюминиевый поршенёк 7 (демпфер). При повороте сердечника поршенёк встречает сопротивление воздуха, вследствие чего колебания подвижной части быстро затухают.

Демпфирующее устройство может быть также основано на взаимодействии токов Фуко, возникающих в сердечнике, связанном с осью прибора 5, при его перемещении в магнитном поле вспомогательного постоянного магнита.

Магнитное поле катушки пропорционально измеряемому току. Намагничивание железного сердечника также возрастает с увеличением тока. Поэтому можно сказать, что вращающий момент пропорционален квадрату тока:

                                                    (1.11)

Противодействующий момент , создаваемый спиральной пружиной 1, пропорционален углу поворота подвижной части прибора:

                                                    (1.12)

При равновесии , откуда

                                                    (1.13)

Для измерения параметров переменного тока важно то, что показания прибора не зависят от направления тока в катушке (I2), но, при этом, шкала приборов электромагнитной системы нелинейная. Подбором формы сердечника удаётся в основном диапазоне измерений приблизить шкалу к линейной. Однако, диапазон, соответствующий малым значениям тока в катушке, как правило, выпадает из области измерений и на шкале ограничивается чёрной точкой (рис. 1.1. б).

Приборы электромагнитной системы просты по конструкции и недороги. Точность этих приборов зависит от внешнего магнитного поля, частоты измеряемого переменного тока и т.д. Следует отметить, что точность приборов электромагнитной системы, по сравнению с приборами других систем невелика.

1.3.3. Приборы электродинамической системы

Предназначены для измерения тока, напряжения, мощности в цепях постоянного и переменного тока. Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии катушек, по которым протекает измеряемый ток. На рис. 1.4. схематично изображено устройство электродинамического прибора. Внутри неподвижно закреплённой катушки 2 может вращаться на оси 5 подвижная катушка 3, с которой жёстко связана стрелка 1. Противодействующий момент создаётся спиральной пружиной 6. Для устранения колебаний подвижных частей прибора применяется демпфер 4.

Вращающий момент М1, действующий на подвижную катушку, пропорционален току I1 в неподвижной катушке и току I2 в подвижной катушке:

                                                    (1.14)

Противодействующий момент

                                                    (1.15)

При равновесии  и

                                         (1.16)

Если катушки соединены последовательно, то

                                                    (1.17)

Полученные выражения показывают, что шкала приборов электродинамической системы неравномерна.

При изменении направления тока в обеих катушках направление вращающего момента не изменяется, из чего следует пригодность приборов этой системы для измерения параметров переменного тока. Точность и чувствительность электродинамических приборов для переменного тока очень высоки.

Таблица 1.3. Некоторые условные обозначения в электрических схемах

1.3.5. Устройство многопредельных приборов. Шунтирующие и дополнительные сопротивления

Чтобы увеличить диапазон измерения силы тока в n, раз необходимо, чтобы через амперметр с сопротивлением RA по-прежнему проходил ток силой Imax, а ток (n − 1)Imax проходил через параллельный амперметру шунт Rш (рис. 1.5.). Напряжение между точками А и В

  .              (1.18)

Отсюда видно, что сопротивление шунта    

                          (1.19)

Чтобы увеличить диапазон измерения напряжения в n раз необходимо, чтобы на вольтметр с сопротивлением RV приходилось бы напряжение Umax, а на добавочном сопротивлении (n − 1)Umax (рис. 1.6).

Так как через вольтметр и добавочное сопротивление протекает ток одной и той же силы, то

                                    (1.20)

Откуда добавочное сопротивление

                                       (1.21)

Многопредельные вольтметры и амперметры включают в себя системы шунтов и добавочных сопротивлений, которыми изменяют пределы измеряемых величин.

Многопредельный прибор следует включать так, чтобы относительная погрешность измерения была минимальной. Иногда многопредельные приборы снабжают различными шкалами. Отсчёт производится по шкале, цена деления которой наиболее удобна для снятия отсчётов. Часто приборы имеют одну шкалу. В таких случаях значение измеряемой величины определяется по формуле

                                        (1.22)

где А − максимальное значение измеряемой величины, которое можно определить на данном пределе измерений; ni − показание стрелки прибора в делениях шкалы; n − полное число делений шкалы.

1.4. Влияние измерительных приборов на работу электрической схемы

Всегда надо помнить о том, что включение в схему измерительного прибора изменяет условия её работы. Поэтому измеренные прибором значения силы тока или напряжения будут отличаться от тех значений, которые существуют в схеме без прибора.

Так, если измерять неизвестное сопротивление резистора с помощью амперметра и вольтметра, то нужно подключить резистор к источнику тока и измерить силу тока, текущего через резистор, и напряжение на нем. Затем, используя закон Ома, определить значение неизвестного сопротивления:

                                          (1.23)

Возможные схемы подключения амперметра и вольтметра изображены на рис. 1.7 и рис. 1.8.

Первая схема применяется тогда, когда внутреннее сопротивление вольтметра RV >> RX. Сила тока, измеряемая амперметром,

                                     (1.24)

Если RV >> RX то RX  U1/I1. При этом внутреннее сопротивление амперметра RA влияния на результат измерения не оказывает.

При использовании второй схемы напряжение, измеряемое вольтметром,

                                   (1.25)

И если RX >> RA, то RX  U2/I2. При этом внутреннее сопротивление вольтметра влияния на результат измерения не оказывает.

При значениях RX, RA, RV одного порядка необходимо воспользоваться обеими схемами одновременно. При использовании второй схемы

                                     (1.26)

а при использовании первой схемы, считая, что U2 равно внешнему напряжению, подаваемому на обе схемы, имеем:

                                    (1.27)

Выражая из (1.26) внутреннее сопротивление амперметра

                                       (1.28)

и подставляя его значение в (5), получаем, что

                               (1.29)

Так как порядок величины сопротивления резисторов может быть неизвестен, то необходимо использовать обеими схемами и по полученным результатам определить, какими значениями U и I необходимо пользоваться, чтобы с достаточной точностью рассчитать значение RX.

1.5. Экспериментальные задания

1. Описание технических характеристик приборов.

Получив для работы амперметр и вольтметр, ответьте на следующие вопросы (табл. 1).

Таблица 1.1

Наименование

Амперметр

Вольтметр

  1.  

Марка прибора, заводской номер, год изготовления

  1.  

Система прибора

  1.  

Характер измеряемого тока

  1.  

Класс точности

  1.  

Пределы измерения

  1.  

Величина шкалы

  1.  

Цена деления

  1.  

Абсолютная приборная погрешность

(в делениях)

  1.  

Испытательное напряжение

  1.  

Рабочее положение прибора

11.

Внутреннее сопротивление прибора

2. Используя имеющиеся в наличии приборы, составить схему для измерения силы тока и напряжения. Собрать по ней цепь и проделать измерения. Результаты занести в таблицу.

3. Изучить паспорт цифрового вольтметра. Научиться производить измерения с помощью цифрового вольтметра.

Контрольные вопросы

1. По каким признакам можно классифицировать электроизмерительные приборы?

2. Как классифицируются электроизмерительные приборы по принципу действия?

3. Каков принцип действия прибора магнитоэлектрической системы?

4. Каков принцип действия прибора электромагнитной системы?

5. Каков принцип действия прибора электродинамической системы?

6. Что такое приведенная погрешность?

7. Что такое класс точности? Какие классы точности Вам известны?

8. Какие условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов Вы знаете?

[9, c. 8 − 19; 13; 11]

7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58342. Золотая осень 5.87 MB
  Цели и задачи: изучение строения деревьев, кустарников, передача в изображении этих знаний и наблюдений, элементов воздушной и линейной перспективы, создание определённого колорита, настроения цветом, освоением техники живописи «мазком»...
58343. Декоративная работа. Дизайнерский проект «Календарь» 51 KB
  Дать представление о роли фантазии в искусстве; формировать умение выполнять иллюстрации на выбранные сюжеты; развивать интерес к народному сказочному творчеству навыков композиционного решения рисунка; воспитывать любовь к к положительным героям сказок сопереживание настроениям героев сказки обратить внимание детей на добрые поступки и злые...
58344. Формирование конкурентоспособности НА ПРИМЕРЕ ГИПЕРМАРКЕТОВ КОМПАНИИ ЗАО ТД «ПЕРЕКРЕСТОК» «КАРУСЕЛЬ» 133.05 KB
  Система менеджмента должна располагать материальными, финансовыми, трудовыми и другими ресурсами, обеспечивающими реализацию управленческих воздействий. Управленческие воздействия поступают в исполнительные органы как изнутри управляемого объекта...