66504

Электроизмерительные приборы, описание устройства, принципа действия и характеристик изучаемых приборов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Ознакомиться с классификацией назначением устройством принципом действия и характеристиками основных типов измерительных приборов. По представленным наглядным образцам и макетам уяснить принципы работы приборов и варианты их конструктивного исполнения отразив в отчете их основные технические характеристики.

Русский

2015-01-16

5.33 MB

25 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Марийский Государственный Технический Университет.

                                                             Кафедра ТТМ                  

                      

Лабораторная работа № 9

Электроизмерительные приборы

(Методические указания к выполнению лабораторной работы )

                                                                                          Разработал  

                                                                                                                                                                           Доц.  Ротт А.Р.

Йошкар-Ола

Задание для самостоятельного выполнения работы

1.     Ознакомиться с классификацией, назначением, устройством,   принципом  действия и характеристиками основных типов измерительных приборов.

2.     По представленным наглядным образцам и макетам уяснить принципы работы приборов и варианты их конструктивного исполнения, отразив в отчете их основные технические характеристики.

3.     На основании самостоятельного изучения различных типов  приборов составить отчет по лабораторной работе.

4.     В отчете по лабораторной работе отразить:

-     название лабораторной работы;

-     цель проведения работы;

-     порядок проведения работы;

-     описание устройства, принципа действия и характеристик изучаемых приборов, их достоинств, недостатков и особенностей использования;

5.     Отчет по лабораторной работе составляется один на бригаду из 5-6 человек и подписывается каждым из студентов.

  1.  По окончании лабораторной работы и оформлении отчета производится ее защита.

Общие сведения.

      Автоматизация производственных процессов, автоматическое управление сложными системами, автоматические измерения и контроль невозможны  без использования измерительных приборов.

       Измерительным прибором называется  элемент контрольно-измерительного устройства,    предназначенный для снятия измерительной информации. Прибор обычно устанавливается в измерительной системе после датчика, воспринимающего измеряемую информацию и преобразующего ее в электрический сигнал, и промежуточного преобразователя (например, усилителя, который этот сигнал усиливает). Схема измерительной системы показана на рис. 1.

 

                              Рис. 1. Схема измерительной системы.

1-  Объект измерения; 2- датчик; 3- усилитель; 4- измерительный прибор.

Классификация электроизмерительных приборов

  •  Показывающие электроизмерительные приборы непосредственной оценки снабжены шкалой и стрелкой, что позволяет измерить аналоговый сигнал и непосредственно визуально оценить значение контролируемого параметра; В настоящей лабораторной работе изучаются именно показывающие измерительные приборы.
  •  Цифровые измерительные приборы автоматически осуществляют преобразование измеряемой величины в дискретную форму и выдают результат измерения в виде числа, появляющегося на отсчетном устройстве.
  •  Светолучевые и электронно-лучевые осциллографы позволяют записывать (регистрировать) различные контролируемые или диагностируемые параметры, что обеспечивает высокую степень наглядности и возможность изучения процессов во времени (например, при исследовании переходных процессов).
  •  Магнитографы обеспечивают регистрацию результатов контроля или диагностики на магнитную ленту обычно в условиях эксплуатации сложных технических объектов с последующей обработкой результатов в лабораторных условиях (например, «черный ящик»
  •  Цифропечатающие устройства устанавливаются на кодовом выходе цифровых приборов и служат для регистрации и хранения информации в документальной форме.
  •  Перфорирующие устройства предназначены для автоматического нанесения информации в виде пробивок по определенному коду на каком либо носителе информации (перфокарте, перфоленте).

Метрологические характеристики приборов

  1) Чувствительность  – это отношение изменения выходного сигнала к изменению входного сигнала. Определяется из соотношения

S = ΔY/ΔX,

где ΔY – изменение выходного сигнала;

     ΔX – изменение входного сигнала.

  2) Порог чувствительности (порог реагирования) – наименьшее значение входной величины, которое способен зафиксировать прибор. Величина, обратная порогу чувствительности, называется разрешающей способностью.

  3) Функция преобразования (статистическая характеристика) – функциональная зависимость (графическая, табличная, аналитическая) выходного сигнала прибора У от входного Х в установившемся режиме

У= f (X).

    Идеальной функцией преобразования для измерительных приборов является линейная зависимость выходного сигнала У от входного Х вида

У = к Х,

где к – коэффициент преобразования.

    Линейная функция преобразования, однако, встречается довольно редко.  В большинстве случаев характеристики приборов  нелинейны.

  4) Абсолютная погрешность – разность между действительным (истинным) и замеренным значением контролируемой величины

ΔX = XД – XЗ,

где XДдействительное значение измеряемой величины;

      XЗ – замеренное значение измеряемой величины.

  5) Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к действительному значению

γ = (ΔX / XД) 100%

    

6) Приведенная погрешность – отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению шкалы

γ = (ΔХ/Хш ) 100 %,

где Хш – нормирующее значение шкалы прибора, которое принимают равным

  •  Конечному значению шкалы, если «0» находится в начале шкалы,
  •  Сумме конечных значений шкалы, если «0» – в середине шкалы,
  •  Номинальному значению измеряемой величины, если оно задано.

7) Диапазон показаний – отношение максимального значения   Xmax   измеряемой величины к минимальному значению  Xmin

Dп   = Xmax / Xmin

8)  Диапазон измерений – часть диапазона показаний, в которой установлены нормы на погрешности.

9)  Класс прибора – характеристика, условно отражающая его точность. Класс прибора численно равен значению приведенной относительной погрешности прибора в процентах. Обычно на производстве применяются приборы классов 0.5; 1.0; 1.5 и 2.5. 

Показывающие электроизмерительные приборы

Конструкции типовых  узлов

    Показывающие приборы непосредственной оценки подразделяют по роду измеряемых величин; виду тока; принципу действия; степени точности; характеру защищенности от внешних воздействий; габаритным размерам. Устройство этих приборов разнообразно, но ряд деталей и узлов большинства из них имеет много общего. Это относится к деталям для установки подвижной части, для создания противодействующего момента, для успокоения колебаний и пр.

    На рис. 2 показано устройство подвижной части измерительного механизма приборов. Ось 1 установлена в подпятниках 2, а противодействующий момент создается спиральными пружинами 6 и 7 из специальной бронзы. На оси закреплена стрелка 3, которая указывает на шкале 4 значение измеряемой величины. Для уравновешивания подвижной части служит противовес 10, для установки стрелки на ноль – корректор, состоящий из винта 11, эксцентрично насаженного пальца 9, вилки 8 с поводком 5.

    Для уменьшения времени колебаний подвижной части приборы снабжаются успокоителями. В воздушных успокоителях  (Рис. 3а) используется сопротивление воздуха движению поршня (крыла) 1 в закрытой камере 2. В магнитоиндукционных успокоителях колебания тормозятся за счет взаимодействия вихревых токов с полем постоянных магнитов 3 (Рис. 3б).

    Для повышения точности отсчета приборы класса 0.5 и выше снабжают ножевидной стрелкой и зеркальной шкалой. Отсчет в этом случае производится при том положении глаза, когда стрелка закрывает свое изображение в зеркале.

    В точных приборах и приборах с относительно малым отклонением подвижной части  для повышения чувствительности применяют световой указатель. На рис. 4   показаны основные элементы такого прибора:    1 – катушка подвижной части,  2 – зеркальце, закрепленное на подвижной части,     3 – шкала, 4 – источник света.

Конструкции и принцип действия приборов

Приборы магнитоэлектрической системы

    Магнитоэлектрическая система – это электрическая система приборов постоянного тока, в которой перемещение подвижной части (катушки или постоянного магнита) создается взаимодействием между полем постоянного магнита и проводника с током.

    Работа: При прохождении тока через катушку 2 (Рис. 5), она поворачивается в воздушном промежутке 3 между полюсами постоянного магнита 1 и стальным сердечником 4. Ток в катушку подводится через пружины. Успокоителем колебаний служит каркас катушки из алюминия, образующий короткозамкнутый виток. Прибор широко распространен.

    Достоинства – малое потребление энергии, высокая чувствительность и точность, малое влияние внешних магнитных полей.

    Подключается обычно с использованием шунтов и добавочных сопротивлений.

Приборы электромагнитной системы

    Электромагнитная система – это электрическая система измерительных приборов постоянного и переменного тока, в которой сердечник подвижной части из мягкого ферромагнитного материала перемещается силами магнитного поля неподвижной катушки, обтекаемой измеряемым током.

    Работа: в приборах с плоской катушкой сердечник 2 (Рис. 6), установленный на оси 3, под действием магнитного поля втягивается в узкую щель катушки 1. Колебания гасит успокоитель 4. Прибор применяется обычно для измерения переменного тока промышленной частоты (обычно в логометрах переменного тока).

    Достоинства – Простота конструкции, дешевизна, устойчивость к перегрузкам ( до ста раз по току), высокая точность (класс прибора до 0.5, иногда – до 0.2).

    По конструкции и принципу действия прибор сходен с электромагнитным реле.

Приборы электродинамической системы

    Электродинамическая система – это электрическая система измерительных приборов постоянного и переменного тока, в которой перемещение подвижной части осуществляется силами магнитного поля, возникающего при прохождении токапо обмоткам неподвижной 2 и подвижной 3 катушек, а ток в подвижную катушку подводится через пружины 5 (Рис. 7). Используется в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах. Создается в виде логометров.

    Работа: Главное поле, создаваемое неподвижной катушкой 2, взаимодействует с полем подвижной катушки 1, заставляя ее поворачиваться на величину, пропорциональную величине измеряемого тока.

    Достоинства – очень высокая точность (класс прибора до 0.1).

    Недостатки – сложность конструкции, дороговизна, большое потребление энергии, влияние внешних полей (необходимо экранировать).

    Пределы измерения данных приборов меняют с помощью добавочных сопротивлений, при измерении переменных токов включают обычно через измерительный трансформатор.

Приборы индукционной системы

    Индукционная система – это электрическая система измерительных приборов переменного тока, в которой вращающий момент создается при взаимодействии токов, индуктируемых в диске, с магнитным полем неподвижных электромагнитов, по обмоткам которых проходит измеряемый ток.

    Работа: магнитные потоки неподвижных электромагнитов 1 и 4 (Рис. 8) смещены по фазе, поэтому они создают вращающееся магнитное поле, создающее в диске 2 из немагнитного материала вихревые токи и увлекающее его за собой. При этом скорость вращения диска будет пропорциональна величине измеряемого тока. В конструкции используется магнитный успокоитель 3.

    Приборы применяются в основном для создания счетчиков электроэнергии переменного тока, а также ваттметров.

    Достоинства – большой крутящий момент, простота, дешевизна, устойчивость к перегрузкам и внешним магнитным полям.

Приборы ферродинамической системы

    Ферродинамическая система – это система электрических измерительных приборов, в которой движущийся элемент представляет собой катушку 3 с ферромагнитным сердечником 4 (Рис. 9). Имеется также неподвижная катушка 1 с сердечником 2, которая создает основное магнитное поле.

    Работа: Взаимодействие магнитных потоков подвижной и неподвижной катушек с сердечниками создает вращающий момент, который поворачивает подвижную катушку на величину, пропорциональную измеряемому току. Ферромагнитные сердечники усиливают магнитные поля.

    Приборы используют в основном для переменного тока  (шихтованные сердечники) в стационарных (щитовых) ваттметрах, самописцах и пр.

    Достоинства – Большой вращающий момент, нечувствительность к внешним магнитным полям, малое потребление энергии.

    Недостатки – сравнительно низкая точность (класс прибора – не выше 1.5).

Приборы электростатической системы

    Электростатическая система – это электрическая система приборов постоянного и переменного тока, в которых подвижная часть перемещается силами электрического поля. Данная система обычно применяется в вольтметрах высокого напряжения.

    Работа: Подвижные электроды 1 прибора (Рис. 10) под действием измеряемого напряжения втягиваются в неподвижные электроды 2. При этом поворачивается ось со стрелкой 3.

    Достоинства – очень малое потребление энергии, возможность использования в маломощных цепях.

    Недостатки – сравнительно низкая точность (класс прибора не выше 1).

    Приборы обычно включаются через емкостной делитель напряжения.

ПРИЛОЖЕНИЕ

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПРИБОРОВ

1.Схема с шунтом

    * Шунт (shunt (англ.)- ответвление)- электрическая или магнитная цепь, включено параллельно основной ветви электротехнического устройства (Рис.1).  Шунты применяют для расширения пределов измерения магнитоэлектрических приборов.(Iизм. распределяется между ветвями Iш и Iп обратно пропорционально сопротивлениям).

Шунты снабжают двумя парами зажимов (пара 1-1- для включения шунта в цепь измеряемого тока Iизм., пара 2-2 – для подключения прибора А). Шунты изготавливают из манганиновой проволоки (для устранения температурных влияний).

Обычно              Rш<<Rп;                  Iп<<Iизм→0;                Iизм.Rш IпRп;      При этом

  ;

2.Схема с добавочным резистором

    Добавочные резисторы – это электрические сопротивления, включенные последовательно с приборами для понижения напряжения на их зажимах (Рис.2.). Добавочные резисторы служат для изменения (расширения) пределов измерения приборов (вольтметров, ваттметров, μ- амперметров) при использовании их при измерении напряжения.

При этом ток Iп в цепи прибора       

      Добавочные резисторы изготавливают из манганиновой проволоки (в виде катушек (в цепях переменного тока – с бифилярной намоткой))

3.Схемы с делителями напряжения.

     Делители напряжения – это электрические аппараты, делящие рабочие напряжение постоянного или переменного тока на ряд заданных напряжений. Служат для расширения пределов измерения приборов (обычно имеющих высокое выходное сопротивление).

Делители бывают резистивными, емкостными, индуктивными (Рис.3).

3.1.Резистивный (омический) делитель напряжений

В качестве плеч содержит резисторы. Параметры определяются из соотношений:

                                         Uизм=IR+Ir=I(R+r)

                                           U1=IR;       U2 =Ir;

или, через Uизм:

;               .

В результате, можно подключить прибор к одному из плеч напряжений(U1 или U2).

Тогда, с учетом сопротивления Rп

;

      Кроме фиксированных (R и r) делителей могут использоваться потенциометры с плавным измерением сопротивления (отличаются большей погрешностью из-за скользящего контакта)

3.2.Емкостные делители напряжения

В плечи включаются конденсаторы С1 и С2

Используются для подключения измерительных приборов или промежуточных преобразователей к цепям переменного тока с высоким напряжением.

Параметры находят из соотношений:

;                        .

Прибор включают в низковольтное плечо.

2 < С1)

3.3.Индуктивные делители напряжения

Содержит индуктивности. Параметры находят из выражений:

;                        .

где L – индуктивность соответствующего плеча

4.Измерительные трансформаторы тока.

     Используются для расширения пределов измерения по току и для обеспечения безопасности при измерениях переменного тока высокого напряжения (Рис. 4).

    Первичная обмотка W1 включена в контролируемую электрическую цепь  Iизм последовательно (как амперметр), а в цепь вторичной обмотки W2 включается измерительный прибор (и обычно прибор защиты РТ). При этом     Iп<<Iизм.

Коэффициент трансформации     

Для обеспечения безопасности один зажим вторичной обмотки заземляется.

Конструктивно представляют собой замкнутый сердечник из листовой стали  с первичной W1 и вторичной W2 обмотками.

Для  диагностирования без рассоединения цепей используются токоизмерительные клещи.  В них первичной W1 обмоткой служит сам провод, где течёт Iизм, а в корпус клещей встроена вторичная обмотка и амперметр. Сердечник W2 - разъёмный.

5.Измерительные трансформаторы напряжения.

      Используются для расширения пределов измерения приборов, а также для обеспечения безопасности измерения в цепях переменного тока высокого напряжения (Рис.5).

      К зажимам первичной обмотки W1 подводится измеряемое высокое напряжение Uизм, а обмотка W1 включается параллельно нагрузке (как вольтметр).

Низкое напряжение U2 снимается с зажимов вторичной обмотки W2 и подается на прибор.

Коэффициент трансформации  

Для защиты один зажим вторичной обмотки заземляется

Условные обозначения

электроизмерительных приборов

(указываются на шкале)

Прибор магнитоэлектрической системы

Прибор электромагнитной системы

Прибор электродинамической системы

Прибор индукционной системы

Класс точности прибора

1,5

Постоянный ток

Переменный ток

Постоянный и переменный ток

Трёх фазный ток

Прибор устанавливается горизонтально

Прибор устанавливается вертикально

Изоляция прибора испытана при напряжении 2 кВ


1

2

3

4

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50664. Метод последовательного анализа при испытании на надежность 86.5 KB
  В качестве результатов испытаний приведены статистика отказов и графики зависимости отказов от времени: 1я реализация № отказа Время отказа 1 305 2 683 ИСПЫТАНИЕ ЗАВЕРШЕНО Граница браковки: 52. 1 Зависимость числа отказов от времени для 1 реализации 2я реализация № отказа Время отказа 1 311 2 377 3 693 ИСПЫТАНИЕ ЗАВЕРШЕНО Граница браковки: 52. 2 ...
50665. Релігія в світовому культурно-історичному просторі 103.5 KB
  Світові релігії в культурно-історичному просторі. Естетичні канони й етична програма буддизму. Етико-естетичні концепції християнства. Естетичний вимір Корану як священної книги ісламу. Особливості мусульманського мистецтва...
50666. Частотные модуляторы 195 KB
  Схема принципиальная электрическая ЧМ автогенератора с варикапом Схема принципиальная электрическая ЧМ автогенератора с реактивным транзистором Расчет Экспериментальная часть Выводы В ходе лабораторной работы были исследованы частотно-модулированные колебания в ЧМ автогенераторе с варикапом и реактивным транзистором. В схеме с варикапом видно что: Уходит значение центральной частоты.
50667. Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения 831 KB
  Входное напряжение при номинальном рабочем режиме схемы: Выходное напряжение при номинальном рабочем режиме схемы: Увеличенное входное напряжение: Выходное напряжение при увеличенном входном напряжении: Измерение выходного сопротивления Выходное напряжение стабилизатора с нагрузкой...
50668. Изучение методов структурного резервирования 96.5 KB
  Возможные типы резервирования: Общее нагруженное резервирование. Поэлементное нагруженное резервирование. Общее резервирование замещением. Поэлементное резервирование замещением.
50670. Измерение коэффициента ошибок в цифровых каналах телекоммуникационных систем 186 KB
  Цель работы Ознакомление с приборами методами и схемами измерений коэффициента ошибок в цифровых каналах телекоммуникационных систем; методами оценки качества цифровой модуляции с использованием глазковых диаграмм и диаграмм рассеяния. Экспериментальная часть Измерение коэффициента ошибок на выходе канала передачи информации. Отношение сигнал шум 5 6 7 9 11 15 Число ошибок 54320 50290 56350 57420 35240 1 Общее число принятых бит 111700 106100 123800 148900 102800 466000 Коэффициент ошибок 0.
50671. Изучение законов динамики вращательного движения твёрдого тела вокруг неподвижной оси на маятнике Овербека 292.5 KB
  В этой модели считается что трение в оси неподвижного блока отсутствует этот блок невесом а момент сил трения в оси блока с крестовиной не зависит от угловой скорости вращения В этих условиях ускорение груза массой m постоянно на всём отрезке движения H. Тогда рассмотрим систему состоящую из блока 1 с моментом инерции который может вращаться вокруг неподвижной горизонтальной оси и блока 2 с моментом инерции вращающегося вокруг оси . Запишем основное уравнение динамики вращательного движения для каждого блока учитывая что...