3. Погрешности измерений и средств измерений.

В метрологии понятие « погрешность» является одним из центральных, причем в нем отражены понятия «погрешности результата измерения» и «погрешности средств измерения». Эти два понятия близки к друг другу и их классифицируют по одинаковым признакам.

По форме количественного выражения погрешности делят на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная представляет отклонение результата измерения от истинного значения: Δ=Х-Хи, выраженную в единицах измерения.

Относительной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины: ∂=Δ/Хи, выраженному в процентах.

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите классификацию погрешностей измерений.

2. Каковы причины возникновения погрешностей при измерениях?

3. Как определяются абсолютная, относительная и приведенная погрешности?

Раздел 2. Методы и средства измерения параметров

электрических сигналов и магнитных величин.

2.1 Измерение напряжения и силы тока.

Магнитоэлектрические и выпрямительные приборы. Назначение и область применения шунтов и добавочных резисторов.

Для измерения напряжения и силы тока в электрических цепях используются аналоговые электромеханические измерительные приборы с электромагнитным, магнитоэлектрическим измерительным механизмом.

Работа магнитоэлектрических ИМ основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Отклонение подвижной части ИМ линейно растет с увеличением тока, т.е. шкала прибора равномерная. Приборы магнитоэлектрической системы могут применятся только на постоянном токе.

К достоинствам магнитоэлектрических ИМ относятся: высокая чувствительность, большая точность, незначительное влияние магнитных полей, равномерность шкалы.

К выпрямительным приборам способным измерять переменный и постоянный ток (напряжение) относятся комбинированные аналоговые приборы (авометры). В комбинированном измерительном приборе используют магнитоэлектрический ИМ (микроамперметр) который может при помощи переключающего устройства соединяться с различными измерительными цепями. Шкалу прибора измеряющего переменный ток или напряжение градуируют в среднеквадратичных значениях синусоидального сигнала, поэтому средневыпрямленное значение тока, протекающего через прибор, можно выразить через среднеквадратичное значение измеряемого тока и коэффициент формы для синусоиды.

Достоинства выпрямительных приборов: высокая чувствительность по току и напряжению, малая собственная мощность потребления, широкий частотный диапазон.

Недостатки: зависимость прямого и обратного сопротивлений диода от температуры, нелинейность шкалы, невысокая точность.

Измерительные мосты относятся к приборам, служащим для измерения параметров электрических цепей, для преобразования параметров цепей в электрические сигналы, измерения сопротивления и т.д. В основе работы этих приборов заложен дифференциальный или нулевой метод. При дифференциальном методе делают неуравновешенные мосты, а при нулевом – уравновешенные нулевые. Уравновешенный мост- четырехполюсник, питаемый от одного источника и имеющий две равнопотенциальные точки, обнаруживаемые индикатором равновесия.

Измерительные шунты

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Измерительный шунт представляет собой четырехзажимный резистор. Два входных зажима шунта, к которым подводится ток I, называются токовыми, а два выходных зажима, с которых снимается напряжение U, называются потенциальными.

К потенциальным зажимам шунта обычно присоединяют измерительный механизм измерительного прибора.

Rш = Rи / (n - 1),

где n = I / Iи — коэффициент шунтирования.

Шунты применяются для расширения пределов измерения измерительных механизмов по току, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую — через измерительный механизм. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.

Вопросы для самоконтроля

1. Каково устройство измерительного механизма магнитоэлектрической системы?

2. Укажите в чем различие измерительных механизмов приборов магнитоэлектрической и выпрямительной системы?

3. Каково назначение шунтов?

4. Перечислите достоинства и недостатки магнитоэлектрических и выпрямительных приборов ?

Приборы электромагнитной, электродинамической и ферромагнитной систем

Среди приборов электромагнитной системы различают приборы с плоской и с круглой катушкой .

Принцип действия. Передвижение подвижной части измерительного механизма происходит в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной катушки и одного или нескольких подвижных сердечников из ферромагнитных материалов.

При протекании тока по катушке в приборах с плоской катушкой (рис. 1.3, а) возникает магнитное поле, сердечник намагничивается и втягивается в щель каркаса катушки, поворачивая ось со стрелкой.

В приборах с круглой катушкой (рис. 1.3, б) вращающий момент создается при взаимодействии подвижной и неподвижной пластин. При протекании тока по катушке вращающий момент создается при взаимодействии подвижной и неподвижной пластин. Обе пластины намагничиваются одинаковой полярностью и взаимодействуют друг с другом. Подвижной сердечник смещается (отталкивается), поворачивая стрелку.

Противодействующий момент создается спиральной пружиной.

Приборы электродинамической системы

Устройство: Измерительный механизм (рис. 1.5) включает:

– подвижную катушку 1;

– неподвижную катушку 2, которая разделена на две части, расположенные на некотором расстоянии друг от друга для создания равномерного магнитного поля ;

– ось 3;

– стрелку 4.

На оси прибора жестко закреп¬лены подвижная катушка, указательная стрелка с балансными грузиками, магнитоиндукционный или воздушный успокоитель и концы двух противодействующих токопроводящих пружин. Противоположные концы пружин соединены с неподвижной катушкой. Одна из пружин соединена с рычажком корректора для установки стрелки на нуль.

Принцип действия. Перемещение подвижной части прибора происходит в результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек, по которым протекает измеряемый ток. При этом подвижная катушка стремится изменить свое положение таким образом, чтобы направления магнитных полей совпали. Возникающий вращающий момент пропорционален силе взаимодействия магнитных полей:

;                                            

 Приборы ферромагнитной системы       

Ферродинамические измерительные механизмы отличаются от электродинамических наличием магнитопровода внутри неподвижной катушки (1) и подвижной катушке (2). Это позволяет получить сильное магнитное поле в воздушном зазоре и большой вращающий момент. Увеличивая вращающий момент увеличивается чувствительность прибора и есть возможность увеличить прочность прибора. Внешние магнитные поля на показания прибора влияют очень слабо. Также как и электродинамические приборы, ферромагнитные используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, частотомерах и фазометрах.

 Приборы индукционной системы

К приборам индукционной системы относится счетчик , служащий для учета потребления электрической энергии. Основная часть счетчика — магнитная система 1 с двумя обмотками. Одна обмотка включается в цепь последовательно, а другая — параллельно. Переменные токи, протекающие по каждой обмотке, возбуждают переменные магнитные потоки, которые образуют вращающееся магнитное поле. Эти потоки пронизывают алюминиевый диск 6 счетчика и индуктируют в нем вихревые токи. Воздействие вращающегося магнитного поля, образованного магнитными потоками, на вихревые токи приводит диск во вращение. Ось 2 диска через шестерни 3 передает движение счетному механизму 4.

Воздействие магнитного поля на вихревые токи пропорционально произведению мгновенных значений тока и напряжения, т. е. пропорционально мощности, следовательно, на диск воздействует вращающий момент, пропорциональный мощности:

M_вр = K_врP,

где K_вр — постоянный коэффициент.

Электростатические вольтметры

Основу всех электростатических приборов составляют электростатические измерительные механизмы.

Принцип действия электростатических преобразователей основан на взаимодействии электрических полей двух тел (систем пластин), заряженных разноименными зарядами. В результате такого взаимодействия одна из систем, являющаяся подвижной, перемещается относительно неподвижной системы пластин, вызывая при этом отклонение стрелки отсчетного устройства, связанной с подвижной частью преобразователя, в сторону возрастающих показаний. Перемещение подвижной части преобразователя относительно неподвижной вызывает изменение емкости между ними. Конструктивно подвижная и неподвижная части ИМ выполняются в виде пластин.

Схемы включения , режимы работы измерительных трансформаторов

Измерительный трансформатор напряжения служит для понижения высокого напряжения, подаваемого в установках переменного тока на измерительные приборы и реле защиты и автоматики.

Применение трансформаторов напряжения позволяет использовать для измерения на высоком напряжении стандартные измерительные приборы, расширяя их пределы измерения; обмотки реле, включаемых через трансформаторы напряжения, также могут иметь стандартные исполнения.

Кроме того, трансформатор напряжения изолирует (отделяет) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, благодаря чему обеспечивается безопасность их обслуживания.

Трансформаторы напряжения широко применяются в электроустановках высокого напряжения, от их работы зависит точность электрических измерений и учета электроэнергии, а также надежность действия релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Измерительный трансформатор напряжения по принципу выполнения ничем не отличается от силового понижающего трансформатора. Он состоит из стального сердечника, набранного из пластин листовой электротехнической стали, первичной обмотки и одной или двух вторичных обмоток.

Схемы включения однофазных измерительных трансформаторов напряжения с одной вторичной обмоткой: а - схема звезда - звезда для электроустановок 0,5 - 10 кВ с изолированной нейтралью, б — схема открытого треугольника для электроустановок 0,38 - 10 кВ, в - то же для электроустановок 6 - 35 кВ, г - включение трансформаторов напряжения 6 -18 кВ по схеме треугольник - звезда для питания устройств АРВ синхронных машин.

Измерительные мосты и компенсаторы переменного и постоянного тока.

Одинарные мосты постоянного тока используются для измерения сопротивлений от 10 Ом и выше и представляют собой четырехплечные мосты с питанием от источника постоянною тока (рис. 3.7). Условием равновесии одинарного моста является равенство R₁R₄ = R₂R₃, отсюда

Мосты переменного тока применяются для измерения активного сопротивления, индуктивности и добротности катушек, емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов, а также частоты переменного тока (рис. 3.8). Условие равновесия этого моста можно записать в виде следующего равенства:

Лабораторная работа №1

Изучение устройства измерительных механизмов различных систем.

Ознакомление с устройством приборов, изучение составных частей измерительного механизма, схемы прибора, определение технических характеристик и параметров приборов по условным обозначениям на шкалах.

Вопросы для самоконтроля:

Какие конструктивные элементы входят в состав приборов магнитоэлектрической системы?

Как устроен прибор электромагнитной системы?

Как создается вращающий момент а приборах электродинамической системы?

Как устанавливается подвижная часть измерительного механизма в электромеханических приборах?

Как следует снимать показания со шкалы прибора, содержащей зеркало?

Лабораторная работа №2

Изучение техники измерения силы тока различными приборами.

Изучение правил пользования и получение практических навыков в измерении силы тока при помощи комбинированных приборов.

Вопросы для самоконтроля:

Какие приборы называются комбинированными?

Что означают символы на шкале прибора?

Как определить цену деления шкалы многопредельного комбинированного прибора?

Лабораторная работа №3.

Изучение техники измерения напряжения различными приборами.

Изучение правил пользования и получения практических навыков в измерении напряжения при помощи комбинированных приборов.

Вопросы для самоконтроля:

Как определить уровень переменного напряжения в дециБеллах?

Как определить Цену деления шкалы для измерения напряжения комбинированным прибором?