Практическое занятие 1 Тема: Определение показаний магнитоэлектрического, электромагнитного и электродинамического амперметров в линейных цепях несинусоидального тока

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-18.

1. Теоретическая часть

По типу отсчетного механизма все измерительные приборы (ИП) подразделяют на две группы: аналоговые (АИП) и цифровые (ЦИП). В АИП показания являются непрерывной функцией изменения входной измеряемой величины. Электромеханические ИП основаны на преобразовании электрической энергии входного сигнала в механическую энергию, чаще всего, угловое перемещение подвижного отсчетного устройства. Эти приборы для своей работы забирают некоторую энергию от измеряемой цепи. Включение таких приборов в исследуемую электрическую цепь изменяет режим ее работы и, как результат, обуславливает появление погрешности взаимодействия прибора в измеряемой цепи, т. е. появляется методическая погрешность измерения.

В ЦИП измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, который выводится на цифровой индикатор (дисплей).

Основные понятия об электромеханических измерительных приборах (ЭМИП)

ЭМИП относятся к аналоговым ИП. Функционирование ЭМИП основано на использовании измерительных механизмов (ИM), в которых реализуются различные физические принципы. ИМ обеспечивает преобразование значения измеряемой величины в пропорциональное изменение показания отсчетного устройства, например, стрелки прибора. В этих ИМ вызывающему поворот стрелки моменту вращения, функционально связанному с измеряемой величиной (чаще всего с током в измерительной катушке), противодействует момент сопротивления закручивающейся пружины. Необходимо иметь в виду, что имеются ИМ типа логометров. В логометрах эта пружина отсутствует, а стрелка поворачивается под воздействием двух токов, каждый из которых протекает по своей рамке, причем одна рамка создает момент вращения в направлении отсчета измеряемой величины, а другая рамка создает противодействующий момент. Стрелка останавливается в определенном месте шкалы прибора, когда эти два момента становятся равными У логометров с противодействующей пружиной имеется корректор, позволяющий устанавливать стрелку на обесточенном приборе в нулевое положение.

В зависимости от используемого в приборе ИМ различают следующие ЭМИП:

а) магнитоэлектрические;

б) выпрямительные;

в) термоэлектрические;

г) электромагнитные;

д) электродинамические;

е) электростатические;

ж) индукционные.

В зависимости от принципа исполнения ИМ, схемы его использования в ИП реализуются приборы для измерения тока, напряжения, мощности, электрической энергии и т. д.

Особенности работы электроизмерительных приборов в цепях постоянного, синусоидального и несинусоидального напряжений (токов)

1. Общие сведения по измерению параметров электрических сигналов

В электрических цепях форма измеряемых электрических величин может существенно отличаться от классических форм функций времени: а) от формы неизменного во времени (постоянного) тока (напряжения); в) от формы синусоидального тока (напряжения). С несинусоидальными электрическими сигналами часто имеют дело при производстве измерений в преобразовательной и электронной технике, при переходных процессах, в электрических цепях переменного тока, в которых имеется хотя бы один элемент с нелинейной вольтамперной характеристикой. Поэтому имеет принципиальное значение выбор необходимой измерительной аппаратуры, четкое представление их принципа работы и с какими параметрами измеряемых величин следует интерпретировать их показания. При измерениях в цепях с несинусоидальными электрическими величинами измерение одной и той же величины приборами разных систем может дать несовпадающие результаты. Поэтому в некоторых случаях, когда указываются режимы работы электрической цепи, то указываются типы приборов, с помощью которых эти измерения выполнены.

2. Особенности измерения в цепях постоянного тока

Напряжение постоянного тока от долей милливольта до сотен вольт можно измерять аналоговыми стрелочными вольтметрами с магнитоэлектрическим измерительным механизмом ИМ_(МЭ). Они имеют достаточно высокую точность (класс точности до 0,05). Входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра, которое определяется значением добавочного сопротивления, включаемого последовательно с измерительной рамкой прибора, не превышает десятков килоом. Это ограничивает их применение при измерениях в высокоомных цепях, например, в электронных, так как приводит к появлению методической погрешности.

Для измерения напряжения постоянного тока в высокоомных цепях целесообразно использовать электронные аналоговые приборы, в которых в качестве отсчетного устройства используется ИМ_(МЭ), однако широкое распространение получило использование, например, цифровых мультиметров, переведенных в режим измерений постоянного напряжения (режим DCV).

Для измерения больших постоянных токов может также использоваться ИМ_(МЭ), однако его подключают параллельно либо встроенному в прибор малоомному токовому шунту, либо внешнему шунту. В последнем случае шунт имеет метрологические характеристики (класс точности), а падение напряжения на нем при протекании номинального тока составляет 75 мV.

3. Особенности измерения в цепях синусоидального и несинусоидального (тока) напряжения

Измерение синусоидальных напряжений (токов) может выполняться аналоговыми приборами, в которых используются измерительные механизмы следующих систем: ИМ_(МЭ) с выпрямителем, например, типа тестер; ИМ_(ТЭ); ИМ_(ЭМ); аналоговыми электронными вольтметрами со стрелочным указателем на основе ИМ_(МЭ).

В большинстве случаев, если нет специальных указаний, вывод информации о величине тока (напряжения) в приборах осуществляется в действующих значениях синусоидально изменяющихся величин.

При этом необходимо иметь в виду следующее (далее формулы приведены применительно к измерению тока):

1) ИМ_(ЭМ) с выпрямителем реагирует:

– либо при однополупериодном выпрямлении на среднее значение переменного тока за полпериода

. (1.1)

– либо после двухполупериодного выпрямления на среднее значение переменного тока по модулю

. (1.2)

При этом необходимо учесть, что для несинусоидального тока его среднее значение (1.2) зависит от фазового сдвига гармонических составляющих разложения функции i(t).

Для синусоидального тока его действующее и среднее значения связаны коэффициентом формы

. (1.3)

2) ИМ_(ЭМ) и ИМ_(ЭД) реагирует на действующее (среднеквадратичное) значение переменного, при этом необходимо иметь в виду:

– при измерении синусоидального тока i(t) показание прибора определяется действующим значением синусоидального тока, определяемого выражением

, (1.4)

которое связано с амплитудой I_m синусоидального тока i(t) выражением

. (1.5)

– при измерении несинусоидального тока i(t) показание прибора определяется действующим значением I несинусоидального тока согласно выражению

, (1.6)

где постоянная составляющая I₀ разложения несинусоидального тока определяется выражением

, (1.7)

где I₁, I₂, … – действующие значения первой, второй и т.д. гармоник несинусоидального тока i(t).

При измерении тока магнитоэлектрическим амперметром следует учитывать, что приборы этой измерительной системы позволяют определять только постоянную составляющую несинусоидального тока (1.7).

Это справедливо, если не указано, что на входе этого прибора имеется выпрямительная схема. Определение показаний приборов с выпрямительной схемой на входе будет рассмотрен в практическом занятии 4.