I. Измерение импульсного напряжения диодно-конденсаторным вольтметром.

Импульсный диодно-конденсаторный вольтметр работает как электронный вольтметр синусоидального напряжения и выполняется по схеме преобразователь пикового значения — усилитель постоянного тока — магнитоэлектрический измерительный прибор.

Если на вход преобразователя подать периодическую последовательность прямоугольных импульсов (рис. 9), то конденсатор С заряжается во время t_И существования импульса на входе, а в промежутке между импульсами Т - t_И медленно разряжается на резистор сопротивлением R. Если же время t_И будет мало, а Т велико, то за время действия короткого импульса конденсатор не успевает полностью зарядиться, и среднее значение напряжения U_Cср на конденсаторе за период Т повторения импульса может значительно отличаться от амплитудного (пикового) значения U_M измеряемого импульса.

II. Измерение напряжения одиночных импульсов.

Одиночные импульсы длительностью от сотых долей микросекунды до нескольких миллисекунд встречаются в технике лазерной, полупроводниковой плазмы и т.д. При измерении одиночного импульса энергия, необходимая для измерения, поступает в измерительную систему лишь в течение существования импульса. Поэтому измерительная система должна «успевать» регистрировать напряжение импульса во время его действия, т.е. либо быть безынерционной, либо запасать необходимую информацию о напряжении импульса за время его действия. Для этой цели могут быть использованы специальные осциллографы с фоторегистрацией или запоминанием однократных процессов.

Измерить амплитуду одиночных импульсов можно также с помощью аналоговых вольтметров, принцип действия которых основан на преобразовании одиночного импульсного напряжения в квазипостоянное напряжение или интервал времени. Уменьшение амплитуды и длительности измеряемых импульсов, отсутствие предварительной информации о их полярности и значении амплитуды усложняют схему преобразования.

Контрольные вопросы:

1. Как измеряется постоянный ток малой величины?

2. Какие приборы используются для измерения напряжения промышленной частоты?

3. Как расширяются пределы измерения амперметров на постоянном токе?

4. Как измеряется ток высокой частоты?

5. Достоинства и недостатки цифровых измерительных приборов.

6. Достоинства и недостатки электронных измерительных приборов.

2.ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

Выполняются лабораторные работы 5,6 «Методических указаний по выполнению лабораторных работ по электрическим измерениям»

3. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

1. Ответы на вопросы по п.1

2.Заполнение таблиц измерений и выполнение расчетов

3. Выводы

4. Защита

Студенты отвечают на вопросы преподавателя и сдают готовый отчет о работе.

1.3.2. Измерение мощности цепи постоянного тока и однофазной цепи переменного тока

Цель работы:

- изучить основные методы измерения мощности;

-научиться выполнять замеры мощности в различных цепях;

-научиться рассчитывать погрешности измерений.

Значение активной мощности в однофазной цепи переменного тока определяют по формуле P = UI cos фи, где U — напряжение приемника, В, I — ток приемника, А, фи — фазовый сдвиг между напряжением и током.

Из формулы видно, что мощность в цепи переменного тока можно определить косвенным путем, если включить три прибора: амперметр, вольтметр и фазометр. Однако в этом случае нельзя рассчитывать на большую точность измерения, так как погрешность измерения мощности будет зависеть не только от суммы погрешностей всех трех приборов, но и от погрешности метода измерения, вызванной способом включения амперметра и вольтметра. Поэтому данный метод можно применять только в случае, когда не требуется большая точность измерений.

Если активную мощность нужно измерить точно, то лучше всего применить ваттметры электродинамической системы или электронные ваттметры. При грубых измерениях могут быть использованы ферродинамические ваттметры.

Если напряжение в цепи меньше предела измерений ваттметра по напряжению, ток нагрузки меньше допустимого тока измерительного прибора, то схема включения ваттметра в цепь переменного тока аналогична cхеме включения ваттметра в цепь постоянного тока. То есть токовую катушку включают последовательно с нагрузкой, а обмотку напряжения — параллельно нагрузке.

При подключении электродинамических ваттметров следует учитывать, что они полярны не только в цепи постоянного, но и в цепи переменного тока. Чтобы обеспечить правильное (в сторону шкалы) отклонение стрелки прибора от нуля, начала обмоток на панели прибора обозначены точкой или звездочкой. Зажимы, по меченные таким образом, называют генераторными, так как именно их подключают к источнику энергии.

Неподвижную катушку ваттметра можно включать последовательно с нагрузкой только при токах нагрузки 10 - 20 А. Если ток нагрузки больше, то токовую катушку ваттметра включают через измерительный трансформатор тока.

Для измерения мощности в цепи переменного тока с низким коэффициентом мощности следует применять специальные низкокосинусные ваттметры. На их шкале указано, для каких значений cos фи они предназначены.

Когда cos фи<1, то для исключения перегрузки электродинамического ваттметра нужно включать контрольные амперметр и вольтметр. Например, ваттметр с номинальным током Iи=5 А может показать полное отклонение при токе I = 5 А и cos фи =1 и при токе I =6,25 Аиcos фи =1 (так кaк I = Iн / cos фи). Во втором случае ваттметр будет перегружен.

Включение ваттметра в цепь переменного тока, при токе нагрузки больше допустимого

Если ток нагрузки больше допустимого тока ваттметра, то токовую катушку ваттметра включают через измерительный трансформатор тока (рис. 1, а).

Рис. 1. Схемы включения ваттметра в цепь переменного тока с большим током (а) и в высоковольтную сеть (б).

При выборе трансформатора тока необходимо следить за тем, чтобы номинальный первичный ток трансформатора I_1и был равен измеряемому току в сети или больше него.

Например, если значение тока в нагрузке достигает 20 А, то можно брать трансформатор тока, рассчитанный на первичный номинальный ток 20 А с номинальным коэффициентом трансформации по току Kн1 = I_1и/ I_2и = 20/5 = 4.

Если при этом в измерительной цепи напряжение меньше допустимого ваттметром, то катушку напряжения включают непосредственно на напряжение нагрузки. Начало катушки напряжения при помощи перемычки / подключают к началу токовой катушки. Так же обязательно устанавливают перемычку 2 (начало катушки подключают к сети). Конец катушки напряжения подключают к другому зажиму сети.

Для определения действительной мощности в измеряемой цепи необходимо показание ваттметра умножить на номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока: P = Pw х Kн₁ = Pw х 4

Если ток в сети может превышать 20 А, то следует выбрать трансформатор тока с первичным номинальным током 50 А, при этом Kн₁ = 50/5 = 10.

В этом случае для определения значения мощности показания ваттметра надо умножать на 10.

 Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 - 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 - 2,5).

Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения ui = р и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения ui, т. е. от мощности.

На рис. 2, а показана возможность использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.

Рис. 2. Схема включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)

Неподвижная катушка 1, включаемая в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра, подвижная катушка 2 (с добавочным резистором), включаемая параллельно нагрузке — параллельной цепью.

Для ваттметра, работающего на постоянном токе:

Рассмотрим работу электродинамического ваттметра на переменном токе. Векторная диаграмма рис. 2, б построена для индуктивного характера нагрузки. Вектор тока Iuпараллельной цепи отстает от вектора U на угол γ вследствие некоторой индуктивности подвижной катушки.

Из этого выражения следует, что ваттметр правильно измеряет мощность лишь в двух случаях: при γ = 0 и γ = φ.

Условие γ = 0 может быть достигнуто созданием резонанса напряжений в параллельной цепи, например включением конденсатора С соответствующей емкости, как это показано штриховой линией на рис. 1, а. Однако резонанс напряжений будет лишь при некоторой определенной частоте. С изменением частоты условие γ = 0 нарушается. При γ не равном 0 ваттметр измеряет мощность с погрешностью βy, которая носит название угловой погрешности.

При малом значении угла γ (γ обычно составляет не более 40 - 50'), относительная погрешность

При углах φ, близких к 90°, угловая погрешность может достигать больших значений.

Второй, специфической, погрешностью ваттметров является погрешность, обусловленная потреблением мощности его катушками.

При измерении мощности, потребляемой нагрузкой, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся включением его параллельной цепи (рис. 3).

Рис. 3. Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать нагрузку Н чисто активной, погрешности β(а) и β(б), обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем рис. 3, а и б:

где Рi и Рu — соответственно мощность, потребляемая последовательной и параллельной цепью ваттметра.

Из формул для β(а) и β(б) видно, что погрешности могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда Рi и Рu соизмеримы с Рн.

Если поменять знак только одного из токов, то изменится направление отклонения подвижной части ваттметра. 

У ваттметра имеются две пары зажимов (последовательной и параллельной цепей), и в зависимости от их включения в цепь направление отклонения указателя может быть различным. Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов обозначается знаком «*» (звездочка) и называется «генераторным зажимом».

Контрольные вопросы:

1. Какую энергию измеряет ваттметр электродинамической системы?

2. Влияет ли величина нагрузки на схему включения ваттметра?

3. Как расширяют пределы измерения ваттметра на переменном токе?

4. Как определить мощность в цепи постоянного тока по результатам измерения силы тока и напряжения?

5. Как правильно включить ваттметр однофазного тока при измерении мощности в контролируемой цепи?

6. Как измерить полную мощность однофазного тока, пользуясь амперметром и вольтметром?

7. Как определить реактивную мощность схемы?

2.ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

Выполняются лабораторные работы 8 «Методических указаний по выполнению лабораторных работ по электрическим измерениям»

3. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

1. Ответы на вопросы по п.1

2.Заполнение таблиц измерений и выполнение расчетов

3. Выводы

4. Защита

Студенты отвечают на вопросы преподавателя и сдают готовый отчет о работе.

1.3.3.Измерение коэффициента мощности и угла сдвига фаз

Цель работы:

- изучить основные методы измерения коэффициента мощности и угла сдвига фаз;

-научиться выполнять замеры коэффициента мощности и угла сдвига фаз

в различных цепях;

-научиться рассчитывать погрешности измерений.

1.Основными потребителями электрической энергии являются электрические двигатели, машины и электронагревательные устрой­ства. Все они потребляют активную мощность, которую преобразуют в механическую работу и тепло. Электрические двигатели потреб­ляют также реактивную мощность. Последняя, как известно, со­вершает колебательное движение от источника к двигателю и об­ратно.

У ламп и электрических печей сопротивления S = Р и соs  = 1. У   электрических   двигателей  и соs  меньше   1.

При неизменной передаваемой активной мощности Р величина нагрузочного тока обратно пропорциональна значению соs :Это означает, что при тех же значениях активной мощности Р и напряжения U нагрузочный ток электрических двигателей больше, чем у электрических ламп. Если, например, коэффициент мощности электрического двигателя равен 0,5, то он потребляет в 2 раза больший ток, чем электрическая печь сопротивления той же мощности Р.

Потери мощности на нагрев проводов линии пропорциональны квадрату тока (ΔР =I²r).

Таким образом, при соs = 0,5 потери мощности в линии, по которой энергия передается потребителям, больше в 4 раза, чем при соs =1.  Кроме того,  генераторы и трансформаторы будут загружены током в 2 раза больше и в этом случае требуется примерно в 2 раза большее сечение проводов для обмоток.

Отсюда видно, какое важное значение имеет величина соs  в электроэнергетических установках. Для повышения коэффици­ента мощности промышленных установок, на которых преобла­дающая часть потребителей — электрические двигатели, парал­лельно им включают конденсаторы, т. е. добиваются резонанса,, токов, при котором соs  близок к 1.

Методы измерения угла сдвига фаз и коэффициента мощности.

 Эти методы зависят от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и Наличия средств измерений. Различают косвенное и прямое изменения угла сдвига фаз. Косвенное измерение. Такое измерение угла сдвига фаз между напряжением U и током I в нагрузке в однофазных цепях определяется расчетным путем из найденного значения cos осуществляют с помощью трех приборов — вольтметра, амперметра и ваттметра (рис.1). Угол Метод используется обычно на промышленной частоте и обеспечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением приборов, достаточно прост, надежен, экономичен. В трехфазной симметричной цепи величина cos может быть определена следующими измерениями:

• мощность, ток и напряжение одной фазы;

• измерение активной мощности методом двух ваттметров;

• измерение реактивной мощности методом двух ваттметров с искусственной нейтральной точкой.

Среди осциллографических методов измерения фазы наибольшее распространение получили методы линейной развертки и эллипса. Осциллографический метод, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используется в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5... 10 %). Метод линейной развертки предполагает применение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вертикальные пластины — напряжение, между которыми измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получаем изображение двух напряжений (рис.2, а) и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига между ними где АБ — отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через нуль по оси X; АС — отрезок, соответствующий периоду. Погрешность измерения _х зависит от погрешности отсчета и фазовой погрешности осциллографа.

Рис. 1. 

Если вместо линейной развертки использовать синусоидальное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигуры Лиссажу при равных частотах дают на экране осциллографа форму эллипса (Рис. 6б). Угол сдвига _x=arcsin(АБ/ВГ). Этот метод позволяет измерять _х в пределах 0 90^о без определения знака фазового угла. Погрешность измерения _х также определяется погрешностью отсчета Рис..2. Кривые, получаемые на экране двухлучевого осциллографа: при линейной (а) и синусоидальной (б) развертке и расхождениями в фазовых сдвигах каналов Х и Y осциллографа. Применение компенсатора переменного тока с калиброванным фазовращателем и электронным осциллографом в качестве индикатора равенства фаз позволяет произвести достаточно точное измерение угла сдвига фаз. Погрешность измерения в этом случае определяется в основном погрешностью используемого фазовращателя. Прямое измерение. Прямое измерение утла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров. Наиболее часто из электромеханических фазометров используют электродинамические и электромагнитные логометрические фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Используются на диапазоне частот от 50 Гц до 6... 8 кГц. Классы точности — 0,2; 0,5. Для них характерна большая потребляемая мощность 1(5...10 Вт). осуществляется однофазным или трехфазным фазометрами. или cosВ трехфазной симметричной цепи измерение угла сдвига фаз Цифровые фазометры используются в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц Гц до 150 МГц, классы точности — 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые подсчитываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите методы измерения угла сдвига фаз

2. Приведите схему измерения косвенным методом

3. Физический смысл коэффициента мощности

4. Способы повышения коэффициента мощности.

Влияет ли напряжение сети на показания фазометра?