Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

(ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

Кафедра промышленной кибернетики и систем управления

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Учебное пособие

по дисциплине «Электрические измерения»

для студентов, обучающихся по направлению 220400 «Управление в технических системах» (дневная и заочная формы обучения)

Магнитогорск

2012

УДК 621.3.038(075)

Составители: Ю.С.Артамонов, В.В. Гребенникова

Электрические измерения: Учебное пособие по дисциплинам «Электрические измерения» для студентов, обучающихся по направлению 220400 «Управление в технических системах» (дневная и заочная формы обучения). Магнитогорск: МГТУ, 2012. 117 с.

Настоящее учебное пособие «Электрические измерения» написано в соответствии с учебной программой дисциплины «Электрические измерения» и требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по направлению подготовки дипломированного специалиста. Рекомендуется при изучении учебных дисциплин, выполнении курсовых проектов по дисциплинам, связанным с вопросами автоматического управления технологическими процессами, непосредственно для студентов, обучающихся по направлению 220400 «Управление в технических системах» и для других специальностей.

Вданном учебном пособии излагаются основные методы электрических измерений электрических, магнитных и неэлектрических величин и принципы построения измерительной аппаратуры. Рассмотрены вопросы правильного выбора и применения измерительных приборов. Пособие содержит девять глав, которые охватывают следующие темы: метрологические основы измерений и оценки погрешностей измерений; системы основных технических измерительных приборов для прямого измерения тока и напряжения; измерения переменных токов с преобразованием; измерения мостами постоянного и переменного тока; измерения магнитных величин и характеристик магнитопроводов; измерение температуры термопреобразователями и малых перемещений; подробно разработанный лабораторный практикум, охватывающий эти темы.

Впособии содержится необходимый объём теоретических сведений для подготовки, выполенения лабораторных работ и обработки результатов, позволяющий выполнить все предусмотренные расчёты без привлечения дополнительной литературы и произвести количественную оценку полученных результатов.

Рецензенты:

АНО КЦПК «Персонал» Г.Ф. Обухов

Доцент кафедры «Электроники и микроэлектроники», к.т.н. Р.С. Пишнограев

© Ю.С.Артамонов, В.В. Гребенникова, 2012

2

9.1.Лабораторная работа №1 Измерение напряжения переменного тока выпрямительными приборами………………………………………………………………………………………………………61

9.2.Лабораторная работа №2 Измерение частоты с помощью электронного осциллографа …….67

9.3.Лабораторная работа №3 Измерение фазового сдвига……………………………………………...70

9.4.Лабораторная работа №4 Исследование моста постоянного тока…………………………………76

3

9.5.Лабораторная работа №5 Экспериментальное получение основной кривой намагничивания………………………………………………………………………………………………. 81

9.6.Лабораторная работа №6 Измерение магнитной индукции постоянного магнитного поля с помощью измерительной катушки………………………………………………………………………….84

9.7.Лабораторная работа №7 Измерение магнитного поля преобразователем Холла…………….88

9.8.Лабораторная работа №8. Экспериментальное определение функции преобразования дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения………………………….91

9.9.Лабораторная работа №9 Измерение Деформаций с помощью наклеиваемых тензорезисторов……………………………………………………………………………………………….96

9.10.Лабораторная работа №10 Измерение коэффициента тензочувствительности проволочного тензорезистора, наклеенного на деталь конструкции…………………………………………………103

9.11.Лабораторная работа №11. Расчёт сопротивлений резисторов измерительной схемы автоматического потенциометра. Градуировка потенциометра……………………………………109

Предметный указатель…………………………………………………………………………………………116

Рекомендуемая литература…………………………………………………………………………………...117

4

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

B,B – магнитная индукция, вектор и скалярная величина.

Br – остаточная магнитная индукция в материале (в магнитопроводе). Bs – магнитная индукция насыщения материала (магнитопровода). b – вариация показаний измерительного прибора.

F – сила (вектор).

H,H – напряжённость магнитного поля. Hc – коэрцитивная сила.

Hs – напряжённость магнитного поля, соответствующая Bs .

I – постоянный ток или эффективное значение переменного тока. Iср. – среднее значение тока.

Iср.в. – средневыпрямленное значение тока. i – мгновенное значение тока.

J – намагниченность.

ka – коэффициент амплитуды. kф – коэффициент формы.

L – индуктивность.

Мвр. – вращающий момент.

Мм – магнитный момент тела.

М1,2 – взаимная индуктивность двух катушек. RН – постоянная Холла.

r– средняя арифиметическая ошибка.

s– средняя квадратичная ошибка.

tq – q-процентная точка распределения Стьюдента.

U – напряжение постоянного тока или эффективное напряжение переменного тока. Uм – максимальное значение напряжения за период или за время наблюдения.

Uср. – среднее значение напряжения.

Uср.в. – средневыпрямленное значение напряжения.

u – мгновенное значение напряжения. U20 – э.д.с. на холловских электродах. ν – скорость (вектор).

– энергия магнитного поля.

w – число витков катушки.

wt – функция зависимости сопротивления терморезистора от температуры.

X– измеряемая физическая величина.

x– среднее арифиметическое отдельных измерений.

Z – комплексное сопротивление. γ – приведённая погрешность.

ε– относительная погрешность измерения.

ε0 – диэлектрическая проницаемость.

ζ– абсолютная погрешность измерения.

µ– подвижность носителей заряда.

µr – относительная магнитная проницаемость.

µ0 – магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная). ρ – удельное сопротивление материала.

Ф– магнитный поток.

ϕ– фазовый сдвиг.

Ψ– полный магнитный поток (потокосцепление).

ω– круговая частота.

ωt – угловое смещение в электрических градусах.

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Наука начинается с тех пор, как начинают измерять» – эти слова Д.И. Менделеева подчёркивают фундаментальную роль измерения в создании науки.

Измерения выполняют три главные функции:

–измерения для контроля и регулирования технологических процессов и для обеспечения их нормального функционирования;

–измерения физических величин, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле продукции;

–учёт продукции.

Больше всего измерений приходится на так называемые неэлектрические величины. Однако для измерения, передачи, преобразования наиболее удобны электрические величины: ток, напряжение, частота. В электрические сигналы можно преобразовать любые физические величины, лишь бы было такое явление, которое позволит однозначно связать изменение физической величины с изменением электрических характеристик соответствующего преобразователя. Наиболее часто измерения неэлектрических величин удаётся свести к измерению температуры, механического перемещения, магнитных явлений. В общем случае процесс измерения состоит из трёх этапов или звеньев: преобразователя, устройства сравнения и устройства отображения результата. Второе звено передаёт сигнал, а иногда обрабатывает его – усиливает, отделяет от помех. Третье звено производит окончательный анализ сигнала и отображает его на стрелочном или цифровом индикаторе, на печатающем устройстве, в виде графиков, виде кривых на экране осциллографа, сигнал может быть преобразован в ряд импульсов, вводимых непосредственно в цифровое вычислительное устройство.

Какими же достоинствами обладают электрические методы измерения?

Во-первых, это высокая чувствительность и возможность измерения в широком диапазоне изменения значений измеряемой величины. Благодаря этому можно измерять очень малые величины, например, перемещения зонда на 0,2 … 0,3 нм в туннельном растровом электронном микроскопе или в микроскопе атомных сил.

Во-вторых, незначительная инерционность электрической аппаратуры позволяет измерять и медленные, и быстро меняющиеся во времени величины.

В-третьих, это возможность дистанционных измерений и передачи результатов на большие расстояния и удобство использования в системах управления.

«Искусство измерения является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения её сил нашему господству» – писал полтора века назад известный русский учёный Б.С.Якоби. Производство измерений требует знания методов измерений и свойств измерительных приборов, их устройства, области применения, умения выбрать подходящий к случаю метод измерения и соответствующую измерительную аппаратуру, собрать измерительную схему, произвести наблюдения и записи, обработать полученные данные. Теоретическая часть курса «Электрические измерения» даёт обучающимся необходимые знания о методах измерений и измерительных приборах. Но чтобы в результате обучения не получился бы «инженер-теоретик», польза от которого сомнительна, имеется лабораторный практикум, при выполнении которого учащийся приобретает необходимые навыки в производстве измерений и знакомится с измерительной и вспомогательной аппаратурой.

Публикуемое пособие состоит из двух разделов. В гл. 1…8 вкратце даны теоретические основы методов измерений электрических величин и неэлектрических величин, преобразуемых в электрическую форму, конструкции важнейших измерительных приборов и преобразователей, а также метрологические основы измерений и способы обработки и представления полученных результатов. Для понимания материала этого раздела требуется знание основ электротехники, теории переменных токов и элементов высшей математики.

В собственно лабораторном практикуме (гл.9) даны описания одиннадцти лабораторных работ, охватывающих случаи измерения электрических, магнитных и механических величин, очень часто встречающиеся в инженерной практике. За рамками практикума остались термоизмерения несмотря на то, что по разным оценкам термоизмерения охватывают 60 … 80% всех измерений в промышленности. Вопросы термоизмерений вынесены в курс «Технические измерения и приборы».

6