Конспект по Метрологии / Элек. изм

Міністерство освіти і науки України Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова

Ю.Л. Гальчевський, В.М. Овсянніков, А.Д. Блащенко МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторних робіт з дисципліни "Електро- і радіовимірювання"

Частина 1 ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАННЯ

під загальною редакцією проф. В.С. Блінцова

Миколаїв 2005

УДК 681.3

Ю.Л. Гальчевський, В.М. Овсянніков, А.Д. Блащенко Лабораторні роботи по дисципліні «Електро- і радіовимірювання»: методичні вказівки. Ч.1, Електровимірювання/ під заг. ред. проф. В.С. Блінцова. – Миколаїв:

НУК, 2005. – 85с.

Кафедра електрообладнання суден

Вказівки написані відповідно до програми курсу „Електро- і радіовимірювання” та представляють собою детальні рекомендації по виконанню лабораторних робіт. З метою полегшення підготовки і проведення лабораторних робіт даються деякі теоретичні відомості, на яких заснована дана робота. Це не виключає лекційної підготовки і використання рекомендованої літератури.

Призначено для студентів спеціальностей 7.160101, 8.092201.

© Інформаційно-видавниче підприємство «Степ-інфо», 2005

2

ВСТУП

Здатність виконувати точні виміри є одним з фундаментальних факторів, що дозволяють займатися наукою й технікою. Іншими словами: «У фізику існує тільки те, що можна виміряти» (Макс Планк). Навіть у нашому повсякденному житті постійно відбувається кількісна оцінка того, що доставлено або витрачене (електрична енергія), перевіряється, чи має та або інша величина бажане значення й чи не перевершує вона припустимих меж (кров'яний тиск), а також реєстрація й контроль певних кількостей (у транспорті або в торгівлі).

У вимірювань давня історія. За чотири тисячоріччя до Різдва Христова вавилоняне і єгиптяни вже проводили астрономічні виміри. Незважаючи на те, що сьогодні це може виглядати тривіальним, прийняття всюди у світі однієї системи мір і ваг (системи СИ) стало помітною віхою в області вимірів.

Прогрес в електротехніку й грандіозні успіхи електроніки, зокрема, привели до того, що в цей час фактично всі виміри виробляються «в електричній області». Щоб виміряти неелектричну величину, застосовують датчик для перетворення того, що повинне бути обмірюване, з відповідної неелектричної області в електричний сигнал.

Данні вказівки написані відповідно до програми курсу „Електро- і радіовимірювання” з метою полегшення підготовки і проведення лабораторних робіт у студентів спеціальностей 7.160101, 8.092201.

3

Організація і порядок виконання лабораторних робіт

Лабораторні роботи з курсу " Електро- і радіовимірювання " є частиною однойменного курсу і призначені для практичного освоєння досліджуваного матеріалу.

Перед виконанням лабораторних робіт студенти проходять загальний інструктаж.

Студенти повинні дбайливо ставитись до обладнання.

До виконання лабораторної роботи студент допускається після теоретичної підготовки й вивчення виконуваного завдання.

На початку занять викладач перевіряє готовність студента до виконання майбутньої роботи. Для виконання робіт група розбивається на бригади не більше двох чоловік.

Студент приступає до виконання роботи з ДОЗВОЛУ викладача.

По кожній роботі оформляється звіт, що повинен містити такі пункти:

найменування роботи;

мету виконання роботи;

короткі теоретичні відомості;

опис виконаного завдання;

робочий аркуш виконаного завдання;

висновки.

При здачі звіту викладач опитує студента в обсязі матеріалу виконаної роботи, після чого робота вважається зарахованою.

Студенти, які не здали залік на попередній роботі або з’явились на заняття не підготовленими, до заняття не допускаються.

Студенти, що виконали всі передбачені графіком лабораторні роботи й здали вчасно звіти, одержують допуск до заліку.

4

Лабораторна робота № 1

Електромеханічні вимірювальні прилади

Мета роботи — вивчення пристрою, основних технічних характеристик і застосувань електромеханічних вимірювальних приладів магнітоелектричної, електродинамічної й електромагнітної систем. Виміряються величини постійних і змінних напруг і струмів, виробляється аналіз погрішностей вимірів. Досліджується частотна залежність показань електромагнітного амперметра і виконується непрямий вимір опорів.

1.1. Короткі відомості про електромеханічні вимірювальні прилади

Електромеханічні прилади застосовують для виміру напруги, струму, потужності й інших електричних величин у ланцюгах постійного і змінного струму низької частоти. Назва електровимірювального приладу визначається його призначенням. Розрізняють вольтметри, амперметри, ваттметри, омметри, фазометри й комбіновані прилади - ампервольтметри, вольтомметри та інші.

За принципом дії електромеханічні прилади діляться на прилади магнітоелектричної, електродинамічної, феродинамічної, електромагнітної, електростатичної, індукційної й деяких інших систем, які використовуються рідше. Приналежність приладу до тієї або іншої системи позначається умовним значком на його шкалі.

Метрологічні властивості приладу характеризують клас його точності. Він позначається числом на шкалі приладу і вказує межу наведеної похибки приладу, виражену у відсотках.

Основою електромеханічного приладу є вимірювальний механізм (ВМ), що має відліковий пристрій, нерухому і рухливу частини й демпфер для заспокоєння власних коливань останньої. Крім ВМ прилад може містити шунти й додаткові резистори, що розширюють межі виміру і розміщені в тому ж корпусі. На рухливу частину ВМ діє обертаючий момент, що виникає під дією струмів і напруг, функціонально пов'язаних з вимірюваною величиною. Для його зрівноважування використовуються спіральні пружинки або розтяжки, що створюють протидіючий момент, пропорційний куту повороту рухливої частини.

1.1.1. Магнітоелектричні електровимірювальні прилади

Пристрій магнітоелектричного ВМ показано на рис. 1.1. Робота його заснована на взаємодії рухливої рамки 5, якою тече струм , з полем постійного магніту 1. Це поле за допомогою магнітопроводу 2, полюсних наконечників 3 і циліндричного сердечника 4, виготовлених з магнітом’якого

5

матеріалу, концентрується в зазорі, де рухається рамка 5, з'єднана піввіссю 8 зі стрілкою 6. Рамка 5 намотана на легкому алюмінієвому каркасі, у якому при русі виникають вихрові струми, що сприяють заспокоєнню її коливань. Струм підводиться до рамки через спіральні пружинки 7, що створюють

де W – коефіцієнт, що залежить від пружності пружинки. Коефіцієнт пропорційності між кутом відхилення й силою струму називається чутливістю ВМ по струму. Як витікає з (1.2), при сталості індукції в зазорі чутливість магнітоелектричного ВМ постійна й шкала лінійна.

При протіканні по обмотці рамки змінного в часі струму i(t) вираження (1.1) буде описувати зв'язок миттєвих значень струму рамки і діючого на неї обертаючого моменту.

Якщо частота зміни струму набагато менша частоти власних механічних коливань рухливої частини ВМ, то відхилення рамки визначається миттєвими значеннями її струму. Такий режим роботи характерний для приладів, що реєструють, наприклад, самописа.

Частота власних механічних коливань рамки мала й у більшості випадків при проведенні радіовимірювань частота струму рамки значно переверщує її. У цьому випадку кут відхилення рамки пропорційний середньому значенню струму (його постійної складової)

де T – період вимірюваного струму або інтервал усереднення, обумовлений постійною часу рухливої частини ВМ, для неперіодичних струмів.

6

Магнітоелектричні прилади для виміру постійних струмів і напруг будуються по схемах, зображеним на рис. 1.2, а, б, в.

Безпосередньо магнітоелектричний ВМ, без додаткових елементів, використовують для виміру малих струмів (рис. 1.2, а) і напруг. При вимірі струмів ВМ включають послідовно з опором навантаження Rн. Для виміру

значних струмів використають схему (рис. 1.2, б) з паралельним резистором

– шунтом Rш, по якому тече більша частина вимірюваного струму. Межа виміру струму амперметра із шунтом визначається в такий спосіб:

де Rp – опір рамки ВМ; Ipo – струм повного відхилення рамки.

Для розширення діапазону вимірюваних напруг використають додаткові резистори Rд (рис. 1.2, в). ВМ з послідовно включеним з ним додатковим

резистором підключають до клем, на яких виміряється напруга (паралельне включення). При цьому межа виміру

а) б) в)

Рис. 1.2. Схеми включення магнітоелектричних вимірювальних механізмів

Для виміру змінних струмів разом з магнітоелектричним ВМ використовують додаткові діодні випрямлячі. Це дозволяє вимірювати средньовипрямлене значення струму

Iср.в. 1 T i t dt ,

T 0

SBnW Icр.в.

Властивості магнітоелектричних приладів. При роботі зі змінними струмами прилади вимірюють тільки постійну складову струму, що протікає через прилад (1.3). У магнітоелектричному ВМ застосовують постійні

7

магніти з високим значенням величини магнітної індукції B, що забезпечує високу чутливість механізму. По тій же причині цей ВМ мало чутливий до зовнішніх магнітних полів. Крім того, на магнітоелектричний ВМ не діють високочастотні наведення.

Магнітоелектричні ВМ відносяться до числа точних. При використанні в них високостабільных магнітів можуть бути створені прилади класів точності до 0,05.

До недоліків приладів цієї системи можна віднести їх відносно високу вартість і малу стійкість до перевантажень, обумовлену тим, що рамка ВМ, намотувана тонким проводом, при значних струмах може вигорати.

1.1.2. Електродинамічні електровимірювальні прилади

Пристрій електродинамічного ВМ пояснюється на рис. 1.3, а. Робота його заснована на взаємодії магнітних полів нерухомої й рухливої котушок зі струмами, взаємне розташування яких пояснюється рис. 1.3, б. Нерухому котушку 1 виконують звичайно із двох частин, між якими проходить вісь із

де dA – робота, яка виконується при повороті рамки на кут d ; Wэм– енергія електромагнітного поля в ВМ. Для електродинамічного ВМ

де Lв й Lр– індуктивності рухливої й нерухомої котушок відповідно; iв і iр–

миттєві значення струмів, що протікають через котушки; M – взаємна індуктивність котушок.

8

При повороті рамки зміна енергії електромагнітного поля відбувається за рахунок зміни взаємної індуктивності рухливої й нерухомої котушок. Використовуючи (1.6) і (1.7), можна показати, що

де K і Т мають той же зміст, що й у формулах (1.2) і (1.3). Електродинамічні прилади будуються за схемою з послідовним,

паралельним або незалежним включенням котушок, що ілюструє рис. 1.4 а, б, в, де показані відповідно схеми вольтметра, амперметра й ваттметра.

Рис. 1.4. Схеми включення електродинамічних вимірювальних механізмів

Використовуючи (1.8), можна показати, що для схеми, зображеної на рис. 1.4, а,

напруги. При підборі форми й взаємного розташування котушок прагнуть виконати наступну умову, при якій кут відхилення рамки пропорційний

Uизм:

Для схеми, зображеної на рис. 1.4, б, можна в такий же спосіб одержати

9

(1.11) подібний до (1.9), умова лінеаризації шкали в цьому випадку буде аналогічна до (1.10).

Для схеми, зображеної на рис. 1.4, в,

де Pн – активна потужність у навантаженні Zн. З вираження (1.12) витікає

умова лінеаризації шкали ваттметра dM / d const , при виконанні якого відхилення рамки приладу пропорційне Pн.

На практиці вдається зробити шкалу електродинамічних приладів рівномірною, починаючи з 15...20% від кінцевого її значення.

Властивості електродинамічних приладів. Електродинамічні амперметри й вольтметри вимірюють середньоквадратичне значення струму або напруги й тому можуть використовуватися для вимірів у ланцюгах не тільки постійного, але й змінного струму.

Електродинамічні прилади є найбільш точними серед інших приладів змінного струму, оскільки в них відсутні феромагнітні елементи й, отже, відсутні й похибки, пов'язані з нелінійністю й нестабільністю феромагнетиків. Клас точності цих приладів - до 0.05 і краще. Така незначна похибка, однак, має місце тільки на низьких частотах (до 1.5 кгц), де не позначається вплив індуктивності котушок.

До недоліків приладів цієї системи варто віднести чутливість до зовнішніх магнітних полів і наведень, що вимагає ретельного екранування. Крім того, чутливість в електродинамічних приладів менша, ніж у приладів магнітоелектричних. Це викликано неможливістю істотного збільшення параметра dM / d в системі зв'язку котушок.

1.1.3. Електромагнітні електровимірювальні прилади

Пристрій електромагнітного ВМ показаний на рис. 1.5. Робота його заснована на взаємодії рухливого феромагнітного сердечника 2, укріпленого разом зі стрілкою 4 на осі 3, з нерухомою котушкою 1, якою тече струм. Спіральна пружинка 5 використовується тут тільки для створення протидіючого моменту. Заспокоєння коливань рухливої частини відбувається за рахунок вихрових струмів, що виникають у феромагнітному сердечнику 2.

10