Сборник ЛР по «Метрология», «Электрические измерения», «Информационно-измерительная техника»

Лабораторная работа Me 5

60

80

100

Надо помнить, что, как и в работе № 1 , измерительный прибор по­ веряется только на отметках шкалы, имеющих цифры. К каждой отметке следует обеспечить плавный подход подвижной части прибора сначала со стороны меньших значений. Произведя измерения на конечной отметке шкалы, следует увеличить значение измеряемой величины на 5 + 10 % , а затем обеспечить плавный подход подвижной части прибора к отметкам шкалы, имеющим цифры, со стороны больших значений. Если подвижная часть прибора останавливается на отметке после нескольких колебаний, то такой замер следует считать недействительным.

Поверка на компенсаторе амперметров, по существу, сведена к измерению тока. Измерение тока проводится посредством измерения на­ пряжения на зажимах образцового резистора, включенного последователь­ но с испытуемым амперметром в цепь измеряемого тока (рис.5.4). Изме­ ряемый ток I определяется по формуле

■'о

где UK - падение напряжения на зажимах образцового резистора, измерен­ ное компенсатором; Ro - сопротивление образцового резистора.

71

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

Результаты замеров при проверке амперметра следует занести в таб­ лицу (табл.5.2). Значения расчетных величин для табл.5.2 находятся анало­ гично, как и для табл. 5.1. Также предварительно на отсчетных декадах вы­

ставляется , чтобы ускорить измерения.

Для измерения сопротивлений резисторов можно использовать схему, изображенную на рис.5.5. Последовательно с образцовым резисто­ ром Ro в цепь включают измеряемый резистор Rx. Напряжение с R0 пода­ ют на зажимы компенсатора Х2, а с Rx - на Х|. В целях повышения точно­ сти измерений необходимо стремиться к тому, чтобы сопротивления рези­ сторов по величине были насколько возможно ближе друг к другу.

Значение измеряемого сопротивления вычисляются по формуле

цового резистора; Ux, Uo - напряжения, соответственно, на измеряемом и образцовом резисторах.

Рис.5.5 Схема измерения сопротивлений

72

Лабораторная работа № 5

5.5. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

♦перечень и технические характеристики применяемых приборов;

♦принципиальную схему компенсатора, изображенную на рис.5 Л, и схе­ му поверки прибора;

♦ результаты опытов и расчетов, занесенные в таблицу (табл. 5.1 или 5.2);

♦зависимость поправок от измеряемой величины;

♦заключение о годности прибора.

5.6.Контрольные вопросы

1Почему с помощью компенсатора обеспечивается высокая точность измерений?

2.Какие из резисторов компенсатора, показанного на рис.5.1., должны из­ готавливаться с высокой точностью?

3.С какой целью применяется в компенсаторе нормальный элемент?

4.Каким образом у гальванометра меняется чувствительность?

5.Какое наибольшее напряжение непосредственно можно измерить с по­ мощью компенсатора?

6.Каким образом можно замерить с помощью компенсатора напряжение 115 В?

7.Как можно измерить с помощью компенсатора ток 10 А?

8.Влияет ли температура окружающей среды на точность компенсато­ ра и принимаются ли какие либо меры для снижения влияния?

9.Что вы можете сказать о токе, отбираемом компенсатором от ис­ следуемой цепи?

10.Опишите процедуру установки рабочего тока компенсатора.

14. М ож но ли использовать нормальный элемент для создания рабочего тока компенсатора?

Библиографический список

1. Электрические измерения / Под ред. А.В. Фремке, Е.М. Душина. - Л .: Эн гия, 1987.

73

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПРИБОРОВ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ТОКАХ И НАПРЯЖЕНИЯХ

6.1. Цель работы

Вырабатывать у будущего инженера понимание особенностей изме­ рения переменного напряжения и тока при их несинусоидальности, умение правильно выбрать необходимый для таких измерений тип прибора, про­ анализировать смысл его показаний и уметь их пересчитать.

Практическое значение работы связано с тем, что при испытании и на­ ладке современного оборудования, в особенности электронной аппарату­ ры, инженеру приходится сталкиваться с измерениями резко несинусои­ дальных напряжений и токов, и не всегда такие измерения выполняются технически грамотно.

6.2. Задание

1.Ознакомиться с приборами для проведения этой работы и записать их технические характеристики.

2.Собрать схему, изображенную на рис. 6.6.

3.При разомкнутом ключе S1 с помощью ЛАТРа выставить задаваемые по указанию преподавателя необходимые токи. Записать показания амперметров в таблицу (табл. 6.3). Перенести на кальку форму тока с экрана электронного осциллографа (ЭО). С помощью ваттметра изме­ рить действующие значения токов отдельных гармоник и занести в таблицу (табл. 6.4).

4.Повторить п. 3 задания при замкнутом ключе S1 (без выпрямителя). Данные занести в таблицу (табл.6.3 и 6.4). Необходимо помнить, что сопротивление нелинейной катушки без подмагничивающего тока

(постоянной составляющей) намного больше, чем при его наличии. Во избежание перегрузки приборов перед переключением S 1 обязатель­

но нужно вывести JIATP на 0. После переключения ток выставляется заново.

5.Рассчитать действующие значения тока в обоих случаях и, сопоставив их с показанием прибора электромагнитной системы, дать заключение о точности ваттметрового метода гармонического анализа.

6. При наличии на стенде АЦП или цифрового осциллографа записать цифровую осциллограмму и по ней на компьютере найти гармоники

тока.

74

Лабораторная работа № 6

6.3. Теоретические положения

Приборы различных систем реагируют на разные значения перемен­ ного тока и напряжения и могут давать неодинаковые показания даже при полной исправности каждого прибора.

В качестве примера на рис.6.1 приведены показания вольтметров различных систем при измерении одного и того же пульсирующего напря­ жения с треугольной формой кривой и амплитудой 100 В.

Рис.6.1. Показания приборов различных систем

Вольтметр V) магнитоэлектрической системы показывает постоян­ ную составляющую этого напряжения (50 В).

Вольтметр V 2 электромагнитной системы' и вольтметр V 5 электро­ статической системы - реагируют на действующее значение ( » 57,7 В).

Вольтметры V 3 и V 4 , оба электронной системы, и вольтметр V 6 вы­ прямительной системы дают разные показания: вольтметры V 3 и V 6реаги­ руют на среднее по модулю значение напряжения, но проградуированы в действующих значениях синусоиды (об этом ниже) и показывают ~ 55,5 В, а вольтметр V 4 реагирует на амплитуду переменной составляющей напря­ жения, но проградуирован также в действующих значениях синусоидаль­ ного напряжения, и он показывает » 35,4 В. Наконец, компенсатор пере­ менного тока с синусоидальным рабочим током и резонансным нуль - ин­ дикатором, настроенным на частоту первой гармоники, измеряет дейст­ вующее значение первой гармоники этого напряжения, равное в данном случае » 28.7 В.

Все приборы дают правильные показания, а какое из них использо­ вать зависит от целей измерений и от назначения самой установки, в кото­

1 Предполагается, что этот и другие приборы пригодны для работы на частоте переменной составляю­ щей этого напряжения и его самых больших по амплитуде гармоник.

75

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

рой производятся измерения. Так, если указанное напряжение действует на электродвигатель постоянного тока, интерес представляет его постоянная составляющая; если оно подведено, например, к нагревателю, тепловыде­ ление в этом потребителе будет определяться действующим значением на­ пряжения; если данное напряжение подается на одну из фаз двухфазного или трехфазного асинхронного двигателя, тогда работа такого двигателя будет, в основном, определяться первой гармоникой и постоянной состав­ ляющей.

Для технически грамотного обращения с приборами необходимо вы­ полнить, по крайней мере, три условия:

1) знать, что именно требуется измерить: не просто ток, напряжение, ЭДС, а их определенное значение - действующее, среднее, амплитудное и т.д.;

2) уметь выбрать соответствующий прибор;

3) правильно использовать показание прибора, уметь, если необхо­ димо, пересчитать это показание.

Показания электроизмерительных приборов различных систем при несинусоидальных токах и напряжениях

У стрелочных приборов таких "классических" систем, как магнито­ электрическая, электродинамическая, электромагнитная, электростатиче­ ская, при измерении переменного тока или напряжения показания прибора определяется средним за период значением вращающего момента2 Из этого можно сделать заключение о том, на какое значение измеряемой ве­ личины реагирует тот или иной прибор. У приборов магнитоэлектриче­ ской системы вращающей момент прямо пропорционален току в рамке, и следовательно, средний за период вращающий момент пропорционален среднему за период значению тока, т.е. его постоянной составляющей, в

случае вольтметра - постоянной составляющей напряжения.

Принцип действия прибора электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки с легким подвиж­ ным ферромагнитным сердечником. Вращающий момент такого прибора (мгновенное значение) равен

Поскольку вращающий момент пропорционален квадрату тока, среднее за период значение вращающего момента пропорционально сред­

2 Если частота не ниже «10 Гц; при более низких частотах стрелка прибора заметно вибрирует, качается, и тогда трудно производить измерения.

76

Лабораторная работа № 6

нему за период значению квадрата тока, а это ни что иное как квадрат дей­ ствующего значения тока:

Т

(6.2)

О

Амперметры электромаг нитной системы реагируют на действующее

значение тока, а вольтметры - на действующее значение напряжения, по­ скольку ток в их катушке пропорционален измеряемому напряжению.

Из этого рассуждения следует, что показания всех приборов, вра­ щающий момент которых пропорционален квадрату мгновенного значе­ ния измеряемой величины, определяются при переменном токе средне­ квадратичным, г.е. действующим значением соответствующей величины.

Зная, что мгновенное значение вращающего момента электроста­ тических вольтметров выражается следующим образом:

можно прийти к выводу, что такой вольтметр показывает действующее значение напряжения.

У электродинамических, а также ферродинамических приборов вращающий момент пропорционален произведению двух токов:

где М - коэффициент взаимной индукции между двумя катушками, но оба эти тока в случае амперметров и вольтметров пропорциональны одной и той же измеряемой величине, и следовательно, М, пропорционален i2 и U2, так что и здесь показание определяется действующим значением измеряе­ мой величины.

Две системы приборов, чаще амперметров, основаны на тепловом действии токов. Устаревшая и теперь редко применяемая система - теп­ ловая - основана на удлинении нагреваемой током проволоки, современ­ ная - термоэлектрическая - включает в себя термопреобразователь, со­ стоящий из нагревателя и термопары, и магнитоэлектрический прибор, подключенный к термопаре. Показания приборов обеих систем зависят от выделения тепла, а оно определяется действующим значением тока, и именно его показывают амперметры таких систем. Реже применяемые изза большого потребления мощности вольтметры этих систем также пока­ зывают действующее значение напряжения.

Здесь мы не говорим о приборах индукционной системы, т.к., вопервых, она в настоящее время не применяется для измерения тока и на­ пряжения, а во-вторых, эти приборы весьма чувствительны к частоте тока и форме кривой, и использование их при несинусоидальных токах и на­ пряжениях в любом случае нецелесообразно.

77

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

Выпрямительная система приборов, в которых при измерении пе­ ременного тока или напряжения используется магнитоэлектрический из­ мерительный механизм, включённый через выпрямители (обычно полу­ проводниковые), широко распространена. В частности, повсеместно при­ меняемые в наладочной практике универсальные приборы, как стрелоч­ ные, так и цифровые, часто называемые тестерами, мультиметрами и т.д., при использовании в качестве вольтметра или амперметра переменного тока работают по выпрямительной системе. Выпрямители таких приборов, как правило, двухполупериодные, и они измеряют среднее по модулю зна­ чение переменного тока, но, за редкими исключениями, шкала этих прибо­ ров1градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения или тока.

При несинусоидальных напряжениях и токах применение приборов выпрямительной системы требует большого внимания и продуманности, иначе возможны существенные ошибки. Если несинусоидальное напряже­ ние или ток имеют разную величину и форму положительного и отрица­ тельного полупериодов, т.е. содержат чётные гармоники и, тем более, по­ стоянную составляющую, тогда приборы выпрямительной системы вооб­ ще применять не следует, т.к. их показания в этом случае трудно связать с каким-то определенным значением измеряемой величины. Если же изме­ ряемое напряжение или ток не содержат чётных гармоник и постоянной составляющей, т.е. имеют одинаковые по абсолютной величине и форме положительный и отрицательный полупериоды, тогда для такого напряже­ ния или тока надо знать коэффициент формы Кф, и если прибор выпрями­ тельной системы проградуирован в действующих значениях синусоиды, для которой (Кф)„п« 1,11, для получения действующего значения измеряе­ мой несинусоидальной величины показание прибора надо умножить на

К

( — *-). Разумеется, точность такого пересчета зависит от точности, с кото­

рой известен Кф, а также от точности работы выпрямителя самого прибора. Если речь идет о пульсирующем напряжении, не изменяющем знака, как, например, на рис.6.1, то выпрямительный прибор измеряет, по сути

дела, постоянную составляющую, как и обычный магнитоэлектрический прибор, но если шкала проградуирована в действующих значениях сину­ соиды, отсчет по шкале будет в 1,11 раза больше измеряемой величины. Так, для ситуации, приведенной на рис.6.1, вольтметр V 6 выпрямительной системы измеряет постоянную составляющую, равную 50 В, но показывает 50 1,11 = 55,5 В.

Ещё сложнее обстоит дело с показаниями при несинусоидальных на­ пряжениях вольтметров электронной системы. Они различны по принци­

1 Если прибор универсальный, он обычно имеет отдельные шкалы переменного и постоянного тока. Здесь речь идет о шкапе переменного тока или напряжения.

78

Лабораторная работа N° 6

пу действия, и в зависимости от этого их показания могут определяться разными значениями измеряемой величины. Большинство электронных вольтметров переменного напряжения используют в сочетании с элек­ тронной схемой, магнитоэлектрический измерительный механизм, кото­ рый непосредственно переменное напряжение измерять не может, и следо­ вательно, на входе электронного вольтметра обязательно должен бьггь преобразователь переменного напряжения в постоянное. От вида этого преобразователя и зависит, что именно показывает прибор.

У многих электронных вольтметров имеется на входе так называе­ мый амплитудный детектор, содержащий последовательно включенный конденсатор и выпрямляющий элемент - диод, полупроводниковый или ламповый. Схема такого амплитудного детектора показана на рис.6.2. По­ скольку конденсатор не пропускает постоянной составляющей тока, такой преобразователь и снабженный им вольтметр не могут реагировать на по­ стоянную составляющую напряжения. По этой причине такие приборы на­ зывают вольтметрами с закрытым входом. Параметры схемы подбирают так, чтобы во всем широком диапазоне частот, в котором работают такие вольтметры, напряжение, подаваемое с выхода детектора на вход осталь­ ной схемы прибора, было равно (с нужной точностью) амплитуде пере­ менной составляющей измеряемого напряжения. Отсюда и название де­ тектора. Такой амплитудный вольтметр, однако, обычно градуируется в действующих значениях синусоиды, т.е. напряжение, наносимое, на шкале, в \12 раз меньше, чем то, которое выдает детектор. Именно к такому типу относится вольтметр V 4 (рис.6.1). Амплитуда переменной составляющей на этом вольтметре равна 50 В, а он показывает 50/^2 да 35,4 В.

+

Рис.6.2, Амплитудный детектор с закрытым входом

Ситуация осложняется, когда положительная и отрицательная ам­ плитуды переменной составляющей напряжения не одинаковы. Дело в том, что конденсатор подзаряжается только при одной полярности пере­ менной составляющей напряжения Ux , например, в схеме рис.6.2 при по­ ложительной, так что отрицательное напряжение U на выходе детектора по абсолютной величине равно положительной амплитуде переменной

79

Сборник юбораторных работ по курсу метрологии

составляющей напряжения Ux

Если вольтметр является амплитудным, или, как его ещё называют, пиковым, а требуется определить действующее значение измеряемого не­ синусоидального напряжения, то сделать это можно только в том случае, когда известен коэффициент амплитуды КА для измеряемого напряжения.

Так, если пиковый вольтметр проградуирован в действующих значе­ ниях синусоиды, у которой (KA)s,n = -Л , тогда для получения действующе­ го значения несинусоидального напряжения, имеющего коэффициент ам­ плитуды КА, надо показания прибора умножить на7 2 /К^ Точность таких вычислений зависит от точности, с которой известен КА .

Если положительная и отрицательная амплитуды переменной со­ ставляющей неодинаковы, такой пересчёт делать нежелательно.

Втабл.6.1 приведены коэффициенты амплитуды и формы для неко­ торых распространённых форм напряжения.

Внастоящее время используется большое количество типов элек­ тронных цифровых измерительных приборов. Цифровые вольтметры пе­ ременного напряжения содержат преобразователь переменного напряже­ ния в постоянное, и от типа преобразователя зависит то, какое именно зна­ чение напряжения измеряет данный прибор. Особо следует сказать о циф­ ровых вольтметрах постоянного напряжения. В отличие от магнитоэлек­ трических приборов, которые при пульсирующем напряжении или токе показывают их постоянную составляющую, т.е. усредняют измеряемую величину за период, некоторые цифровые вольтметры вообще не могут применяться на пульсирующем напряжении и токе. Например, цифровой

электронный вольтметр постоянного напряжения типа Ф203, класса точно­ сти 0,1^0,2 «выхватывает» из измеряемого напряжения мгновенное зна­ чение, и если напряжение не является строго постоянным или медленно изменяющимся, такой вольтметр может показать любое значение от мини­ мального до максимального. Другие цифровые приборы интегрируют из­ меряемое напряжение и ведут себя как приборы магнитоэлектрической системы.

В табл. 6.2 приведены сведения о показаниях наиболее распростра­ ненных приборов различных систем, но при сложных формах напряжений, особенно при использовании электронных измерительных приборов, для правильного понимания смысла их показаний приходится подробно зна­ комиться с заводской инструкцией к прибору, в спорных случаях обстоя­ тельно разбираться в работе прибора.

80