Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы научных исследований в электроэнергетике. Учебное пособие
.pdf
Измерение – совокупность операций для определения отношения
y
одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за
единицу, хранящуюся в средстве измерения. Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение
совместно с обозначением используемой единицы измерения называется
значением физической величины. Измерение физической величины включает в себя этапы: сравнение измеряемой величины с единицей; преобразование в форму, удобную для использования.
Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение измеряемой величины находят непосредственно сравнением с единицей измерения.
Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение
измеряемой величины находят из зависимостей между этой величиной и
величинами, определёнными прямыми измерениями.
Принцип измерения – совокупность физических явлений, на которых
основано измерение.
Средство измерения (измерительное средство) – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.
Показания средства измерения – результат измерения физической
величины, определяемый по отсчётному устройству и выраженный в принятых единицах этой величины.
Градуировочная характеристика средства измерения – зависимость
между значениями величин на выходе и входе средства измерения, составленная в виде таблицы, графика или формулы.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для
которой нормированы допускаемые погрешности средства измерения.
Предел измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона
измерений.
Точность измерения – степень приближения результата измерения к
истинному значению измеряемой величины. Погрешность (ошибка) измерения – величина отклонения измеренного значения от истинного.
Абсолютная погрешность измерения
y
– погрешность измерения,
выраженная в единицах измеряемой величины
yyy
, (3.9)
И
где
y – измеренное значение;
И
– истинное значение.
Относительная погрешность измерения
ной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины
y
Приведённая погрешность
y
. (3.10)
y
91
y
– отношение абсолют-
y
где
y ,
max
y – максимальное и минимальное значения измеряемой вели-
min
, (3.11)
yy
minmax
чины.
Измерения сопровождаются следующими погрешностями:
- случайные, они имеют случайную природу и причины их неизвест-
ны;
- систематические, обусловленные несовершенством методов и
средств измерений, их значения при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются по известным законам;
- грубые (промахи), которые вызваны неправильными действиями
исполнителей, неисправностями средств измерений.
3.4.2. Меры величин и методы измерений
Мера физической величины – средство измерений в виде какоголибо тела, вещества или устройства, предназначенное для воспроизведения
и хранения физической величины одного или нескольких заданных
размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Виды мер:
- однозначная мера воспроизводит физическую величину одного
размера, например, гиря 1 кг;
- многозначная мера воспроизводит физическую величину разных
размеров, например, штриховая мера длины;
- набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физиче-
ской величины, например, набор концевых мер длины;
- магазин мер – набор мер, конструктивно объединённых в единое
устройство, например, магазин электрических сопротивлений;
- стандартный образец – мера в виде вещества, при помощи которой
размер физической величины воспроизводится как свойство или как состав
вещества, из которого изготовлен стандартный образец.
Метод измерения – совокупность приёмов использования принципов
и средств измерений. Методы измерений отличаются организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения. Методы измерений
подразделяются на две группы: непосредственной оценки; сравнения.
При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, то есть без обратной связи). На этом методе основаны все показывающие приборы (вольтметры, амперметры,
ваттметры, счётчики электрической энергии, термометры, тахометры и
т.п.). При использовании данного метода измерений мера как веществен-
y
92
ное воспроизведение единицы измерения, как правило, непосредственно в
процессе измерения не участвует. Сравнение измеряемой величины с единицей измерения осуществляется косвенно путём предварительной градуировки измерительного прибора с помощью образцовых мер или образцовых измерительных приборов. Точность измерения по методу непосредственной оценки ограничивается точностью применяемых измерительных
приборов.
Методы сравнения – методы измерений, при которых измеряемую
величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Примеры: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирь; измерение
напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента.
Методы сравнения в свою очередь включают в себя методы: противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения и совпадений.
Метод сравнения, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с
помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами, называется методом противопоставления. Например, измерение массы
на рычажных весах с помещением её и уравновешивающих гирь на две
чашки весов при известном соотношении плеч рычага весов. В этом случае
при качественном выполнении устройства сравнения (малое трение в опорах, стабильность соотношения плеч рычага и т.п.) может быть достигнута
высокая точность измерений.
Дифференциальный метод заключается в том, что на измерительный
прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получать результаты
измерений с высокой точностью даже в случае применения относительно
неточных измерительных приборов, если с большой точностью воспроизводится известная величина. Эффект повышения точности результатов измерений, достигаемый при дифференциальном методе, оказывается тем
значительнее, чем ближе значение меры к истинному значению измеряемой величины.
В том случае, когда результирующий эффект воздействия величин на
прибор сравнения доводят до нуля, дифференциальный метод превращается в нулевой. В нулевом методе измерений используемая мера должна
быть изменяемой (регулируемой), а прибор сравнения выполняет функции
индикатора равенства нулю результирующего воздействия измеряемой величины и меры. Нулевой метод позволяет получить высокие точности измерений и широко используется, например, при измерениях электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
Метод замещения состоит в замене измеряемой величины известной
величиной, воспроизводимой мерой. Это, например, взвешивание с поочередным помещением массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод за-
93
мещения можно рассматривать как разновидность дифференциального или
нулевого метода, отличающуюся тем, что сравнение измеряемой величины
с мерой производится разновременно.
Метод совпадений заключается в том, что разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Примерами
этого метода являются измерения длины с помощью штангенциркуля, измерение частоты вращения стробоскопом.
3.4.3. Виды и характеристики измерительных приборов
Измерительные приборы – устройства, позволяющие получить информацию о параметрах и состоянии различных процессов и объектов,
воспроизводящие эту информацию и регистрирующие её. Известно большое количество измерительных приборов, они классифицируются по измеряемым величинам, классу точности, способу представления результата
измерения, принципам действия.
Класс точности является основной метрологической характеристикой прибора, определяющей его максимальную возможную погрешность,
влияющую на точность измерения. Для стрелочных приборов принято указывать класс точности, записываемый в виде числа, которое показывает
максимальную возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне
работы прибора. Например, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0…30 В, класс точности 1,0 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,3 В.
Относительная погрешность результата, полученного с помощью указанного вольтметра, зависит от значения измеряемого напряжения, становясь
недопустимо высокой для малых напряжений. При измерении напряжения
0,5 В погрешность составит 60 %, а следовательно, этот прибор не годится
для исследования процессов, в которых напряжение меняется на 0,1…0,5
В.
Погрешность прибора складывается из основной и дополнительных
погрешностей. Основная погрешность – разность между показаниями данного прибора и эталонного при нормальных условиях. Дополнительные
погрешности вызваны отклонениями от нормальных условий, они выражаются в процентах, соответствующих изменению мешающего фактора на
определённое значение.
Обычно цена наименьшего деления шкалы стрелочного прибора согласована с погрешностью самого прибора. Если класс точности используемого прибора неизвестен, то за погрешность принимают половину цены
его наименьшего деления.
94
Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения
показания измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.
В зависимости от класса точности измерительные приборы бывают:
высокоточные (эталонные), точные и технические (рабочие).
По способу представления результата измерения измерительные
приборы бывают:
- показывающие, которые воспроизводят мгновенные значения из-
меряемых величин;
- суммирующие (счётчики), они показывают интегральные значения
измеряемых величин, таких как пройденный путь, объём газа или жидкости, количество электроэнергии, количество заготовок, кадров;
- регистрирующие, эти приборы записывают результаты измерений в
течение определённых промежутков времени на носители информации.
Показывающие приборы представлены стрелочными и цифровыми
приборами, а также осциллографами. Стрелочные приборы имеют шкалу и
стрелку, показывающую результат измерения на шкале. Диапазон показаний стрелочного прибора включает область значений шкалы, ограниченную конечным и начальным значениями шкалы. Цифровые приборы имеют табло, на котором результат воспроизводится в виде числа. Осциллографы представляют результаты измерений на своих экранах в виде графиков, по оси абсцисс которых отложено время, а по оси ординат – измеряемая величина. Такие графики называют осциллограммами.
Калибровка измерительных приборов – установление зависимости
между показаниями прибора и размером измеряемой величины; процесс
подстройки показаний выходной величины до достижения согласования
между эталонной величиной на входе и результатом на выходе с учётом
оговоренной точности.
3.4.4. Классификация электроизмерительных приборов
Электроизмерительные приборы – устройства, применяемые для
измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят кроме собственно электроизмерительных приборов и другие средства измерений: меры, преобразователи, комплексные
установки. Электроизмерительные приборы могут подключаться к электрическим цепям непосредственно или через измерительные трансформаторы.
Средства электрических измерений широко применяются в
энергетике, связи, промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в
научных исследованиях, медицине, а также в быту – для учёта потребляемой электроэнергии. Используя специальные датчики для преобразования
неэлектрических величин в электрические, электроизмерительные прибо-
95
ры можно использовать для измерения самых разных физических величин, что ещё больше расширяет диапазон их применения.
Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительных приборов является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:
- амперметры (измерение силы электрического тока);
- вольтметры (измерение электрического напряжения, ЭДС);
- омметры (измерение электрического сопротивления);
- логометры – магнитоэлектрические приборы для измерения отно-
шения сил двух электрических токов;
- меры сопротивления (воспроизведение заданных сопротивлений);
- частотомеры (измерение частоты колебаний электрического тока);
- ваттметры и варметры (измерение мощности электрического тока);
- мультиметры или тестеры, авометры – комбинированные приборы;
- электрические счётчики (измерение потреблённой электроэнергии).
Для контроля качества электроэнергии используют: анализаторы качества электрической энергии; регистраторы фактических значений показателей качества электроэнергии (ПКЭ); осциллографы.
Существуют классификации электроизмерительных приборов и по
другим признакам:
- назначению (измерительные приборы, меры, измерительные преоб-
разователи, измерительные установки и системы);
- способу представления результатов измерений (показывающие,
суммирующие, регистрирующие);
- методу измерения (приборы непосредственной оценки и приборы
сравнения);
- способу применения и по конструкции (щитовые, закрепляемые на
щите или панели, переносные и стационарные);
- принципу действия: электромеханические (магнитоэлектрические;
электромагнитные; электродинамические; электростатические; ферродинамические; индукционные; магнитодинамические); электронные (в том
числе микропроцессорные); термоэлектрические; электрохимические.
3.4.5. Амперметры и вольтметры
Амперметр – прибор для измерения силы тока. Шкалу амперметров
градуируют в микроамперах (мкА), миллиамперах (мА), амперах (А), килоамперах (кА) в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком
электрической цепи, силу тока в котором измеряют. Чем ниже внутреннее
сопротивление амперметра (в идеале оно равно нулю), тем меньше будет
его влияние на исследуемый объект, и тем выше точность измерения. Для
увеличения предела измерений амперметр снабжается шунтом (для цепей
96
постоянного и переменного тока), трансформатором тока (только для цепей переменного тока), или магнитным усилителем (для цепей постоянного тока). Комплектное устройство из токоизмерительной головки и трансформатора тока специальной конструкции называется
токоизмерительными клещами.
По конструкции амперметры бывают со стрелочной измерительной
головкой (без электронных схем; с электронными схемами), с цифровым
индикатором. Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол крена, пропорциональный величине измеряемого тока.
Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными,
электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими. Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу
любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.
Приборы со стрелочной головкой могут снабжаться дополнительными электронными схемами для усиления сигнала, подаваемого на головку
(для измерения токов, существенно меньших, чем ток полного отклонения
головки, который для большинства магнитоэлектрических приборов составляет 50 мкА и более), защиты головки от перегрузки. Принципы действия наиболее распространённых в амперметрах систем измерения:
- в магнитоэлектрической системе прибора крутящий момент стрелки создаётся благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки (вращающий момент);
с рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале; угол поворота стрелки устанавливается при равенстве вращающего момента и момента
пружины;
- в электромагнитной системе прибора вращающий момент стрелки
создаётся между катушкой и подвижным ферромагнитным сердечником, к
которому прикрепляется указательная стрелка;
- в электродинамической системе измерительная головка состоит из
неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно; взаимодействие между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею
стрелки;
- во всех вышеуказанных системах угол поворота стрелки устанавливается при равенстве вращающего момента и момента сопротивления пружины;
В электрической цепи амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при больших токах – через трансформатор тока, магнитный усилитель или шунт. Для измерения токов может также применяться милли-
97
вольтметр и калиброванный шунт (первичные токи шунтов могут быть
выбраны из стандартного ряда, вторичное напряжение стандартизировано
– чаще всего 75 мВ). При высоких напряжениях (выше 1000В) – в цепях
переменного тока для гальванической развязки амперметров также применяют трансформаторы тока, а цепях постоянного тока – магнитные усилители.
В последнее время приборы со стрелочной измерительной головкой
стали вытесняться приборами с цифровым индикатором на основе жидких
кристаллов и светодиодов.
Вольтметр – измерительный прибор непосредственного отсчёта для
определения напряжения или ЭДС в электрических цепях, который подключается параллельно нагрузке или источнику ЭДС. Идеальный вольтметр должен обладать бесконечно большим внутренним сопротивлением,
поэтому, чем выше внутреннее сопротивление в реальном вольтметре, тем
меньшее влияние он оказывает на измеряемый объект, следовательно, выше будет точность. По принципу действия вольтметры бывают:
- электромеханические (магнитоэлектрические, электромагнитные,
электродинамические, электростатические);
- выпрямительные;
- термоэлектрические;
- электронные (аналоговые и цифровые).
Классификация вольтметров по назначению: постоянного тока; переменного тока; импульсные; фазочувствительные; селективные. По конструкции и способу применения: щитовые, переносные, стационарные.
Магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и
электростатические вольтметры представляют собой измерительные механизмы соответствующих типов с показывающими устройствами. Для увеличения предела измерений используются добавочные сопротивления.
Технические характеристики таких вольтметров во многом определяются
чувствительностью магнитоэлектрического измерительного прибора, чем
меньше его ток полного отклонения, тем более высокоомные добавочные
резисторы можно применить.
Принцип действия выпрямительных вольтметров состоит в сравнении посредством вакуумного диода пикового значения измеряемого напряжения с эталонным напряжением постоянного тока внутреннего регулируемого источника вольтметра. Преимущество – широкий рабочий
диапазон частот (от единиц герц до сотен мегагерц), высокая точность измерения. Недостатком является чувствительность к отклонению формы
сигнала от синусоидальной.
Аналоговые электронные вольтметры помимо магнитоэлектрического измерительного прибора и добавочных сопротивлений содержат
измерительный усилитель (постоянного или переменного тока), который
позволяет иметь более низкие пределы измерения (до десятков единиц
98
милливольт (мВ) и ниже), существенно повысить входное сопротивление
прибора, получить линейную шкалу на малых пределах измерения переменного напряжения.
Цифровые электронные вольтметры преобразовывают измеряемые
постоянное или медленно меняющееся напряжение в цифровой код с помощью АЦП, который отображается на табло в цифровой форме. В настоящее время разработаны новые типы вольтметров, такие как В7-83
(пробник 20 мм) и ВК3-78 (пробник 12 мм), с характеристиками аналогичными выпрямительным вольтметрам. Из иностранных аналогов можно выделить вольтметры серии URV фирмы Rohde&Schwarz с пробниками диаметром 9 мм.
Импульсные вольтметры предназначены для измерения амплитуд
периодических импульсных сигналов с большой скважностью и амплитуд
одиночных импульсов.
Фазочувствительные вольтметры (векторметры) служат для измерения квадратурных составляющих комплексных напряжений первой гармоники, их снабжают двумя индикаторами для отсчёта действительной и
мнимой составляющих комплексного напряжения. Таким образом, фазочувствительный вольтметр позволяет определить комплексное напряжение, а также его составляющие, принимая за нуль начальную фазу некоторого опорного напряжения. Фазочувствительные вольтметры очень пригодны для исследования амплитудно-фазовых характеристик четырехполюсников, например усилителей.
Селективные вольтметры могут выделять отдельные гармонические
составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное
значение их напряжения. В комплекте с измерительными антеннами селективные вольтметры можно применять в качестве измерительных приёмников.
3.4.6. Омметры, логометры, меры сопротивления
Омметр – измерительный прибор непосредственного отсчёта для
определения электрических активных (омических) сопротивлений. Обычно
измерение производится по постоянному току, однако, в некоторых электронных омметрах возможно использование переменного тока. Виды омметров в зависимости от диапазонов измеряемых сопротивлений:
- микроомметры предназначены для измерения очень малых сопро-
тивлений (менее 1мОм);
- миллиомметры обеспечивают измерение малых сопротивлений от 1
мОм до 1 Ом;
- омметры имеют диапазоны измерений от 1 Ом до 106 Ом;
- мегаомметры предназначены для измерения больших сопротивле-
ний 1…1000 МОм;
99
- гигаомметры позволяют измерять сопротивления более 1 ГОм
(1000 МОм);
- тераомметры предназначены для измерения очень больших сопро-
тивлений (1…1000 ТОм);
- измерители сопротивления заземления – специальные омметры для
измерения переходных сопротивлений в устройствах заземления.
По исполнению омметры бывают: щитовые, лабораторные и переносные, по принципу действия: магнитоэлектрические с магнитоэлектрическим измерителем или магнитоэлектрическим логометром (мегаомметры), электронные (аналоговые или цифровые).
Магнитоэлектрический омметр измеряет силу тока, протекающего
через измеряемое сопротивление при постоянном напряжении источника
питания, с помощью магнитоэлектрического микроамперметра. Для измерения сопротивлений от сотен ом до нескольких мегаом измеритель (микроамперметр с добавочным сопротивлением) и измеряемое сопротивление
включают последовательно. Магнитоэлектрический омметр имеют нелинейную шкалу, которая является обратной (нулевому значению сопротивления соответствует крайнее правое положение стрелки прибора). Перед
началом измерения сопротивления необходимо выполнить установку нуля
специальным регулятором на передней панели при замкнутых входных
клеммах прибора, так как точность измерения сопротивления зависит от
напряжения источника питания.
Поскольку типичное значение тока полного отклонения магнитоэлектрических микроамперметров составляет 50…200 мкА, для измерения
сопротивлений до нескольких мегаом достаточно напряжения питания, которое даёт встроенная батарейка. Более высокие пределы измерения
(10…1000 МОм) требуют использования внешнего источника постоянного
напряжения порядка десятков, сотен вольт. Для получения предела измерения 0,1…1 кОм необходимо уменьшить величину добавочного сопротивления и соответственно увеличить ток полного отклонения измерителя
путём добавления шунта. При малых значениях измеряемого сопротивления (до нескольких ом) применяется другая схема: измеритель и измеряемое сопротивление включают параллельно, при этом измеряется падение
напряжения на измеряемом сопротивлении при неизменном значении тока.
Основой логометрических мегаомметров является логометр, к плечам которого подключаются в разных комбинациях (в зависимости от предела измерения) образцовые внутренние резисторы и измеряемое сопротивление, показание логометра зависит от соотношения этих сопротивлений. В качестве источника высокого напряжения, необходимого для проведения измерений, в таких приборах обычно используется механический
индуктор – электрогенератор с ручным приводом, в некоторых мегаомметрах вместо индуктора применяется полупроводниковый преобразователь
напряжения.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]