Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические измерения. Учебно-методическое пособие к изучению и выполнению практических работ по дисциплине «Электрические измерения» для студентов
.pdf
31
Прибор Ф505 служит для измерения напряжения в цепях переменного то-
ка частотой 45–10 000 Гц, имеет класс точности 1,5 и шкалу со световым отсче-
том. Пределы измерения — 0,75–1,5–3–7,5–15–30–60–150–300 В. Входное сопротивление на всех пределах — 1 МОм. Питание осуществляется от сети пере-
менного тока 127 или 220 В промышленной частоты. Потребляемая мощность
35 В-А, масса 10 кг.
Транзисторный прибор Ф431 служит для измерения малых напряжений в
цепях переменного тока частотой до 1 МГц. Имеет классы точности 2,5 на ча-
стотах 20–20 000 Гц, 4 на частотах 20–100 кГц и 10 на частотах 100 кГц — 1
МГц. Пределы измерения — 5–30–100–300–1000 мВ. Входное сопротивление —
100 кОм на 1 В. Входная емкость — 30–100 пФ. Прибор имеет дополнительный
предел, обозначенный «Индикатор», на котором полное отклонение стрелки соответствует потреблению тока 1 мкА при входном сопротивлении 1,5 кОм. Пи-
тание осуществляется от встроенной батареи КБС-4 напряжением 4 В.
Транзисторный прибор Ф432 позволяет измерять силу тока и напряжение
как постоянного, так и переменного тока частотой 45 Гц — 50 кГц, сопротивление постоянному току и коэффициент передачи.
Прибор ВК7-Б универсальный, предназначен для измерения напряжения
переменного тока низкой (от 40 Гц до 2 кГц) и высокой частот (от 3 кГц до 400
МГц), напряжения и силы постоянного тока, а также сопротивления постоянно-
му току. Пределы измерения: напряжения постоянного тока 100 мВ–1–3–10–30–
100– 300–1000 В; напряжения переменного тока 1–3–10–30–100–300–1000 В,
силы постоянного тока 1–10–100 мкА–1–10–100 мА–1 А, сопротивления постоянному току 1–10–100–1000–10 000–100 000 Ом (при использовании внешнего
источника постоянного тока напряжением 10–15 В пределы измерения могут
быть расширены до 50 МОм). Погрешности при измерении напряжения составляют до 10 % на пределе 100 мВ, 4 % на остальных пределах для постоянного
тока и 6 % для переменного. Входное сопротивление при измерении напряжения
постоянного тока 1 МОм на 1 В для пределов измерения 100 мВ - 1–3–30 В и 30
МОм на 1 В для пределов 100–300 и 1000 В.
Метод двух вольтметров. Сущность этого метода заключается в том, что
напряжение на участке электрической цепи измеряют два раза, используя воль-
тметры V1и V2 (рис. 3) с разными внутренними сопротивлениями r1и r2, величина которых известна.
Сначала подключают параллельно контролируемому участку (между точ-
ками а и б) один вольтметр, например V1, и записывают его показания U1, затем
- параллельно контролируемому участку второй вольтметр V2, переведя переключатель П в нижнее положение, и записывают показания U2 второго вольтметра. После этого истинное напряжение на контролируемом участке Uаб определяют по формуле:
32
Рис. 3.3 - Измерение напряжения в высокоомной цепи двумя
вольтметрами
Измерение можно производить не только двумя вольтметрами, но и мно-
гопредельным вольтметром на разных пределах измерения и одним однопредельным вольтметром, выполняя им второе измерение с включенным последовательно известным резистором, сопротивление которого соизмеримо с внутренним сопротивлением вольтметра. Методом двух вольтметров можно с допу-
стимой точностью определять напряжение на контролируемом участке а - б,
даже при небольших внутренних сопротивлениях используемых вольтметров,
если оба измерения проводятся при одном и том же напряжении U, подводимом
к проверяемой электрической цепи.
Компенсационный метод. Сущность этого метода измерения заключается
в том, что напряжение на контролируемом участке а – б электрической цепи
(рис. 3.4) сравнивают с известным напряжением вспомогательного источника
постоянного тока. Установив движок реостата Р в такое положение, чтобы индикатор тока Г (гальванометр) показывал отсутствие уравнительного тока меж-
ду контролируемым участком а – б электрической цепи и вспомогательным источником Б постоянного тока, снимают показания вольтметра V. Напряжение,
показываемое вольтметром V, очевидно, равно в этом случае измеряемому
напряжению U контролируемого участка а - б.
Рис. 3.4 - Компенсационный метод измерения напряжения
Измерение мощности переменного тока. Электрическая мощность -
один из важнейших режимных параметров, характеризующий расход электро-
33
энергии за единицу времени. В цепях постоянного тока мощность зависит от
силы тока, протекающего по нагрузке, и напряжения, приложенного к послед-
ней, и связана с ними простым соотношением P – U1. Поскольку имеется опре-
деленная зависимость между силой тока и напряжением (закон Ома), мощ-
ность, рассеиваемую на активном сопротивлении r, можно определить по формулам:
Р – Рг, или Р = I·U,
где Р - электрическая мощность,
I - сила тока,
U - напряжение.
В цепях переменного тока такие соотношения применяют только для
нагрузок с чисто активным сопротивлением (лампы накаливания, печи сопротивления, электронагревательные бытовые приборы), а при наличии в электрических цепях индуктивных и емкостных сопротивлений приходится учитывать
и фазовый сдвиг между током и напряжением, выражаемый через коэффициент
мощности (cosφ). При этом различают мощности: активную Р, за счет которой
совершается работа, связанная с преобразованием электрической энергии в
другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую и др.), реактив-
ную (безваттную) Q, идущую на создание магнитного поля в цепях с индуктив-
ностью (в электродвигателях, трансформаторах, воздушных линиях электропередачи, реакторах и др.), или электрического поля в цепях, обладающих электрической емкостью (кабельных и воздушных линиях электропередачи, кон-
денсаторах и др.), полную (кажущуюся):
В цепях однофазного переменного тока, зная напряжение U, приложенное
к нагрузке, силу тока I, протекающую по ней, и сдвиг фаз между напряжением
U и силой тока I, активную, реактивную и полную мощности можно определить
по формулам:
причем активную мощность, как и в цепях постоянного тока, измеряют в
ваттах, киловаттах и мегаваттах; полную мощность - в вольт-амперах (В·А),
киловольтамперах (кВ·А) и мегавольт-амперах (MB·А); реактивную мощность
- в варах, киловарах и мегаварах.
Активное сопротивление в цепях переменного тока соответствует сопро-
тивлению в цепях постоянного, но по величине может оказаться больше или
меньше сопротивления постоянному току, определяемому для проводников
электрического тока.
34
Это объясняется поверхностным эффектом, заключающимся в вытесне-
нии переменного тока от центра проводника к его поверхности, в связи с чем
как бы уменьшается эффективное сечение проводника, и дополнительными потерями в диэлектрике (диэлектрический гистерезис), стальных и магнитопроводах и магнитопроводящих материалах, окружающих проводники с током (магнитный гистерезис) и, наконец, с вихревыми токами, возникающими в массив-
ных электропроводящих конструкциях, окружающих проводник с током.
При пусконаладочных работах применяют как непосредственный, так и
косвенный методы измерения мощности. При непосредственном измерении
мощности пользуются ваттметрами, а при косвенном сначала измеряют другие
величины, а затем, используя известные зависимости между этими величинами
и мощностью, определяют мощность.
Для непосредственного измерения мощности обычно применяют пере-
носные однофазные и реже трехфазные ваттметры активной мощности. При
подборе ваттметра и сборке измерительной схемы необходимо учитывать соотношение между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением обмо-
ток ваттметра (токовой и напряжения). Если сопротивление нагрузки rн соизме-
римо с сопротивлением токовой цепи ваттметра или меньше ее, ваттметр сле-
дует >включать по следующей схеме (рис. 3.5, а). Когда сопротивление нагруз-
ки соизмеримо с сопротивлением цепи напряжения ваттметра или больше него,
ваттметр нужно включать по следующей схеме (рис. 3.5, б).
Более точные результаты можно получить, учитывая мощность, потреб-
ляемую самим ваттметром. Для этого при включении ваттметра по схеме, изоб-
раженной на рис. 3.5, а, зная сопротивление rн цепи напряжения ваттметра и
измерив напряжение U, приложенное к нагрузке, из показаний ваттметра надо
вычесть мощность, потребляемую его цепью напряжения r
н
, определив ее по
формуле или замерив тем же прибором при отключенной нагрузке.
При включении ваттметра по схеме, приведенной на рис. 3.5, б, зная со-
противление его токовой цепи r1 и измерив силу тока I
и
, протекающего по
нагрузке, из показаний ваттметра следует вычесть мощность Pi – P
rj
, потребля-
емую его токовой цепью.
Рис. 3.5 - Схемы включения ваттметра: а, б - принципиальные;
в - монтажная
35
При включении ваттметра в контролируемую цепь необходимо учитывать
полярность его выводов (начала токовой обмотки и обмотки напряжения). Они
обычно обозначаются звездочками. На рис. 5 показано правильное включение
ваттметра при непосредственном включении его в проверяемую цепь, а ниже
(рис. 3.6) - правильное включение ваттметра через измерительные трансформа-
торы. При правильном включении ваттметра, если мощность положительна, то
есть направлена от источника питания к нагрузке, стрелка прибора отклонится
вправо; если мощность отрицательна, то есть направлена в сторону источника
питания, стрелка прибора сместится влево.
Рис.3.6 - Включение ваттметров через измерительные трансформаторы:
а -через трансформаторы тока; б - через трансформаторы тока и напряжения
По этой причине, чтобы произвести отсчет показаний ваттметра, прихо-
дится менять местами провода, подходящие к его обмотке напряжения, а если
ваттметр снабжен переключателем полярности, достаточно переключить последний в другое фиксированное положение. Обычно эти положения отмечены
знаками «+» и «–». После этого стрелка ваттметра отклонится вправо, можно
будет снять его показания, но записывать их следует уже со знаком «–».
Переносные ваттметры активной мощности обычно градуируют при ко-
эффициенте мощности, равном единице. Предел измерения по мощности при
этом равен произведению номинальных значений тока и напряжения.
Например, если номинальный ток ваттметра 5 А, а номинальное напря-
жение 300 В, предел измерения его по мощности будет 300 × 5 = 1500 Вт. Если
шкала прибора разбита на 100 делений, каждое деление ваттметра (цена деления) будет соответствовать 15 Вт. Если, например, стрелка прибора останови-
лась против 40-го деления, то мощность, показываемая ваттметром, будет равна
15 × 40 = 600 Вт. Малокосинусные ваттметры градуируют при коэффициенте
мощности, отличном от единицы. Цена деления и коэффициент мощности, при
36
котором производилась градуировка, указываются заводом-изготовителем на
шкале прибора и в его паспорте.
Косвенными методами измерения пользуются для определения полной
(кажущейся) мощности S, измеряя силу тока и напряжение, реактивной мощно-
сти, измеряя активную мощность, силу тока и напряжение после подсчета пол-
ной мощности или подсчитывая непосредственно но формуле Q = y·U2P – Р2.
Измерив силу тока I, напряжение U и коэффициент мощности cosφ, можно
определить косвенным методом и активную мощность Р. Однако к косвенному
измерению активной мощности прибегают очень редко.
Косвенный метод измерения мощности применяют также, когда требует-
ся определить среднее значение мощности за длительный период времени,
пользуясь счетчиками (активным для определения активной мощности и реактивным для определения реактивной мощности). Для этого разность показаний
счетчика на начало и конец периода, для которого требуется определить сред-
нюю мощность, следует разделить на длительность этого периода.
В трехпроводной сети трехфазного тока мощность измеряют обычно
двумя однофазными ваттметрами или одним двухэлементным ваттметром
трехфазного тока. При измерении активной мощности ваттметры включают по
следующей схеме (рис. 3.7). При этом если Р1 - показание первого ваттметра
W1, а Р2 - второго ваттметра W2, то мощность Р трехфазного тока определяется
как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров:
Р = Р1+ Р2.
Показания ваттметров записывают со знаком «+», если включение их
точно соответствует приведенной схеме с учетом полярности выводов и при
определенном положении переключателя полярности. При равномерной
нагрузке фаз можно установить зависимость показаний ваттметров от коэффициента мощности. Если cosφ = l, оба ваттметра всегда показывают значения,
одинаковые по знаку и величине (Р
х=Р2
). При cosφ = 0,5 показание одного ват-
тметра равно нулю (при индуктивной нагрузке Р1 = 0, при емкостной нагрузке
Рr= 0).
При cosφ < 0,5 показание одного ваттметра отрицательно (Р при индук-
тивной нагрузке, Р2 при емкостной), а другого положительно (при индуктивной
нагрузке Р2, при емкостной - Рr).
37
Рис. 3.7 - Схема измерения мощности двумя ваттметрами
4. Решение задач
4.1 Цена деления шкалы прибора, погрешности и классы
точности приборов
1. Определить цену деления СI многопредельного электромагнитного
прибора Э377 при включении его на пределы измерения: 300; 750; 1500мА.
Полное число делений шкалы α
max
=75.
Решение: Ценой деления шкалы прибора называют отношение предела
измерения прибора (нормирующее значение шкалы) АN к полному числу делений шкалы α
max.
В данном случае цена деления шкалы миллиамперметра на каждом из его
трех пределов измерения будет равна соответственно:
С
I(300)
=300/75=4мА/дел; С
I(750)
=750/75=10мА/дел;
С
I(300)
=1500/75=20мА/дел.
1. Электродинамический ваттметр Д5016/2 имеет два предела измерения
по току: IN=2,5; 5 А – и шесть – по напряжению: UN=3; 75; 150; 300; 450; 600 В.
Шкала ваттметра односторонняя с числом делений α
max
=150. Определить
цену деления ваттметра С
W
для всех возможных вариантов включения прибора.
Ответ приведен в таблице 1.
Таблица 1
С
W
I
N, А
2.5
5
U
N, В
30
75
150
300
450
600
30
75
150
300
450
600
С
W,
Вт/дел
0.5
1.25
2.5
5
7.5
10 1 2.5 5 10
15
20
Примечание: при расчете использовали расчётную зависимость:
С
W
= U
N,* IN,
/ α
max
, (Вт/дел).
38
2. Для измерения напряжения U-3300В, вольтметр Д5015/2 с нормирую-
щими значениями шкалы UN=75. 150. 300, 600 В включен через измерительный
трансформатор напряжения И510. Шкала вольтметра имеет 150 делений. Опре-
делить цену деления вольтметра Сv на всех пределах измерения, если коэффициент трансформации n=6000/100. Ответ приведен в таблице 2.
Таблица 2
Сv=n*UN/ α
max
UN, В
75
150
300
600
Сv, В/дел
30
60
120
240
3. Амперметр Д5014/2 с пределом измерений 2.5 и 5 А и односторонней
шкалой на 100 делений включен во вторичную обмотку трансформатора тока
И515М. Определить цену деления амперметра С
А,
если коэффициент трансфор-
мации n=50/5. Ответ приведен в таблице 3.
Таблица 3
С
А
=n* IN/ α
max
I
N, А
2,5
5
С
А
, А/дел
0,25
0,5
4. При поверке амперметра переменного тока методом сличения (рису-
нок 4.1) поверяемый прибор А показал I=5А, а образцовый А0 - I0 =5,12А. Нормирующее значение шкалы поверяемого прибора I
N
=10А. Считая показания об-
разцового прибора (I
0
) соответствующее действительному значению измеряемого тока, найти абсолютную и приведенную погрешности поверяемого прибора. Присвоить поверяемому прибору класс точности, считая, что найденная по-
грешность наибольшая.
Рисунок 4.1 – Схема амперметра переменного тока
Решение: Абсолютная погрешность прибора представляет собой раз-
ность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой
величины (показанием образцового прибора):
39
Приведенная погрешность прибора определяется отношением модуля аб-
солютной погрешности к нормирующему значению шкалы прибора [1]:
Класс точности прибора характеризует его свойство в отношении точно-
сти и определяется пределами допускаемой приведенной погрешности прибора.
Согласно ГОСТ 8711-78 «Амперметры и вольтметры в СССР приняты следую-
щие классы точности для указанных приборов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1.5; 2.5;
4,0 и 5.0.
Таким образом обращаясь к принятому ряду классов точности, выбираем
ближайшее большее к γ число, то есть при γ=1.2%, класс точности прибора
К=1,5.
6. В результате поверки вольтметра методом сличения (рисунок 2) полу-
чены данные (таблица 4).
Рисунок 4.2 – Схема вольтметра
Таблица 4 - Исходные данные
U0, В
0
30
50
75
100
150
U, В
0
28,5
49,2
78
102
149
Определить класс точности поверяемого вольтметраV, если его предел
измерения UN=150В, а показания образцового вольтметра V0 приняты за истинные значения измеряемой величины.
Примечание. При поверке прибора записывают его показания при восходящем и нисходящем изменениях напряжения. Из каждой пары этих показаний
в таблицу внесены те, которые наиболее отличаются от показаний образцового
прибора.
Ответ. К=2,5.
7. После ремонта щитового вольтметра Э377 (класс точности КV=1,5,
предел измерения U
N
=150В) произвели поверку основной погрешности прибо-
ра. Наибольшая погрешность ΔU
max
=2,1В была на отметке шкалы U=120В. Со-
хранил ли вольтметр после ремонта свой класс точности?
Ответ: да.
40
4.2 Прямые измерения тока и напряжения с учётом погрешности из-
мерения
8. Амперметр класса точности К=1,5, с нормирующим значением шкалы
IN,=5А, показал при измерении тока I=3А. Определить погрешность измерения.
Решение. Погрешность измерения прибором характеризуют относитель-
ной погрешностью, которая отличается в общем случае от погрешности прибо-
ра (приведённой). Под относительной погрешностью понимают отношение абсолютной погрешности прибора Δ, к истинному значению измеряемой величины А
0
. Так, как это значение не известно, его заменяют близким показанием
прибора А. Таким образом, относительная погрешность измеряется в процен-
тах [1.2].
Пользуясь данными прибора, указанными на его шкале, относительную
погрешность можно вычислить из выражения
Примечание. При этом принято, что приведённая погрешность
Откуда имеем ΔА=К*А
N
/100%
В данном случае относительная погрешность измерения тока
9. В цепь включены последовательно два амперметра, амперметр первый
имеет класс точности К
1
=1,5; нормирующее значение шкалы I
N1
=30А. Ампер-
метр второй имеет соответственно следующие параметры: К
2
=1,5; I
N2
=5А. При-
боры показали 4А. Каким прибором измерение выполнено более точно.
Ответ: δ1=3.75%; δ2=1.875%; измерение вторым амперметром выполнено
точнее, относительная погрешность δ
2<. δ1.
Замечание. Хотя класс точности второго амперметра ниже, чем первого,
однако измеряемая величина в 4а ближе к пределу измерения второго ампер-
метра 5А, чем и объясняется полученный результат.
10. Универсальный комбинированный многопредельный прибор Ц4312
используется для измерений на постоянном и переменном токе. Им можно измерять ток, напряжение и сопротивление. Этот прибор называют авометром
(ампервольтметром) или тестером. На рисунке 4.3 показано положение стрелки
прибора, включенного в цепь для измерения постоянного тока К=1,0.
Определить значение переменного тока I
изм.
При указанных на рисунке
положениях стрелки и переключателя предела измерения и относительную погрешность измерения тока δI. Записать результат измерения неизвестного тока
Iх с учётом относительной погрешности измерения.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]