Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лаб №2 электроизмерит приборы.doc
Скачиваний:
8
Добавлен:
12.04.2015
Размер:
707.58 Кб
Скачать

1. Краткие теоретические сведения

Полученное из опыта значение измеряемой величины может отличаться от ее действительного значения. Это может быть обусловлено конструктивными недостатками прибора, несовершенством технологии его изготовления, а также влиянием различных внешних факторов. Разность между показанием прибора X и истинным значением измеряемой величины X0 называется абсолютной погрешностью измерительного прибора:

∆ = X – X0

Относительная погрешность измерения δ определяется обычно в процентах к истинному значению X0, но так как отклонения X от X0 сравнительно малы, то можно считать, что

δ = ∆/X0 · 100% ≈ ∆/X · 100%

Поскольку величина X при измерении может принимать любые значения в пределах от 0 до XN, где XN – верхний предел диапазона измерения прибора по значению абсолютной или относительной погрешности невозможно. Поэтому было введено понятие приведенной погрешности

γ = ∆/XN.

Значение приведенной погрешности, выраженное в процентах: γ = ∆/XN · 100%, определяет класс точности прибора.

Приведённая погрешность γ = ±100∆/ХN %, где ∆ - абсолютная погрешность, ∆ = ± а, где а – класс точности прибора, ХN – нормирующее значение (принять предельное значение шкалы).

Для контроля режима электрических цепей приходится измерять ряд физических величин: ток, напряжение, мощность, энергию. В цепях переменного тока помимо этого измеряют также частоту, сдвиг по фазе и контролируют форму кривой напряжения и тока.

Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств. Технические средства, которые служат для измерения электрических величин, называются электроизмерительными приборами. Во многих отраслях техники электроизмерительными приборами пользуются также для измерения и контроля неэлектрических величин.

Электроизмерительные приборы служат для сравнения измеряемой электрической величины с единицей измерения. В зависимости от рода измеряемой величины приборы делятся по наименованиям, указанным в таблице 1, где приводятся также их условные обозначения.

Электроизмерительные приборы, кроме того, делятся по признакам: принципу действия, роду тока, степени точности, способу защиты от внешних полей, условиям эксплуатации, характеру применения, способу монтирования и др.

По принципу действия они подразделяются на различные системы в зависимости от используемого физического явления для целей измерения.

К основным выпускаемым в настоящее время системам электроизмерительных приборов относятся следующие: магнитоэлектрическая, термоэлектрическая, выпрямительная, электронная, электромагнитная, электродинамическая, электростатическая индукционная и др.

Измерение тока, потребляемого электрическими цепями, производится амперметрами – электроизмерительными приборами, включёнными последовательно в цепь, в которой измеряется ток. Обмотку амперметра выполняют из небольшого числа витков толстого провода, поэтому она характеризуется очень малым сопротивлением, что необходимо для того, чтобы при включении амперметра в электрическую цепь, в которой производится измерение тока, сопротивление этой цепи практически не изменилось. При этом мощность, потребляемая прибором, оказывается ничтожной.

Включённые таким образом амперметры используют как приборы непосредственной оценки, они показывают числовое значение измеряемого тока.

В цепях постоянного тока в основном применяют амперметры магнитоэлектрической, реже – электромагнитной систем. Обмотка амперметра может допускать ограниченное значение измеренного тока. Для расширения предела измерения амперметра в электрических цепях постоянного тока используют шунты – специальные тарированные резисторы, включаемые параллельно с амперметром (рис. 1а).

Сопротивление шунта Rш, как следует из схемы рис. 1а, включено параллельно сопротивлению Rа обмотки амперметра, поэтому ток I электрической цепи распределяется по соответствующим параллельным её ветвям обратно пропорционально сопротивлениям:

Iа/Iш=Rш/Rа,

где Iш – ток в цепи шунта; Iа – ток в цепи амперметра (показание амперметра).

Для схемы рис. 1а справедливо следующее соотношение между токами в соответствии с первым законом Кирхгофа: I=Iа+Iш.

С учётом этого измеряемый ток I в электрической цепи можно определить по показаниям амперметра и известным значениям сопротивлений обмотки амперметра и шунта:

I=Iа(1+Rа/Rш)=KшIа,

где Kш – шунтирующий множитель.

В ряде случаев шкала амперметра градуируется с учетом наличия шунта, при этом измеряемый ток в электрической цепи отсчитывается непосредственно по шкале прибора.

Измерение напряжения, действующего в электрической цепи постоянного тока, осуществляется с помощью соответствующих электроизмерительных приборов – вольтметров. Для снижения мощности, потребляемой вольтметрами, обмотки последних выполняют из большого числа витков тонкого провода с достаточно большим сопротивлением.

Вольтметры подключаются параллельно к участку электрической цепи Rн, напряжение на которой необходимо измерить. При этом они используются как приборы непосредственной оценки и указывают числовое значение измеряемого напряжения. В цепях постоянного тока обычно используют вольтметры магнитоэлектрической и электромагнитной систем. Для расширения предела измерения вольтметров последовательно с обмоткой включают тарированные добавочные резисторы, помещаемые внутри прибора или отдельно от него (рис. 1б).

Магнитоэлектрическая система.

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии проводников, в которых протекает ток, и магнитного поля постоянного магнита.

Рис. 2

Измерительный механизм прибора (рис.2) состоит из двух главных частей: неподвижной магнитной цепи и подвижной части.

Магнитная цепь образуется сильным постоянным подковообразным магнитом 1, на концах которого укреплены полюсные башмаки 2. Между башмаками находится неподвижный, точно сцентрированный стальной цилиндр 3. Наличие цилиндрических поверхностей у башмаков и неподвижного стального цилиндра создает одинаковый в радиальном направлении воздушный зазор, где создается сильное равномерной радиально направленное магнитное поле.

В этом поле находится рамка измерительного механизма, сделанная из изолированной тонкой проволоки 4. Рамка крепится на легком алюминиевом каркасе, являющемся в тоже время и электромагнитным успокоителем системы. У приборов магнитоэлектрической системы низкой чувствительности (амперметры, вольтметры) электрический ток подается в рамку измерительного механизма через тонкие спиральные пружинки 5, являющиеся устройством для создания противодействующего момента прибора. Согласно теории, вращающий момент прибора прямо пропорционален величине протекающего тока I, вследствие чего шкала прибора равномерная. Момент определяется по формуле:

MВР = B ·h ·1 · w · I = k · I ,

где В – магнитная индукция в зазоре;

h – ширина обмотки;

1 – активная длина проводника;

w – число витков обмотки.

Направление силы взаимодействия F, а следовательно и вращающего момента легко определить по известному правилу левой руки. Так в основном устроены магнитоэлектрические приборы низкой чувствительности. Под чувствительностью прибора понимают величину, численно равную отношению линейного или углового перемещения указателя прибора к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.

Электромагнитная система

Принцип действия электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, в которой протекает ток,

Рис. 3

со стальным сердечником.

У приборов с плоской катушкой (рис.3) при прохождении тока по катушке 1 сердечник 2 намагничиваясь, втягивается в щель. Ось вращения, на которой жестко крепится стрелка прибора и спиральные пружины, расположена

эксцентрично относительно сердечника, поэтому сила F, с которой будет втягиваться сердечник, будет создавать вращающий

Рис.4

У электромагнитных приборов с круглой катушкой 1 (рис. 4) вращающий момент будет создаваться благодаря взаимодействию двух стальных пластин, намагничивающихся протекаемым в катушке током. Одна из пластин 2 укреплена неподвижно внутри катушки, а вторая 3 на оси подвижной части прибора. Так как пластины намагничиваются одинаково, то происходит их отталкивание, благодаря чему создается вращающий момент. Величина вращающего момента для прибора электромагнитной системы любой конструкции будет прямо пропорционально квадрату тока и скорости изменения индуктивности катушки при повороте сердечника, то есть:

Мвр = I / 2 ·dL / da

Так как вращающий момент электромагнитных приборов зависит от тока, протекающего в катушке, а следовательно, и от напряженности магнитного поля катушки, то естественно, что внешние магнитные поля вызывают дополнительную погрешность. Для уменьшения этой погрешности в приборах электромагнитной системы лабораторного типа применяется астатический измерительный механизм. Этот прибор имеет две одинаковые последовательно-встречно соединенные катушки и два одинаковых сердечника, укрепленных на одной оси со стрелкой (рис.3). Внешнее магнитное поле Ф практически не влияет на показания астатического прибора, так как уменьшение вращающегося момента, действующего на один сердечник, компенсируется равным увеличением момента действующего на второй сердечник.

Электромагнитные приборы получили весьма широкое применение в цепях переменного тока с технической частотой (50 гц) как щитовые, переносные и лабораторные, обладающие высокими эксплуатационными качествами

Электродинамическая система

Рис. 5

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии двух магнитных потоков, создаваемых токами, проходящими по подвижной и неподвижной катушкам прибора.

Как видно из рис.5, неподвижная катушка 1 состоит из двух половинок толстой изолированной проволоки с небольшим числом витков, а подвижная катушка 2 находится внутри неподвижной и выполнена из тонкой изолированной проволоки с большим числом витков. При прохождении по катушкам электрических токов создаются магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые будут взаимодействовать между собой, в результате чего подвижная катушка будет стремиться стать так, чтобы направление ее магнитного поля совпало с направлением магнитного поля неподвижной катушки, т.е. возникает вращающий момент МВР.

Известно, что вращающий момент приборов электродинамической системы определяется выражением

МВР = I1 · I2 · dM / da,

где I1 и I2 - величины токов, протекающих по катушкам прибора;

dM /da - скорость изменения взаимной индуктивности М при повороте подвижной катушки.

Так как ток, протекающий через подвижную катушку, должен быть не более 0,5А, ввиду малого сечения провода и спиральных пружин, то в зависимости от назначения прибора его катушки включаются по-разному. Для амперметров - параллельно, для вольтметров - последовательно между собой и с добавочным сопротивлением.

Электродинамические приборы находят широкое применение как образцовые лабораторные приборы для измерения тока, напряжения, мощности и фазового сдвига.

По роду измеряемого тока электроизмерительные приборы делятся: на приборы, предназначенные для постоянного тока (–), однофазного переменного тока (~), однофазного переменного и постоянного тока () и трехфазного переменного тока ().

По степени точности на 8 классов точности: 0,05%; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Число, указывающее класс точности прибора, наносится на шкалу и показывает величину максимальной основной приведенной погрешности.

Основной погрешностью прибора называется погрешность при нормальных рабочих условиях. Приведенной погрешностью - отношение абсолютной погрешности к предельному значению измеряемой величины. Приборы, имеющие класс точности 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5 относятся к лабораторным, а с классами точности 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0 - к техническим.

По способу защиты от внешних магнитных или электростатических полей электроизмерительные приборы делятся на экранированные, неэкранированные и астатические.

В зависимости от величины допускаемых измерений показаний прибора под влиянием внешних полей электроизмерительные приборы могут иметь 4 категории защищенности: I, II, III, IV, что соответствует, допускаемым изменениям показателей прибора в %; 0,5; 1,0; 2,5; 5,0.

Если прибор защищен от влияния внешних магнитных полей, то номер категории обводится сплошным квадратом, если имеется защита от влияния электрических полей - штриховым; для I категории цифра не ставится.

Электроизмерительные приборы в зависимости от условий эксплуатации по исполнению делятся на группы:

группа А - приборы, предназначенные для работы в закрытых сухих отапливаемых помещениях;

группа Б - для работы в закрытых не отапливаемых помещениях;

группа В - для работы в полевых условиях;

группа Г - для работы в условиях сухого и влажного тропического климата.

На шкалу прибора также наносится его рабочее положение горизонтальное ( ), вертикальное (┴ ,↑), наклонное ( ) и выраженное в градусах).

У большинства электроизмерительных приборов на шкале обозначается тип и испытательное напряжение изоляции, выраженное в киловольтах; напряжение обозначается цифрой, стоящей внутри пятиугольной звезды.

Особое внимание следует обратить на условное обозначение, требующее ознакомления с дополнительными указаниями, имеющимися в паспорте и инструкции по эксплуатации. Этот знак «внимание» на шкале прибора ставится как восклицательный знак в треугольнике ! .

Если по каким либо причинам необходимо расширить предел измерения электроизмерительного прибора, то с этой целью параллельно измерительному механизму амперметра включают шунт с малым активным сопротивлением. Теперь ток, протекающий по цепи, разделяется на две составляющие: одна из которых протекает по катушке прибора, а вторая через шунт, мимо прибора. Измерив одну из составляющих тока, и, зная величины сопротивлений измерительного прибора и шунта, нетрудно найти вторую составляющую, а значит и полный ток в цепи.

Для расширения предела измерения вольтметра последовательно с ним включают дополнительное сопротивление, увеличивая общее сопротивление прибора, следовательно, по закону Ома, уменьшая ток в этой цепи. Тем самым напряжение на вольтметре уменьшается пропорционально уменьшению тока. Величину полного измеряемого напряжения можно определить, зная величины сопротивлений вольтметра и дополнительного сопротивления, а также составляющую напряжений, приложенную к вольтметру.

На шкале электроизмерительного прибора отмечаются: измеряемая им физическая величина, класс точности прибора, род тока, для которого прибор предназначен, рабочее положение (вертикальное или горизонтальное), величина напряжения, при котором испытывалась изоляция прибора, система прибора.

Согласно ГОСТу, электроизмерительные приборы должны удовлетворять следующим требованиям:

-погрешность прибора не должна превышать его класс точности и изменяться в процессе эксплуатации;

- на показания прибора не должны влиять внешние поля и изменения температуры;

- шкала или ее рабочая часть должна быть по возможности равномерной и проградуирована в практических единицах;

- прибор должен иметь хорошую успокоительную систему, чтобы колебания стрелки прибора быстро прекращались;

- прибор должен быть стойким к перегрузкам и иметь хорошую изоляцию.

Подвижная часть измерительного механизма прибора все­гда располагается вертикально или горизонтально и укрепля­ется или на оси, или на растяжках, или на подвесе. В прибо­рах, подвижная часть которых закреплена на оси, важную роль играют опорные подпятники, в которые для уменьшения тре­ния впрессовывают либо опорные камни (обычно агат, корунд), либо бронзу (в приборах классов 1,5; 2,5 и 4,0).

Ось прибора обычно изготавливают из стали-серебрянки, немагнитной или нержавеющей стали. Наконечник оси кони­ческий. В некоторых конструкциях в торцовую часть оси за­прессовывают керн из специальных твердых сплавов.

Противодействующий момент в большинстве приборов со­здается упругой спиральной пружиной. Пружину изготавли­вают из немагнитных сплавов, например бронзы. Одним кон­цом она крепится к оси подвижной части прибора, а другим — к одной из деталей корпуса. Пружина создает момент, направленный противоположно вращающему моменту, под действием которого поворачивается ось подвижной части.

Для установки стрелки на нулевую отметку шкалы при отключенном состоянии прибора используется корректор — специальный цилиндрик, при повороте которого происходит закручивание или ослабление спиральной пружины, а следо­вательно, перемещение стрелки. В большинстве приборов стрел­ка при выводе из равновесия подвижной части измерительно­го механизма должна достигать установившегося положения не более чем через 4 с. Для этого устанавливают успокоите­ли, чаще всего магнитоиндукционного или воздушного типа. Магнитоиндукционные успокоители представляют собой груп­пу неподвижных цилиндрических магнитов. На оси подвиж­ной части прибора закрепляют алюминиевую пластинку. При повороте оси пластинка пересекает магнитный поток, и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная угловой скорости вра­щения оси. Из-за этого в пластинке возникает ток, который взаимодействует с магнитным потоком, вследствие чего воз­никает момент, всегда направленный противоположно направ­лению вращения оси. Воздушный успокоитель представляет собой цилиндр, запаянный с одного конца. Внутри цилиндра находится поршень, жестко связанный с подвижной частью прибора. Зазор между поршнем и цилиндром невелик, и при быстрых перемещениях поршня давление внутри цилиндра не успевает выровняться с атмосферным. Это препятствует движению поршня, и колебания подвижной системы быстро затухают.

Для того чтобы центр тяжести подвижной части прибора, совпадал с осью вращения, на специальных держателях, жестко связанных со стрелкой и осью, устанавливают противовесы грузики с внутренней нарезкой. Изменение положения центра тяжести подвижной системы производится перемещением ем противовесов по нарезной части держателей.

И, наконец, основные технические и эксплуатационные характеристики прибора указывают, как обычно, условными знаками на лицевой стороне прибора. Если их невозможно разместить на шкале, они выносятся на табличку, устанавливаемую на крышке прибора или на боковых поверхностях корпуса.

Таблица 3

Род измеряемой величины

Наименование прибора

Условное обозначение

Ток

Амперметр

Напряжение

Вольтметр

Электрическое сопротивление

Омметр

Электрическая мощность

Варметр (измеритель реактивной мощности)

Вольт-амперметр (измеритель полной мощности)

Ваттметр

Электрическая энергия

Счетчик ватт-часов

Счетчик вольт-ампер-часов реактивный

Количество электричества

Счетчик ампер-часов

Частота переменного тока

Частотомер (герцметр)

Угол сдвига фаз

Фазометр

Индуктивность

Генриметр

Электрическая емкость

Фарадометр

Таблица 4