Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

336 ЛЕКЦИИ И ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ / ЛЕКЦИИ / Лекция №2 - средства измерений+КАРТИНКИ

.doc
Скачиваний:
88
Добавлен:
09.05.2015
Размер:
194.56 Кб
Скачать

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЙ.

К средствам измерений относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и информационно-измерительные системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения заданного значения физической величины.

Измерительный преобразователь – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительный преобразователь, к которому подводится измеряемая величина, называется первичным измерительным преобразователем.

В зависимости от характера преобразуемых величин различают следующие виды измерительных преобразователей:

  • преобразователи электрических величин в электрические (делители напряжения, измерительные трансформаторы);

  • преобразователи магнитных величин в электрические (измерительные катушки);

  • преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо- и тензопреобразователи, реостатные, емкостные).

В зависимости от вида входного и выходного сигналов различают измерительные преобразователи:

  • аналоговые преобразователи, у которых на входе и выходе аналоговые сигналы;

  • аналого-цифровые преобразователи, имеющие на входе аналоговый сигнал, а на выходе цифровой (кодированный) сигнал;

  • цифро-аналоговые преобразователи, у которых на входе цифровой, а на выходе – аналоговый сигнал.

Первичные измерительные преобразователи, размещаемые непосредственно на объекте исследования и удаления от места обработки, отображения и регистрации измерительной информации, называют датчиками.

Измерительные приборы – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

По физическим явлениям, положенным в основу работы, измерительные приборы можно разделить на электроизмерительные (электромеханические, электротепловые, электрохимические и др.) и электронные приборы. По назначению их подразделяют на приборы для измерения электрических и неэлектрических (магнитных, тепловых, химических и др.) физических величин, по способу представления результатов – на показывающие и регистрирующие. В зависимости от регистрации измеряемой величины – аналоговые и цифровые измерительные приборы.

Измерительные установки – комплекс средств измерений, включающий в себя меры, измерительные приборы и преобразователи, вспомогательные устройства, объединенные общей схемой, с помощью которой можно измерить одну или несколько физических величин.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Он ограничивается наибольшим и наименьшим значениями.

Область значений шкалы, ограниченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний.

Под надежностью средства измерений понимают его способность сохранять нормированные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Основными критериями надежности приборов являются вероятность безотказной работы и средняя продолжительность безотказной работы. Вероятность безотказной работы определяется вероятностью отсутствия отказов прибора в течение определенного промежутка времени, средняя продолжительность безотказной работы – отношением продолжительности безотказной работы к числу отказов за это время.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Масштабные преобразователи (МП). Эти преобразователи относятся к группе измерительных преобразователей электрических величин в электрические и предназначены для изменения значения размера физической величины в заданное число раз без изменения рода величины. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Шунты применяются для уменьшения силы тока в определенное число раз. Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно средству измерений (рис. 1.1). Если сопротивление шунта , где R – сопротивление средства измерений; - коэффициент шунтирования, то ток I2 в п раз меньше тока I1.

Рис. 1.1. Схема включения измерительного механизма с шунтом

Делители напряжения предназначены для уменьшения напряжения в определенное число раз. В зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление.

Измерительные трансформаторы (ИТ) используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерения (5 или 1 А, 100 В). Применением ИТ в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы.

Их делят на трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Принцип действия ИТ совпадает с принципом действия трансформаторов. ИТ состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной с числом витков и вторичной – , помещенных на ферромагнитный сердечник (рис. 1.2).

В ТТ , а в ТН – . Первичную обмотку ТТ включают в измеряемую цепь последовательно, а ТН – параллельно. Измерительные приборы включают во вторичную обмотку трансформаторов.

Во вторичную цепь ТТ включают амперметры, последовательные обмотки счетчиков, ваттметров, цепи релейной защиты и управления; к вторичной обмотке ТН подключают вольтметры, параллельные цепи ваттметров, счетчиков и других приборов.

По показаниям приборов можно определить значения измеряемых величин. Для этого необходимо показания приборов умножить на коэффициенты KI и KU. Для ТТ – , а для ТН – . Коэффициенты KI и KU называют действительными коэффициентами трансформации. В действительности, значения коэффициентов KI и KU непостоянны. Они зависят от значений токов и напряжений, характера и значения нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструкции трансформатора и материала сердечника. Поэтому показания приборов умножают не на действительные, а на постоянные номинальные коэффициенты трансформации:

, .

ТТ работает в режиме, близком к режим короткого замыкания, т.к. в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением.

ТН работают в режиме, близком к режиму холостого хода, т.к. во вторичную обмотку включают приборы с относительно большим внутренним сопротивлением.

Электромеханические преобразователи. В них электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части относительно неподвижной. На основе таких преобразователей, которые называются "измерительными механизмами", строятся различные измерительные приборы (ИП).

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП). Они отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью и представляют собой технические средства измерения. Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. Электромеханический прибор включает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство.

Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой электрической величины в другую электрическую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части.

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Данные приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений, сопротивлений. Такие приборы применяют также для измерения или индикации малых токов и напряжений, регистрации электрических величин.

Наиболее распространен магнитоэлектрический механизм с подвижной катушкой.

Энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с подвижной катушкой, равняется , где – потокосцепление подвижной катушки; B – индукция в воздушном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками; s – площадь катушки; – число витков обмотки катушки; – угол поворота катушки.

Тогда мгновенный вращающий момент будет равен:

.

Как уже было сказано, данный тип приборов применяется только в цепях постоянного тока.

При протекании через катушку постоянного тока I вращающий момент равняется:

.

При воздействии вращающего момента подвижная часть должна повернуться на угол, однозначно зависящий от измеряемой величины:

,

где - удельный противодействующий момент.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Данные приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного тока, угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями. Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока.

Вращающий момент в электродинамических измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижной катушек с токами.

Измерительный механизм состоит из двух последовательно соединенных неподвижных катушек, разделенных воздушным зазором, и подвижную катушку.

При протекании токов в обмотках катушек измерительного механизма возникает момент, поворачивающий подвижную часть. Электромагнитная энергия двух катушек с токами

,

где L1 и L2 – индуктивности неподвижных и подвижной катушек; М1,2 – взаимная индуктивность неподвижных и подвижной катушек; i1 и i2 – токи в неподвижных и подвижной катушках. Т.к. индуктивности катушек не зависят от угла поворота подвижной части, то мгновенный вращающий момент

.

При постоянных токах I1 и I2 в катушках вращающий момент

.

Если токи , , то мгновенный вращающий момент

,

где - угол фазового сдвига между токами в неподвижных и подвижных катушках.

Вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. Отклонение подвижной части электродинамического измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента

,

где I1 и I2 – действующие значения токов i1 и i2.

Угол отклонения подвижной части равен:

при постоянных токах ;

при переменных токах .

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Данные приборы применяются для измерения переменных и постоянных токов и напряжений, для измерения частоты и фазового сдвига между переменными током и напряжением.

Вращающий момент в этих механизмах возникает в результате взаимодействия одного или нескольких ферромагнитных сердечников подвижной части и магнитного поля катушки, по которой протекает ток.

При протекании тока i через катушку сердечник намагничивается и втягивается в зазор катушки.

Вращающий момент

,

где - энергия электромагнитного поля катушки с сердечником; L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника.

При постоянном токе I вращающий момент

.

Если ток i – синусоидальный, то мгновенный вращающий момент

.

Вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. Отклонение подвижной части электромагнитного измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента, которая может быть определена следующим образом:

.

Угол поворота подвижной части определяется как

.

На работу электромагнитных измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для устранения их влияния применяют магнитное экранирование.