МСиС / M_lab_PDF / LAB1

1

Лабораторная работа № 1

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ПОВЕРКА ЩИТОВОГО ВОЛЬТМЕТРА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОТЕНЦИОМЕТРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Цель работы

Приобретение практических навыков выполнения измерений при поверке щитового вольтметра с помощью потенциометра (компенсатора) постоянного тока.

2.Теоретическая справка

2.1.Электромеханические измерительные приборы

2.1.1.Общие сведения об электромеханических приборах Важным классом аналоговых измерительных приборов являются электроме-

ханические показывающие приборы прямого действия. Они просты, надежны, удобны в эксплуатации. Их разнообразие и точностные характеристики удовлетворяют требованиям широкого круга технических измерений.

Общая структурная схема электромеханического прибора представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Измерительная цепь осуществляет количественное или качественное преобразование измеряемой электрической величиныx в электрическую величину x', удобную для измерения. Измерительный механизм преобразует электрическую величину x' в механическое перемещение (угловое или линейное) a, значение которого отсчитывается по шкале отсчетного устройства, обычно проградуированной в единицах измеряемой величины.

Измерительная цепь представляет собой обычно делитель напряжения. Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей. В

зависимости от принципа преобразования электромагнитной энергии в энергию движения подвижной части механизма различают: магнитоэлектрические, элек-

тромагнитные, электродинамические, электростатические и индукционные приборы.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

2

Отсчетное устройство состоит из указателя, связанного с подвижной частью прибора, и неподвижной шкалы, представляющей собой совокупность отметок, нанесенных на лицевой стороне (циферблате) прибора.

Познакомимся более подробно с общими для всех электромеханических приборов узлами и деталями.

Корпус защищает измерительный механизм от механических воздействий и от попадания пыли и влаги. Он может быть изготовлен из металла, пластмассы или дерева. Металлический корпус экранирует измерительный механизм от электрических и магнитных полей.

На циферблате обычно кроме шкалы имеется ряд обозначений, при помощи которых указываются единица измеряемой величины, класс точности, символ соответствующий принципу действия прибора, рабочее положение, испытательное напряжение изоляции, год выпуска, заводской номер и т.п. Наиболее часто встречающиеся обозначения на циферблатах приборов приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Прибор магнитоэлектрический с подвижной рамкой

Логометр магнитоэлектрический

Прибор электромагнитный

Логометр электромагнитный

Прибор электродинамический

Прибор ферродинамический

Логометр ферродинамический

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

3

Прибор индукционный

Прибор электростатический

Прибор магнитоэлектрический выпрямительный

Прибор магнитоэлектрический электронный

Прибор магнитоэлектрический с термоэлектрическим преобразователем

Ток постоянный

Ток переменный однофазный

Ток трехфазный

Нормальное положение шкалы прибора вертикальное

Нормальное положение шкалы прибора горизонтальное

Класс точности прибора

Испытательное напряжение изоляции, кВ

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

4

Пример обозначений на циферблате прибора показан на рис. 2.

Рис. 2.

Указатели бывают механическими и световыми. Механические представляют собой стрелки из стекла или алюминия, световые - световое пятно с тенью от тонкой нити посередине, которая собственно и является указателем. Это световое пятно является следствием отражения луча света от легкого зеркальца, закрепленного на подвижной части измерительного механизма.

Известны три основных способа установки подвижной части измерительного механизма: на кернах, на растяжках, на подвесе. При установке на кернах ось подвижной части имеет два стальных остриякерна, которыми она опирается на агатовые или корундовые подпятники. Трение в подпятниках при такой установке имеет относительно большую величину. При установке на растяжках подвижная часть подвешивается между двумя растянутыми ленточками из бронзового сплава.

Такой способ крепления свободен от трения в опорах. При установке на подвесе подвижная часть подвешивается на металлической или кварцевой нити. Такой способ крепления применяется в особо чувствительных приборах.

В электромеханических приборах на подвижную часть измерительного механизма действует вращающий момент, в общем случае зависящий от измеряемой величины x и некоторых параметров механизма L:

MВР=f(x, L). (1)

Под действием этого момента подвижная часть будет поворачиваться. Чтобы она не поворачивалась всегда до упора вне зависимости от значения измеряемой величины, к подвижной части необходимо еще прикладывать противодействующий момент, который был бы пропорционален углу ее поворота

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

5

где k - удельный противодействующий момент.

В этом случае очевидно равновесие, а значит и остановка вращения подвижной части, будет наступать при равенстве этих моментов:

f(x, L)=ka. (3)

Откуда можно получить уравнение преобразования механизма прибора

которое связывает показания прибора со значением измеряемой величины. Противодействующий момент на практике создается двумя способами: либо упругими силами, либо электромагнитными силами. Во втором случае прибор называется логометром. Устройство для создания упругого противодействующего момента при установке на опорах представляет собой спиральную пружину, внешний конец которой прикреплен к неподвижной, а внутренний к подвижной части измерительного механизма. При установке на растяжках или на подвесе противодействующий момент создается непосредственно за счет упругости самих растяжек или подвеса.

Успокоитель предназначен для того чтобы стрелка указателя достигнув состояния равновесия моментов не колебалась бы слишком долго около этогосо стояния. Применяются воздушные, жидкостные или магнитоиндукционные успокоители. В первых двух для успокоения используется эффект трения о воздух или жидкость алюминиевого крылышка или поршенька, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма. В последнем случае торможение осуществляется взаимодействием магнитных полей специального магнита и токов, наведенных в проводящих частях подвижной системы при их движении в поле этого

магнита. Воздушные и жидкостные успокоители не создают дополнительных электромагнитных помех при работе прибора, однако они сложны в изготовлении и настройке, магнитоиндукционные наоборот очень просто регулируются, однако создают дополнительные электромагнитные помехи.

Корректор предназначен для установки стрелки в нулевое положение, из которого по разным причинам она может оказаться смещенной при невключенном приборе.

2.1.2.Магнитоэлектрические приборы

Вприборах магнитоэлектрической системы используется взаимодействие поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой. Последний вариант более распространен на практике, поэтому приведем упрощенную схему такого прибора на рис. 3.

Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2, и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В магнитном поле, имеющем место в зазоре между полюсными наконечниками и сердечником,

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

6

находится подвижная прямоугольная рамка4, намотанная медным или алюминиевым проводом на легком каркасе или же без него. Подвижная рамка закрепляется, например, как показано на рис. 3, на кернах 5, 6. Две спиральные пружины 7, 8 одновременно служат как для создания противодействующего момента, так и для подачи тока в цепь рамки. К оси рамки жестко крепится стрелка-указатель 9.

Вращающий момент в магнитоэлектрических приборах согласно закону

где B - магнитная индукция в воздушном зазоре, S - площадь рамки, w - число витков в рамке, I - ток, протекающий через рамку.

Тогда угол поворота рамки согласно формуле (4) будет определяться как

где SI - коэффициент чувствительности магнитоэлектрического механизма по току. Поскольку этот коэффициент является постоянной величиной, зависящей только от конструктивных параметров механизма, и не зависит от силы тока в рамке I, то шкала магнитоэлектрического прибора будет равномерной. Изменение же направления тока будет приводить к изменению направления угла отклонения рамки, т.е. такие приборы реагируют на полярность сигнала.

В магнитоэлектрических логометрах противодействующий момент создается второй измерительной рамкой и вычисляется по формуле аналогичной формуле

(5). Так как в этом случае момент, приложенный хотя бы к одной из рамок, должен зависеть от угла поворота механизма, зазор в магнитопроводе прибора выполняют неравномерным. Тогда индукция В в формуле (5) оказывается функцией угла поворота механизма a, и уравнение преобразования логометра примет вид

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

7

I2

где I1 и I2 - токи, протекающие по первой и второй измерительным рамкам, соответственно.

Из группы аналоговых приборов магнитоэлектрические приборы относятся к числу наиболее чувствительных и точных. Изменения температуры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Равномерный характер шкалы и малое потребление энергии также являются достоинствами этих при-

боров. Вследствие инерционности магнитоэлектрические приборы реагируют только на постоянную составляющую тока. Для измерений в цепях переменного тока требуется его предварительное преобразование в постоянный. Благодаря своим достоинствам магнитоэлектрические измерительные механизмы очень широко распространены, на их основе изготавливаются различные типы электроизмерительных приборов.

Магнитоэлектрические амперметры позволяют непосредственно измерять постоянные токи не более 50 мА, поскольку именно на такие токи обычно рассчитывается обмотка измерительной рамки. Для измерения больших токов используются внутренние или внешние шунты.

Поскольку согласно уравнению(6) угол отклонения указателя в магнитоэлектрическом приборе пропорционален току, протекающему через рамку, то чтобы изготовить на его основевольтметр, необходимо последовательно с рамкой измерительного механизма включить добавочное сопротивление, как изображено на рис. 4.

Тогда ток через измерительный механизм будет ограничен допустимым током и пропорционален измеряемому напряжению U:

При этом падение напряжения на рамке не превышает десятков милливольт. Таким образом, в большинстве приборов, рассчитанных на измерение средних и больших напряжений RДОБ много больше, чем RИМ.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

8

Магнитоэлектрические механизмы также используются в приборах для измерения сопротивления на постоянном токе- омметрах. В таких приборах кроме измерительного микроамперметра обязательно присутствует источник постоянного напряжения, как показано на рис. 5.

Ток, протекающий через микроамперметр, зависит от сопротивления рамки микроамперметра RИМ, добавочного резистора RДОБ и измеряемого сопротивления RХ. Если сопротивление рамки мало по сравнению с RДОБ и RХ, то

(R доб + R x )

Тогда отклонение указателя прибора при условии постоянства э.д.с. Е будет функцией от RХ, и шкала прибора может быть проградуирована в единицах сопротивления - Омах. Отметим, что шкала омметра в соответствии с выражением(8) будет неравномерной, а максимальному отклонению стрелки будет соответствовать нулевое сопротивление.

В процессе эксплуатации э.д..с батареи Е может измениться относительно того значения, на котором производилась градуировка прибора. Поэтому в схеме рис. 5,а предусмотрен ключ К, после замыкания которого изменением сопротивления RДОБ устанавливают стрелку прибора на ноль.

Схема на рис. 5,а чаще используется для измерения относительно больших сопротивлений, начиная с нескольких Ом и более. Для измерения малых сопротивлений чаще используют схему, приведенную на рис. 5,б.

Встречаются омметры с логометрическим измерительным механизмом, как показано на рис. 6, в них имеются две рамки с сопротивлениями соответственно R1 и R2. В этом случае угол поворота измерительного механизма согласно формуле (7) будет определяться из выражения

т.е. не будет зависеть от напряжения питания Е.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

9

Для измерения очень больших сопротивлений(более 10 МОм), в первую очередь сопротивлений изоляции, используют мегомметры, в которых, как правило, для обеспечения питания имеется встроенный генератор с ручным приводом.

На основе магнитоэлектрического механизма промышленность выпускает такие приборы, как гальванометры. Гальванометром называют прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению. Гальванометры широко применяются в качестве нуль-индикаторов, а также при измерении малых токов, напряжений и количества электричества. В последнем случае гальванометр называютбаллистическим. Гальванометры бывают стационарными и переносными, причем вторые обычно имеют встроенную шкалу и стрелочный или световой указатель. У стационарных же гальванометров обычно имеется световой указатель, а шкала может устанавливаться на некотором расстоянии от прибора.

Высокая чувствительность гальванометров достигается, главным образом, путем уменьшения противодействующего момента и использования светового указателя с большой длиной светового луча(в стационарных гальванометрах). В переносных магнитоэлектрических гальванометрах подвижная часть подвешивается на растяжках, а в стационарных - на подвесе.

Чувствительность гальванометра к току или напряжению определяется -со гласно формуле (6) как

где RГ - сопротивление рамки гальванометра.

Чувствительность стационарных гальванометров по току обычно характеризуют числом, показывающим, на сколько миллиметров перемещается световой луч по шкале при прохождении через гальванометр тока в1 А при расстоянии от зеркальца гальванометра до шкалы 1 м, например: SI=5 102 мм/(А м). Аналогично чувствительность по напряжению задается в мм/(В м). Часто в паспортах гальванометров указывают не их чувствительности, а обратные к ним величиныCI=1/SI, CU=1/SU, которые называют постоянными гальванометра. Постоянные перенос-

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1

10

ных гальванометров, приводимые в паспорте или непосредственно на шкале, обычно выражаются в А/дел или В/дел.

Важной характеристикой гальванометра является постоянство нулевого положения указателя, которое определяется, как величина невозвращения указателя в нулевое положение при его плавном возвращении от крайней отметки шкалы. По этой характеристике гальванометру присваивают разряд постоянства, который указывается на шкале в виде числа, заключенного в ромб.

По виду полных динамических характеристик гальванометры обычно относят к приборам, описываемым дифференциальными уравнениями второго порядка. У таких приборов, как известно, переходные характеристики могут носить колебательный или апериодический характер в зависимости от параметров прибора

иизмерительной цепи. При этом минимальное время установления показаний прибора будет достигаться при апериодическом характере переходного процесса

иопределенном, т.н. полном критическом сопротивлении гальванометра

где Rвн.кр. - внешнее критическое сопротивление гальванометра, т.е. сопротивле-

ние внешней цепи, на которое замкнута катушка гальванометра и при котором время установления подвижной части гальванометра минимально. Отметим, что апериодический режим будет иметь место и в том случае, когда сопротивление внешней цепи будет несколько меньше, чем Rвн.кр.. Время установления, однако, при этом не будет минимальным. В паспорте на гальванометр или на его шкале обычно указываются Rг и Rкр или Rвн.кр..

Кроме этих параметров на шкалах гальванометров обычно указывают период их собственных колебаний Т0, который для обычных гальванометров составляет единицы секунд, а для баллистических десятки секунд. Поскольку последние предназначены для измерения количества электричества в кратковременных импульсах тока, и поэтому имеют подвижную часть с увеличенным моментом инерции для того, чтобы можно было зафиксировать первое(наибольшее) отклонение указателя, пропорциональное этому количеству электричества

amax=SqQ,

где Sq - баллистическая чувствительность гальванометра.

2.1.3. Электродинамические и ферродинамические приборы Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодейст-

вии магнитных полей двух катушек, по которым протекает ток. Устройство электродинамического измерительного механизма показано на рис. 7.

Внутри неподвижной катушки1 может вращаться подвижная катушка2. Ток к подвижной катушке подается через пружинки, которые служат также и для создания противодействующего момента. Вращающий момент, создаваемый взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2 определяется выражением

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа №1