Электрические измерения и приборы (эип).

Цель работы

Изучить приборы для измерения электрических величин.

Краткая теория

1. Погрешности измерительных приборов.

Электрические измерения производятся двумя методами: метод непосредственной оценки, когда измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора, и метод сравнения, связанный со сравнением измеряемой величины с эталоном или образцовой мерой. При измерении неизвестной величины параметра возникает некоторая погрешность. Различают три вида погрешностей измерений: абсолютная, относительная, приведённая.

• Абсолютная погрешность измерения определяется как разность между результатом измерения А_И и действительным значением измеряемой величины А _∆А = А_И – А,

• Относительная погрешность измерения δ ═ ,

• Приведённая погрешность измерения γ = 100% ,

где А_max – максимальное значение шкалы прибора.

Наибольшая приведённая погрешность определяет класс точности прибора.

Если, например, класс точности вольтметра со шкалой 0…500В равен 1,

то γ = ± 1%, а _∆А = γА _max = .

2. Измерение тока и напряжения.

Для измерения токов (амперметры) и напряжений (вольтметры)

применяются в основном приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.

Амперметры включаются в электрическую цепь последовательно с потребителями электрической энергии, и их внутреннее сопротивление имеет относительно малую величину.

Вольтметры включаются параллельно потребителям электрической энергии, и их внутреннее сопротивление имеет относительно большую величину.

Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии постоянного магнитного поля, создаваемого подковообразным сильным магнитом, с током подвижной рамки, состоящей из медной проволоки. Относительно оси рамки создаётся вращающий момент М_ВР,

М_ВР = BwsI_К,

где B – магнитная индукция [Тл],

w – число витков обмотки,

s – площадь рамки [мм²],

I_К – ток в рамке [A].

Эти постоянные величины для данного прибора обозначим постоянной величиной К_ВР, тогда: М_ВР=К_ВРI_K,

где К _ВР – коэффициент, определяемый параметрами прибора, когда противодействующий момент создаётся пружинами М_ПР=К_ПР ,

где - угол поворота подвижной рамки.

Приборы этой системы имеют следующие достоинства:

• высокая чувствительность;

• равномерная шкала;

• малое собственное потребление энергии;

• малая зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей.

Недостатки:

• относительно сложное устройство;

• большая чувствительность к механическим и электрическим ударным нагрузкам;

• использование только в электрических цепях постоянного тока;

• для включения в цепь переменного тока в прибор требуется установить выпрямитель на полупроводниках, а это усложняет и удорожает прибор.

Приборы электромагнитной системы работают на принципе взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки с током подвижного сердечника в форме лепестка из магнитомягкого ферромагнитного материала. Вращающий момент такой системы М_ВР = К_ВР I²_K и М_ПР = К_ПР α.

Направление М_ВР в этой системе не зависит от направления тока, поэтому приборы этой системы можно использовать в цепях переменного и постоянного токов.

Достоинства:

• простота устройства;

• относительно низкая стоимость;

• устойчивость против электрических и механических перегрузок;

• широко применяются в качестве технических щитовых приборов.

Недостатки:

• неравномерная шкала;

• отрицательное влияние на точность прибора потерь на гистерезис и вихревые токи в сердечнике;

• значительное влияние внешних магнитных полей на показание приборов, необходимо применять экранирование;

• относительно большое потребление энергии.

В электрических цепях переменного тока для измерения больших токов и напряжений применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения, которые кроме того в электрических сетях высокого напряжения обеспечивают электробезопасность обслуживающего персонала.

3. Измерение мощности и энергии.

Для измерения мощности, электрической энергии применяют приборы электродинамической и ферродинамической системы.

Принцип действия измерительного механизма электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей, образованных переменными токами неподвижной катушки и подвижной катушки.

Недостатки:

• значительное собственное потребление энергии;

• подвержены воздействию внешних магнитных полей;

• необходимо применять экранирование.

Достоинство – большая точность измерений в цепях постоянного и

переменного токов.

Ферродинамические приборы в отличие от электродинамических приборов имеют магнитопровод неподвижной катушки, что позволяет повысить вращающий момент. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод изготовлен из тонких листов электротехнической стали или из ферромагнитного порошка с электроизоляционным наполнителем.

Неподвижная катушка включается в электрическую цепь последовательно, а подвижная катушка параллельно (рис. 1.1).

Две клеммы I^* и U^* соединяют перемычкой и включают в цепь со стороны источника питания (генераторные зажимы).

Ток неподвижной катушки I₁=I, т.е. равен току в последовательной цепи ваттметра, который равен току нагрузки.

Рис. 1.1 Ток подвижной катушки равен току в параллельной цепи ваттметра I₂= ,

где U – напряжение источника питания,

R_U – внутреннее сопротивление параллельной обмотки,

R  добавочное сопротивление параллельной обмотки (рис. 1.1).

В цепи постоянного тока М_ВР = К_ВР Р,

где Р – мощность цепи постоянного тока.

В цепи переменного тока М_ВР = К_ВР UI cos φ или М_ВР = К_ВР Р ,

т.е. М_ВР - пропорционален активной мощности.

Равенство М_ВР = М_ПР позволяет получить зависимость пропорционально углу поворота стрелки прибора от величины измеряемой мощности  Р.

В трёхфазной цепи при равномерной нагрузке мощность измеряют одним ваттметром в одной фазе, общая мощность Р_3Ф = 3Р_1Ф.

При неравномерной нагрузке применяют схему с двумя одноэлементными ваттметрами.

В четырёхпроводной трёхфазной цепи можно применить одновременно три ваттметра или один трёхэлементный ваттметр, в котором конструктивно объединены три измерительных элемента, а подвижные их части находятся на общей оси.

Кроме ваттметров такие же системы используются в фазометрах – приборах для измерения коэффициента мощности - cos φ.

4. Учёт расхода электрической энергии. Индукционный счётчик. Принцип действия индукционного измерительного механизма основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками в подвижной части прибора обычно в виде диска. Имеется два независимых магнитопровода, магнитные потоки которых Ф₁ и Ф₂, возбуждаемые токами I₁ и I₂ и сдвинутые по фазе, пересекают диск, индуцируя в нём ЭДС Е₁ и Е₂, отстающие от потоков на угол , а токи совпадают по фазе с индуктированными ЭДС, т.к. индуктивное сопротивление мало.

Такой прибор может работать только в цепях переменного тока. В конструктивную систему прибора кроме двух электромагнитов и алюминиевого диска входит постоянный магнит.

Вращающий момент создаётся в результате действия переменного магнитного потока первого электромагнита на ток, индуктируемый магнитным полем второго электромагнита, и наоборот. Вращающий момент пропорционален активной мощности цепи М_ВР = К_ВР UI cos φ = K _ВР P. Под действием этого момента диск вращается. Край алюминиевого диска входит в зазор постоянного магнита, который создаёт электромагнитные силы, направленные против вращения. Величина тормозного момента пропорциональна частоте вращения диска n М_Т = К_Т n. При равенстве М_ВР = М_Т,

получается зависимость P t = W = C N,

где W [кВтчас] – энергия, израсходованная в цепи,

С  действительная постоянная счётчика,

N – число оборотов диска счётчика, t – время.

Для измерения расхода электроэнергии нужно считать количество оборотов диска, что выполняет специальный счётный механизм, который позволяет читать на цифровом указателе расход электроэнергии в кВтчас.

Для измерения расхода электроэнергии в трёхфазных цепях применяют трёхфазные двухэлементные счётчики.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с классификацией и условными обозначениями ЭИП непосредственной оценки (см. таблицу 1.1.).

2. Изучить устройство и принцип действия ЭИП электромагнитной, магнитоэлектрической, электродинамической и индукционной систем.

3. Ознакомиться с приборами, расположенными на лабораторном стенде. Заполнить таблицу 1 и рассчитать пределы измерений приборов.

По количеству пределов приборы бывают однопредельные – их шкала проградуирована в значениях измеряемой величины, и многопредельные – их шкала проградуирована в делениях.

Цена деления прибора равна отношению предела измерения прибора к числу делений шкалы.

Классификация приборов

Таблица 1.1

Признак классификации	Тип ЭИП, условные обозначения, параметры.
По роду измеряемой величины	Омметр PΩ [Ом], Мегомметр PΩ [мОм]. Амперметр РА [кА, А, mA, μA]. Вольтметр РV [кВ, В, mВ, μВ]. Ваттметр РW [кВт, Вт, mВт, μВ]. Фазометр Рφ [0,5-1-0,5]. Счётчик электрической энергии РI [кВтчас]. Частотомер РН [Гц]. Генриметр РL [Гн]. Фарадометр РС [Ф].
По принципу действия	С истемы: Магнитоэлектрическая Э лектромагнитная Э лектродинамическая Ферродинамическая Индукционная
По роду тока	Постоянного тока  П еременного тока Постоянного и переменного тока Переменного трёхфазного тока Переменного трёхфазного тока с несимметричной нагрузкой по фазам.
По степени точности	Классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4.
По условиям эксплуатации	А – в сухих отапливаемых помещениях Б – в закрытых неотапливаемых помещениях В1 – в полевых условиях В2 – в морских условиях Г – в условиях тропического климата.
По установке прибора	Горизонтально Вертикально Под углом
Другие обозначения	Испытание изоляции в кВ О пасность прикосновения к прибору Заземление

Контрольные вопросы

1. Что понимается под относительной и приведённой погрешностями измерений?

2. По какой погрешности определяется класс точности прибора?

3. Каковы особенности принципов действия ЭИП основных систем?

4. Какие достоинства и недостатки ЭИП электромагнитной, магнитоэлектрической, электродинамической и ферродинамической систем?

5. Какие правила включения в электрическую сеть амперметра, вольтметра, ваттметра, фазометра, счетчика электрической энергии?

Лабораторная работа № 2