Измерение параметров электрических цепей и компонентов. Виды и методы электрических измерений Измерение электрических характеристик

При изучении электротехники приходится иметь дело с электрическим, магнитными и механическими величинами и измерять эти величины.

Измерить электрическую, магнитную или какую-либо иную величину - это значит сравнить ее с другой однородной величиной, принятой за единицу.

В этой статье рассмотрена классификация измерений, наиболее важная для . К такой классификации можно отнести классификацию измерений с методологической точки зрения, т. е. в зависимости от общих приемов получения результатов измерений (виды или классы измерений), классификацию измерений в зависимости от использования принципов и средств измерений (методы измерений) и классификацию измерений в зависимости от динамики измеряемых величин.

Виды электрических измерений

В зависимости от общих приемов получения результата измерения делятся на следующие виды: прямые, косвенные и совместные.

К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой Y = Х, где Y - искомое значение измеряемой величины; X -значение, непосредственно получаемое из опытных данных. К этому виду измерений относятся измерения различных физических величин при помощи приборов, градуированных в установленных единицах.

Например, измерения силы тока амперметром, температуры - термометром и т. д. К этому виду измерений относятся и измерения, при которых искомое значение величины определяется непосредственным сравнением ее с мерой. Применяемые средства и простота (или сложность) эксперимента при отнесении измерения к прямому не учитываются.

Косвенным называется такое измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях числовое значение измеряемой величины определяется путем вычисления по формуле Y = F(Xl, Х2 ... Хn ), где Y - искомое значение измеряемой величины; Х1 , Х2, Хn - значения измеренных величин. В качестве примера косвенных измерений можно указать на измерение мощности в цепях постоянного тока амперметром и вольтметром.

Совместными измерениями называются такие, при которых искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами. В качестве примера совместных измерений можно привести определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление резистора с его температурой: Rt = R20

Методы электрических измерений

В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения.

Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина.

Простейшим примером метода непосредственной оценки может служить измерение какой-либо величины одним прибором, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах.

Вторая большая группа методов электрических измерений объединена под общим названием методов сравнения . К ним относятся все те методы электрических измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Таким образом, отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.

Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.

Нулевой метод - это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким образом, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи или напряжения на нем, что может быть зафиксировано при помощи служащих для этой цели приборов - нуль-индикаторов. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также потому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, получается и большая точность измерений.

Примером применения нулевого метода может быть измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

При дифференциальном методе , так же как и при нулевом, измеряемая величина сравнивается непосредственно или косвенно с мерой, а о значении измеряемой величины в результате сравнения судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов и по известной величине, воспроизводимой мерой. Таким образом, в дифференциальном методе происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального метода от нулевого.

Дифференциальный метод сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и часть признаков нулевого метода. Он может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга.

Например, если разность этих двух величин равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01%, если не учитывать погрешности меры. Примером применения дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое является искомой величиной.

Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины прибором и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По результатам двух измерений может быть вычислена искомая величина. Вследствие того что оба измерения делаются одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Так как погрешность прибора обычно неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.

Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производиться от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изменяемым и образцовым сопротивлениями.

Метод совпадений - это такой метод, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко применяется в практике неэлектрических измерений.

Примером может служить измерение длины . В электрических измерениях в качестве примера можно привести измерение частоты вращения тела стробоскопом.

Укажем еще классификацию измерений по признаку изменения во времени измеряемой величины . В зависимости от того, изменяется ли измеряемая величина во времени или остается в процессе измерения неизменной, различаются статические и динамические измерения. Статическими называются измерения постоянных или установившихся значений. К ним относятся и измерения действующих и амплитудных значений величин, но в установившемся режиме.

Если измеряются мгновенные значения изменяющихся во времени величин, то измерения называются динамическими . Если при динамических измерениях средства измерений позволяют непрерывно следить за значениями измеряемой величины, такие измерения называются непрерывными.

Можно осуществить измерения какой-либо величины путем измерений ее значений в некоторые моменты времени t1 , t2 и т. д. В результате окажутся известными не все значения измеряемой величины, а лишь значения в выбранные моменты времени. Такие измерения называются дискретными .

К электрическим измерениям относятся измерения таких физических величин, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств – измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

Электрическое измерение – это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах.

Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики. Поскольку «поддержание» единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют «практическими» эталонами единиц электрических величин.

Эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Время от времени проводятся эксперименты по уточнению соответствия между значениями эталонов единиц электрических величин и определениями этих единиц. В 1990 государственные метрологические лаборатории промышленно развитых стран подписали соглашение о согласовании всех практических эталонов единиц электрических величин между собой и с международными определениями единиц этих величин.

Электрические измерения проводятся в соответствии с государственными эталонами единиц напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и емкости. Такие эталоны представляют собой устройства, имеющие стабильные электрические характеристики, или установки, в которых на основе некоего физического явления воспроизводится электрическая величина, вычисляемая по известным значениям фундаментальных физических констант. Эталоны ватта и ватт-часа не поддерживаются, так как более целесообразно вычислять значения этих единиц по определяющим уравнениям, связывающим их с единицами других величин.

Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа.

Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока.

Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы – ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.

Измерения электрических величин являются одними из самых распространённых видов измерений. Благодаря созданию электротехнических устройств, преобразующих различные неэлектрические величины в электрические, методы и средства электрические приборы используются при измерениях практически всех физических величин.

Область применения электроизмерительных приборов:

· научные исследования в физике, химии, биологии и др.;

· технологические процессы в энергетике, металлургии, химической промышленности и др.;

· транспорт;

· разведка и добыча полезных ископаемых;

· метеорологические и океанологические работы;

· медицинская диагностика;

· изготовление и эксплуатация радио и телевизионных устройств, самолётов и космических аппаратов и т.п.

Большое разнообразие электрических величин, широкие диапазоны их значений, требования высокой точности измерений, разнообразие условий и областей применения электроизмерительных приборов обусловили многообразие методов и средств электрических измерений.

Измерение "активных" электрических величин (силы тока, электрического напряжения и др.), характеризующих энергетическое состояние объекта измерений, основывается на непосредственном воздействии этих величин на средство чувствительный элемент и, как правило, сопровождается потреблением некоторого количества электрической энергии от объекта измерений.

Измерение "пассивных" электрических величин (электрического сопротивления, его комплексных составляющих, индуктивности, тангенса угла диэлектрических потерь и др.), характеризующих электрические свойства объекта измерений, требует подпитки объекта измерений от постороннего источника электрической энергии и измерения параметров ответного сигнала.
Методы и средства электрических измерений в цепях постоянного и переменного тока существенно различаются. В цепях переменного тока они зависят от частоты и характера изменения величин, а также от того, какие характеристики переменных электрических величин (мгновенные, действующие, максимальные, средние) измеряются.

Для электрических измерений в цепях постоянного тока наиболее широко применяют измерительные магнитоэлектрические приборы и цифровые измерительные устройства. Для электрических измерений в цепях переменного тока - электромагнитные приборы, электродинамические приборы, индукционные приборы, электростатические приборы, выпрямительные электроизмерительные приборы, осциллографы, цифровые измерительные приборы. Некоторые из перечисленных приборов применяют для электрических измерений как в цепях переменного, так и постоянного тока.

Значения измеряемых электрических величин заключаются примерно в пределах: силы тока - от до А, напряжения - от до В, сопротивления - от до Ом, мощности - от Вт до десятков ГВт, частоты переменного тока - от до Гц. Диапазоны измеряемых значений электрических величин имеют непрерывную тенденцию к расширению. Измерения на высоких и сверхвысоких частотах, измерение малых токов и больших сопротивлений, высоких напряжений и характеристик электрических величин в мощных энергетических установках выделились в разделы, развивающие специфические методы и средства электрических измерений.

Расширение диапазонов измерений электрических величин связано с развитием техники электрических измерительных преобразователей, в частности с развитием техники усиления и ослабления электрических токов и напряжений. К специфическим проблемам электрических измерений сверхмалых и сверхбольших значений электрических величин относятся борьба с искажениями, сопровождающими процессы усиления и ослабления электрических сигналов, и разработка методов выделения полезного сигнала на фоне помех.

Пределы допускаемых погрешностей электрических измерений колеблются приблизительно от единиц до %. Для сравнительно грубых измерений пользуются измерительными приборами прямого действия. Для более точных измерений используются методы, реализуемые с помощью мостовых и компенсационных электрических цепей.

Применение методов электрических измерений для измерения неэлектрических величин основывается либо на известной связи между неэлектрическими и электрическими величинами, либо на применении измерительных преобразователей (датчиков).

Для обеспечения совместной работы датчиков с вторичными измерительными приборами, передачи электрических выходных сигналов датчиков на расстояние, повышения помехоустойчивости передаваемых сигналов применяют разнообразные электрические промежуточные измерительные преобразователи, выполняющие одновременно, как правило, функции усиления (реже, ослабления) электрических сигналов, а также нелинейные преобразования с целью компенсации нелинейности датчиков.

На вход промежуточных измерительных преобразователей могут быть поданы любые электрические сигналы (величины), в качестве же выходных сигналов наиболее часто используют электрические унифицированные сигналы постоянного, синусоидального или импульсного тока (напряжения). Для выходных сигналов переменного тока используется амплитудная, частотная или фазовая модуляция. Всё более широкое распространение в качестве промежуточных измерительных преобразователей получают цифровые преобразователи.

Комплексная автоматизация научных экспериментов и технологических процессов привела к созданию комплексных средств измерительных установок, измерительно-информационных систем, а также к развитию техники телеметрии, радиотелемеханики.

Современное развитие электрических измерений характеризуется использованием новых физических эффектов. Например, в настоящее время для создания высокочувствительных и высокоточных электроизмерительных приборов применяются квантовые эффекты Джозефсона, Холла и др. В технику измерений широко внедряются достижения электроники, используется микроминиатюризация средств измерений, сопряжение их с вычислительной техникой, автоматизация процессов электрических измерений, а также унификация метрологических и других требований к ним.

Измерением называется процесс нахождения опытным путем значения физической величины с помощью специальных технических средств. Электроизмерительные приборы широко используются при наблюдении за работой электроустановок, при контроле за их состоянием и режимами работы, при учете расхода и качества электрической энергии, при ремонте и наладке электротехнического оборудования.

Электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами в форме, доступной для восприятия наблюдателем или автоматическим устройством.

Электроизмерительные приборы делятся:

• по виду получаемой информации на приборы для измерения электрических (ток, напряжение, мощность и др.) и неэлектрических (температура, давление и др.) величин;
• по методу измерения - на приборы непосредственной оценки (амперметр, вольтметр и др.) и приборы сравнения (измерительные мосты и компенсаторы);
• по способу представления измеряемой информации - на аналоговые и дискретные (цифровые).

Наибольшее распространение получили аналоговые приборы непосредственной оценки, которые классифицируются по признакам: род тока (постоянный или переменный), род измеряемой величины (ток, напряжение, мощность , сдвиг фаз), принцип действия (магнитоэлектрические, электромагнитные, электро- и ферродинамические), класс точности и условия эксплуатации.

Для расширения пределов измерения электрических приборов на постоянном токе используются шунты (для тока) и добавочные сопротивления Rd (для напряжения); на переменном токе трансформаторы тока (тт) и напряжения (тн).

Используемые приборы для измерения электрических величин.

Измерение напряжения осуществляется вольтметром (V), подключаемым непосредственно на зажимы исследуемого участка электрической цепи.

Измерение тока осуществляется амперметром (А), включаемым последовательно с элементами исследуемой цепи.

Измерение мощности (W) и сдвига фаз () в цепях переменного тока производится с помощью ваттметра и фазометра. Эти приборы имеют две обмотки: неподвижную токовую, которая включается последовательно, и подвижную обмотку напряжения, включаемую параллельно.

Для измерения частоты переменного тока (f) применяются частотометры.

Для измерения и учета электрической энергии - счетчики электрической энергии, подключаемые к измерительной цепи аналогично ваттметрам.

Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются: погрешность, вариации показаний, чувствительность, потребляемая мощность, время установления показаний и надежность.

Основными частями электромеханических приборов являются электроизмерительная цепь и измерительный механизм.

Измерительная цепь прибора является преобразователем и состоит из различных соединений активного и реактивного сопротивлений и других элементов в зависимости от характера преобразования. Измерительный механизм преобразует электромагнитную энергию в механическую, необходимую для углового перемещения его подвижной части относительно неподвижной. Угловые перемещения стрелки а функционально связано с крутящим и противодействующим моментом прибора уравнением преобразования вида:

к - конструктивная постоянная прибора;

Электрическая величина, под действием которой стрелка прибора отклоняется на угол

На основании данного уравнения можно утверждать, что если:

1. входная величина Х в первой степени (п=1), то а будет менять знак при изменении полярности, и на частотах, отличных от 0, прибор работать не может;
2. n=2, то прибор может работать как на постоянном, так и на переменном токе;
3. в уравнение входит не одна величина, то в качестве входной можно выбирать любую, оставляя остальные постоянными;
4. две величины являются входными, то прибор можно использовать в качестве множительного преобразователя (ваттметр, счетчик) или делительного (фазометр, частотометр);
5. при двух или более входных величинах на несинусоидальном токе прибор обладает свойством избирательности в том смысле, что отклонение подвижной части определяется величиной только одной частоты.

Общими элементами являются: отсчетное устройство, подвижная часть измерительного механизма, устройства для создания вращающего, противодействующего и успокаивающего моментов.

Отсчетное устройство имеет шкалу и указатель. Интервал между соседними метками шкалы называют делением.

Цена деления прибора представляет собой значение измеряемой величины, вызывающее отклонение стрелки прибора на одно деление и определяется зависимостями:

Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. Область между начальным и конечным значениями шкалы называют диапазоном показаний прибора.

Показания электроизмерительных приборов несколько отличаются от действительных значений измеряемых величин. Это вызвано трением в измерительной части механизма, влиянием внешних магнитных и электрических полей, изменением температуры окружающей среды и т.д. Разность между измеренным Аи и действительным Ад значениями контролируемой величины называется абсолютной погрешностью измерений:

Так как абсолютная погрешность не дает представления о степени точности измерений, то используют относительную погрешность:

Поскольку действительное значение измеряемой величины при измерении неизвестно, для определения и можно воспользоваться классом точности прибора.

Амперметры, вольтметры и ваттметры подразделяются на 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, обозначающая класс точности, определяет наибольшую положительную или отрицательную основную приведенную погрешность, которую имеет данный прибор. Например, для класса точности 0,5 приведенная погрешность составит ±0,5%.

Электроизмерительные приборы (амперметры и вольтметры) серии Э47

Применяются в низковольтных комплектных устройствах в распределительных электрических сетях жилых, коммерческих и производственных объектов.

Амперметры Э47 - аналоговые электромагнитные электроизмерительные приборы - предназначены для измерения силы тока в электрических цепях переменного тока.

Вольтметры Э47 - аналоговые электромагнитные электроизмерительные приборы - предназначены для измерения напряжения в электрических цепях переменного тока.

Широкий диапазон измерений: амперметры до 3000 А, вольтметры до 600 В. Класс точности 1.5.

Амперметры, рассчитанные на измерение токов выше 50 А подключают к измеряемой цепи через трансформатор тока с номинальным вторичным рабочим током 5 А.

Принцип действия амперметров и вольтметров серии Э47

Амперметры и вольтметры Э47 относятся к приборам с электромагнитной системой. В составе имеют круглую катушку с помещенными внутрь подвижным и неподвижным сердечниками. При протекании тока через витки катушки, создается магнитное поле, намагничивающее оба сердечника. Вследствие чего.

одноименные полюса сердечников отталкиваются, и подвижный сердечник поворачивает ось со стрелкой. Для защиты от негативного влияния внешних магнитных полей, катушка и сердечники защищены металлическим экраном.

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии поля постоянного магнита и проводников с током, а электромагнитной - на втягивании стального сердечника в неподвижную катушку при существовании в ней тока. Электродинамическая система имеет две катушки. Одна из катушек, подвижная, укрепляется на оси и располагается внутри неподвижной катушки.

Принцип действия прибора, возможность его работы в тех или иных условиях, возможные предельные погрешности прибора могут быть установлены по условным обозначениям, нанесенным на циферблат прибора.

Например: (А) - амперметр; (~) - переменный ток в пределах от 0 до 50А; () - вертикального положения, класс точности 1,0 и т.д.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения имеют ферромагнитные магнитопроводы, на которых располагаются первичные и вторичные обмотки. Число витков вторичной обмотки всегда больше первичной.

Зажимы первичной обмотки трансформатора тока обозначают буквами Л1 и Л2 (линия), а вторичной - И1 и И2 (измерение). По правилам техники безопасности один из зажимов вторичной обмотки трансформатора тока, так же, как и трансформатора напряжения, заземляют, что делается на случай повреждения изоляции. Первичную обмотку трансформатора тока включают последовательно с объектом, у которого проводят измерения. Сопротивление первичной обмотки трансформатора тока мало по сравнению с сопротивлением потребителя. Вторичная обмотка замыкается на амперметр и токовые цепи приборов (ваттметр, счетчик и т. д.). Токовые обмотки ваттметров, счетчиков и реле рассчитывают на 5А, вольтметры, цепи напряжения ваттметров, счетчиков и обмоток реле - на 100 В.

Сопротивления амперметра и токовых цепей ваттметра невелики, поэтому трансформатор тока работает фактически в режиме короткого замыкания. Номинальный ток вторичной обмотки равен 5А. Коэффициент трансформации трансформатора тока равен отношению первичного тока к номинальному току вторичной обмотки, а у трансформатора напряжения - отношению первичного напряжения ко вторичному номинальному.

Сопротивление вольтметра и цепей напряжения измерительных приборов всегда велико и составляет не менее тысячи Ом. В связи с этим трансформатор напряжения работает в режиме холостого хода.

Показания приборов, включенных через трансформаторы тока и напряжения, необходимо умножать на коэффициент трансформации.

Трансформаторы тока ТТИ

Трансформаторы тока ТТИ предназначены: для применения в схемах учета электроэнергии при расчетах с потребителями; для применения в схемах коммерческого учета электроэнергии; для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам или устройствам защиты и управления. Корпус трансформатора выполнен неразборным и опломбирован наклейкой, что делает невозможным доступ ко вторичной обмотке. Клеммные зажимы вторичной обмотки закрываются прозрачной крышкой, что обеспечивает безопасность при эксплуатации. Кроме того, крышку можно опломбировать. Это особенно важно в схемах учета электроэнергии, так как позволяет исключить несанкционированный доступ к клеммным зажимам вторичной обмотки.

Встроенная медная луженая шина у модификации ТТИ-А - дает возможность подключения как медных, так и алюминиевых проводников.

Номинальное напряжениe - 660 В; номинальная частота сети - 50 Гц; класс точности трансформатора 0,5 и 0,5S; номинальный вторичный рабочий ток - 5А.

Электронные аналоговые приборы представляют собой сочетание различных электронных преобразователей и магнитоэлектрического прибора и служат для измерения электрических величин. Они обладают высоким входным сопротивлением (малым потреблением энергии от объекта измерения) и высокой чувствительностью. Используются для измерения в цепях повышенной и высокой частоты.

Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на преобразовании измеряемого непрерывного сигнала в электрический код, отображаемый в цифровой форме. Достоинствами являются малые погрешности измерения (0.1-0,01 %) в широком диапазоне измеряемых сигналов и высокое быстродействие от 2 до 500 измерений в секунду. Для подавления индустриальных помех они снабжены специальными фильтрами. Полярность выбирается автоматически и указывается на отсчетном устройстве. Содержат выход на цифропечатающее устройство. Используются как для измерения напряжения и тока, так и пассивных параметров - сопротивление, индуктивность, емкость. Позволяют измерять частоту и ее отклонение, интервал времени и число импульсов.

План

Введение

Измерители силы тока

Измерение напряжения

Комбинированные приборы магнитоэлектрической системы

Универсальные электронные измерительные приборы

Шунты измерительные

Приборы для измерения сопротивлений

Определение сопротивления заземления

Магнитный поток

Индукция

Список литературы

Введение

Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путем, с помощью специальных технических средств – измерительных приборов.

Таким образом, измерение – это информационный процесс получения опытным путем численного отношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Результат измерения – именованной число, найденное путем измерения физической величины. Одна из основных задач измерения – оценка степени приближения или разности между истинным и действительным значениями измеряемой физической величины – погрешности измерения.

Основными параметрами электрических цепей являются: сила тока, напряжение, сопротивление, мощность тока. Для измерения этих параметров используют электроизмерительные приборы.

Измерение параметров электрических цепей осуществляется двумя способами: первый – прямой метод измерения, второй – косвенный метод измерения.

Прямой метод измерения подразумевает получения результата непосредственно из опыта. Косвенным измерением называют измерение, при котором искомая величина находится на основании известной зависимости между этой величиной и величиной, полученной в результате прямого измерения.

Электроизмерительные приборы – класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений – меры, преобразователи, комплексные установки.

Электроизмерительные приборы классифицируются следующем образом: по измеряемой и воспроизводимой физической величине (амперметр, вольтметр, омметр, частометр и др.); по назначению (измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства); по способу предоставления результатов измерений (показывающие и регистрирующие); по методу измерений (приборы непосредственно оценки и приборы сравнения); по способу применения и по конструкции (щитовые, переносные и стационарные); по принципу действия (электромеханические – магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, ферродинамические, индукционные, магнитодинамические; электронные; термоэлектрические; электрохимические).

В данном реферате я постараюсь рассказать об устройстве, принципе действия, дать описание и краткую характеристику электроизмерительным приборам электромеханического класса.

Измерение силы тока

Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах (рис.1). Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи (рис.2) , силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений - с шунтом или через трансформатор.

Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол, пропорциональной величине измеряемого тока.

Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.

Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными - силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.

Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.

Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействия между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах - через трансформатор.

Технические данные некоторых типов отечественных амперметров, миллиамперметров, микроамперметров, магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, а также тепловой систем приведены в таблице 1.

Таблица 1. Амперметры, миллиамперметры, микроамперметры

Измерение напряжения

Вольтметр - измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях (рис. 3). Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии (рис.4).

По принципу действия вольтметры разделяются на: электромеханические - магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические; электронные - аналоговые и цифровые. По назначению: постоянного тока; переменного тока; импульсные; фазочувствительные; селективные; универсальные. По конструкции и способу применения: щитовые; переносные; стационарные. Технические данные некоторых отечественных вольтметров, милливольтметров магнитоэлектрической, электродинамической, электромагнитной, а также тепловой систем представлены в таблице 2.

Таблица 2. Вольтметры и милливольтметры

Для измерения в цепях постоянного тока используются комбинированные приборы магнитоэлектрической системы ампер-вольметры. Технические данные о некоторых типах приборов приведены в таблице 3.

Таблица 3. Комбинированные приборы магнитоэлектрической системы .

Технические данные о комбинированных приборах – ампервольметрах и ампервольтваттметрах для измерения напряжения и тока, а также мощности в цепях переменного тока.

Комбинированные переносные приборы для измерения в цепях постоянного и переменного токов обеспечивают измерение постоянных и переменных токов и сопротивлений, а некоторые – также емкость элементов в весьма широком диапазоне, отличаются компактностью, имеют автономное питание, что обеспечивает их широкое применение. Класс точности этого типа приборов на постоянном токе 2,5; на переменном – 4,0.

Универсальные электронные измерительные приборы

Универсальные измерительные приборы (универсальные вольтметры) находят широкое применение для измерения электрических величин. Эти приборы позволяют, как правило, измерять в исключительно широких пределах переменные и постоянные напряжения и токи, сопротивления, в некоторых случаях частоту сигналов. В литературе их часто называют универсальными вольтметрами, в силу того, что любая измеряемая приборами величина так или иначе преобразуется в напряжение, усиливается широкополосным усилителем. Приборы имеют стрелочную шкалу (прибор электромеханического типа), либо дисплей с жидкокристаллическим индикатором, в некоторых приборах имеются встроенные программы, обеспечивается математическая обработка результатов.

Сведения о некоторых типах современных отечественных универсальных приборов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Универсальные измерительные приборы

К универсальным приборам прилагаются аксессуары:

1. Пробник для измерения переменного напряжения в диапазоне 50 кГц-1 ГГц для расширения переменного напряжения всеми универсальными вольтметрами и мультиметрами.

2. Делитель постоянного напряжения высоковольтный до 30 кВ 1: 1000. В таблице 5 приведены технические данные универсального В3-38В.

Таблице 5. Технические данные цифрового милливольтметра В3-38В

Универсальные вольтметры с жидкокристаллической индикацией результатов измерения постоянного и переменного токов и напряжений, сопротивление по 2/4 проводной схеме, частоты и периоды, измерение среднеквадратичного значения переменного тока и напряжения произвольной формы.

Кроме того, при наличии сменных термодатчиков приборы обеспечивают измерение температуры от -200 до +1110 0 С, измерение мощности, относительных уровней (дБ), запись/считывание до 200 результатов измерений, автоматический или ручной выбор пределов измерений, встроенную программу тестового контроля, музыкальный звуковой контроль.

Шунты измерительные

Шунты предназначены для расширения пределов измерения тока. Шунт представляет собой калиброванный обычно плоский, проводник (резистор) специальной конструкции из манганина, по которому проходит измеряемый ток. Падение напряжения на шунте является линейной функцией тока. Номинальному напряжению соответствует номинальный ток шунта. Применяются в основном в цепях постоянного тока в комплекте с магнитоэлектрическими измерительными приборами. При измерении небольших токов (до 30 А) шунты встраиваются в корпус прибора. При измерении больших токов (до 7500 А) применяются наружные шунты. Шунты подразделяются по классам точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5.

Для расширения пределов измерения приборов по напряжению используются калиброванные резисторы, называемые добавочными сопротивлениями. Добавочные резисторы изготавливают из манганиновой изолированной проволоки и также подразделяются по классам точности. Сведения о шунтах представлены в таблице 6.

Таблица 6. Измерительные шунты

Приборы для измерения сопротивлений

Приборы для измерения электрического сопротивления в зависимости от диапазона измеряемого приборами сопротивления называют омметрами, микроомметрами, магаомметрами. Для измерения сопротивления растеканию тока заземляющих устройств применяются измерители заземления. Сведения о некоторых типах этих приборов приведены в таблице 7.

Таблице 7. Омметры, микроомметры, мегаомеетры, измерители заземления

Определение сопротивления заземления

Под термином заземление подразумевается электрическое подключение какой-либо цепи или оборудования к земле. Заземление используется для установки и поддержания потенциала подключенной цепи или оборудования максимально близким к потенциалу земли. Цепь заземления образована проводником, зажимом, с помощью которого проводник подключен к электроду, электродом и грунтом вокруг электрода. Заземление широко используется с целью электрической защиты. Например, в осветительной аппаратуре заземление используется для замыкания на землю тока пробоя, чтобы защитить персонал и компоненты оборудования от воздействия высокого напряжения. Низкое сопротивление цепи заземления обеспечивает стекание тока пробоя на землю и быстрое срабатывание защитных реле. В результате постороннее напряжение как можно быстрее устраняется, чтобы не подвергать его воздействию персонал и оборудование. Чтобы наилучшим образом фиксировать опорный потенциал аппаратуры в целях ее защиты от статического электричества и ограничить напряжения на корпусе оборудования для защиты персонала, идеальное сопротивление цепи заземления должно быть равно нулю.

ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Вольтметром измеряется напряжение между штырями X и Y и амперметром - ток, протекающий между штырями X и Z (рис.5)

Заметим, что точки X,Y и Z соответствуют точкам X,P и C прибора, работающего по 3-точечной схеме или точкам С1,Р2 и С2 прибора, работающего по 4-точечной схеме.

Пользуясь формулами закона Ома E = R I или R = E / I, мы можем определить сопротивление заземления электрода R. Например, если Е = 20 В и I = 1 А, то:

R = E / I = 20 / 1 = 20 Ом

При использовании тестера заземления не потребуется производить эти вычисления. Прибор сам сгенерирует необходимый для измерения ток и прямо покажет значение сопротивления заземления.

Для примера рассмотри измеритель зарубежной фирмы изготовителя марки 1820 ER (рис.6 и таблица 8).

Таблица 8. Технические данные измерителя типа 1820 ER

Магнитный поток

Общие сведения.

Магнитный поток - поток как интеграл вектора магнитной индукции через конечную поверхность . Определяется через интеграл по поверхности

при этом векторный элемент площади поверхности определяется как

где - единичный вектор, нормальный к поверхности.

где α - угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости площади.

Магнитный поток через контур также можно выразить через циркуляцию векторного потенциала магнитного поля по этому контуру:

Единицы измерения

В системе СИ единицей магнитного потока является вебер (Вб, размерность - В·с = кг·м²·с −2 ·А −1), в системе СГС - максвелл (Мкс); 1 Вб = 10 8 Мкс.

Прибор для измерения магнитных потоков называется Флюксметр (от лат. fluxus - течение и …метр) или веберметр.

Индукция

Магнитная индукция - векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью .

Более точно, - это такой вектор, что сила Лоренца , действующая на заряд , движущийся со скоростью , равна

где α - угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Также магнитная индукция может быть определена как отношение максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на её площадь.

Является основной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.

В системе СГС магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ - в теслах (Тл)

1 Тл = 10 4 Гс

Магнитометры, применяемые для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами.

Список литературы

1. Справочник по электротехнике и электрооборудованию, Алиев И.И.

2. Электротехника, Рябов В.И.

3. Современное измерительное электрооборудование, Журавлев А.