Учебно-методический блок «Электроизмерительные приборы и

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Электроизмерительные приборы
и их применение
Нормативный блок
Для специальностей и единичных квалификаций, связанных с производством, передачей и
потреблением электроэнергии; обслуживанием, монтажом и ремонтом соответствующих
устройств (сильноточная техника), связанных с производством электронной техники,
полупроводниковых приборов, вычислительной техники, радиотехнических устройств
(слаботочная техника) и единичных квалификаций, по которым необходимо знать общие
основы электротехники.
Рабочая учебная программа
Тема «Электроизмерительные приборы и их приемнение»
Количество часов по предмету - 80;
количество часов по теме - 9(условно).
Цели
Содержание темы
Результат
изучения темы
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ
Сформировать
Виды и методы электриХарактеризует виды и
знания о видах и ческих измерений.
методы.
Определяет
методах электричеПогрешности измерений.
погрешности измерений
ских измерений.
Класс точности измери- по предлагаемой метоНаучить опреде- тельных приборов. Класси- дике.
Характеризует
лять
погрешности фикация
измерительных класс точности измериизмерений.
приборов и систем их обо- тельных
приборов,
Дать понятие о значения.
классифицирует
их,
классе точности изПравила эксплуатации и объясняет систему обомерительных прибо- сбережения электроизмери- значений и порядок
ров, их классифика- тельных приборов.
производства измереции и системе обоОсновные правила про- ний.
значения, правилах изводства измерений.
эксплуатации и производстве измерений.
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Сформировать
Аналоговые электроизмеОбъясняет устройстзнания об устройстве, рительные приборы (магни- во, принцип действия и
принципе действия и тоэлектрические,
электро- назначение аналоговых
назначении аналого- магнитные, электродинами- и цифровых электроизвых
и
цифровых ческие, электростатические, мерительных приборов,
электроизмерительтермоэлектрические и вы- области их применения.
ных приборов, облас- прямительные). Их устройти их применения.
ство, принцип действия и
назначение. Понятие о цифровых электроизмерительных приборах. Назначение и
основные принципы их построения.
Цели
Содержание темы
Результат
изучения темы
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ
Научить производить измерения напряжения, мощности
и
электрической
энергии.
Научить
рассчитывать
параметры
шунтов и добавочных
резисторов для расширения
пределов
измерения в типовых
и нестандартных ситуациях
Схемы включения
амперметра,
вольтметра,
ваттметра,
индукционных счётчиков.
Расширение
пределов измерения амперметра, вольтметра.
Осуществляет
измерения величин тока,
напряжения, мощности и электрической
энергии по предлагаемой методике.
Рассчитывает параметры шунтов и
добавочных резисторов для расширения
пределов измерения в
типовых нестандартных ситуациях.
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ.
Научить производить измерения параметров электрических и магнитных
цепей
Измерение активного
сопротивления,
индуктивности, ёмкости, частоты, коэффициента
мощности,
магнитной индукции и
напряжённости
магнитного поля.
Производит измерения параметров электрических и магнитных
цепей.
ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
.Дать понятие об
измерении
неэлектрических величин с
помощью
измерительных преобразователей.
Понятие об измерении неэлектрических
величин
электрическими методами.
Классификация измерительных преобразователей (датчиков).
Характеризует особенности измерения
неэлектрических величин с помощью измерительных преобразователей.
БЛОК-КОНСПЕКТ
Занятие 1
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ
Измерением называют процесс сравнения измеряемой величины с определённым
значением той же величины, принятым за единицу.
Различают 2 вида электрических измерений: прямые измерения и косвенные. В первом
случае значение физической величины определяют непосредственно по показанию
прибора (измерение силы тока амперметром и т.д.), а во втором случае – на основании
зависимости между измеряемой величиной и величинами, полученными в результате
прямых измерений (например, определение электрического сопротивления по закону
Ома).
В зависимости от способов и средств измерений различают методы непосредственной
оценки (значение тока по амперметру и т.д.) и методы сравнения. Первый метод оценки
прост, но отличается сравнительно невысокой точностью. Второй метод заключается в
сравнении измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. Он обеспечивает
большую точность, но процесс измерения более сложен. Метод сравнения имеет
несколько разновидностей:
- нулевой метод – результирующий эффект воздействия сравниваемых величин на
измерительный прибор доводят до нуля (измерение электрического сопротивления с
помощью уравновешенного моста);
- дифференциальный метод – на измерительный прибор воздействует разность
измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой (измерение электрического
сопротивления с помощью неуравновешенного моста);
- метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной,
воспроизводимой мерой, добиваясь таких же показаний прибора как при действии
измеряемой величины.
Любое средство измерения характеризуется погрешностью. То же можно сказать и о
производстве измерений.
Абсолютная погрешность измерения – это разность между измеренным значением А
измеряемой величины и её истинным (действительным) значением Ад:
ДА=А-Ад
Абсолютная погрешность может быть и положительной, и отрицательной.
Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к истинному
значению измеряемой величины, выражаемое в процентах:
Относительная погрешность характеризует точность измерения.
Приведенная погрешность – это отношение абсолютной погрешности ДА к
нормирующему значению шкалы измерительного прибора (верхнему пределу измерения),
взятое в процентах:
Приведенная погрешность характеризует точность измерительного прибора.
Уровень точности средств измерений характеризуется классом точности (значением
приведенной погрешности, округлённым до ближайшего числа, соответствующего
стандартному ряду классов точности). Для электроизмерительных приборов установлено
8 классов точности:
0.05 и 0.1 – образцовые приборы для особо точных измерений;
0.2 и 0.5 – точные лабораторные приборы;
1.0 и 1.5 – точные технические приборы для обычных измерений;
2.5 – технические приборы;
4.0 – грубые технические приборы (учебные).
Промышленность выпускает измерительные приборы трёх эксплуатационных групп (А, Б
и В), характеризующих допустимую температуру окружающей среды. Принадлежность
прибора к группам Б и В указывается на шкале. Кроме того, на шкале указываются
система прибора, класс точности, положение прибора при измерении и т.д.
Таблица 1
Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов
По форме корпуса приборы бывают круглые, квадратные, прямоугольные и
секторообразные, а по характеру применения – стационарные, щитовые (панельные) и
переносные. Приборы, которые показывают значение электрической величины для
данного момента измерения, называются показывающими. Приборы, имеющие
устройства для записи показаний измерений в виде диаграмм или в цифровой форме,
называются регистрирующими (самопишущие или печатающие). Приборы,
показывающие суммарное значение измеряемой величины за определённый промежуток
времени (счётчики электроэнергии), называются интегрирующими.
В процессе эксплуатации измерительные приборы не должны подвергаться различного
рода воздействиям (механическим и др.). Прибор должен использоваться по своему
назначению, в соответствии с его техническими данными. Для большей точности
измерения, значение измеряемой величины должно находиться во второй половине
шкалы.
Контрольные вопросы
1. Какие два вида электрических измерений различают?
2. Перечислите виды погрешностей.
3. Что такое класс точности электроизмерительного прибора?
Занятие 2
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Приборы магнитоэлектрической системы
Неподвижная часть прибора (рис. 1) состоит из постоянного магнита 1 и стального
цилиндра 3. Между полюсами магнита имеется кольцевой воздушный зазор, в котором
создаётся сильное магнитное поле. Подвижная часть прибора представляет собой катушку
2, выполненную тонким проводом на лёгкой алюминиевой рамке, свободно вращающейся
в кольцевом воздушном зазоре на двух полуосях. К передней полуоси крепится стрелка с
противовесами. Противодействующий момент создаётся с помощью двух спиральных
пружин 4, через которые на рамку подводится электрический ток.
Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля тока, проходящего по
обмотке рамки, с магнитным полем постоянного магнита. При прохождении
электрического тока по обмотке рамки, она поворачивается на угол, значение которого
пропорционально измеряемой силе тока (напряжению). Направление поворота рамки и
стрелки зависит от направления тока в обмотке рамки. Это не позволяет использовать
прибор в цепях переменного тока, поэтому приборы этой системы применяются в
качестве вольтметров и миллиамперметров (микроамперметров) в цепях постоянного
тока. Кроме того, они обладают низкой перегрузочной способностью. К их достоинствам
можно отнести высокий класс точности и высокую чувствительность.
Приборы электромагнитной системы
Промышленность выпускает приборы в двух вариантах: с плоской и круглой катушкой.
Подробнее остановимся на первом варианте.
Прибор с плоской катушкой (рис. 2) представляет собой катушку 1, намотанную на
каркас, имеющий щелевидное отверстие. Подвижная часть прибора содержит ось со
стрелкой, несимметрично укреплённый сердечник 2 и возвратную пружину 3. Для
быстрого успокоения стрелки предназначен успокоитель с воздушным торможением 4.
Принцип действия механизма основан на взаимодействии магнитного поля тока,
проходящего по обмотке катушки, с магнитным полем намагничивающегося
ферромагнитного сердечника. Вследствие этого взаимодействия, сердечник втягивается
внутрь катушки, благодаря чему указательная стрелка отклоняется до тех пор, пока
вращающий момент не будет уравновешен противодействующим моментом спиральной
пружины. Угол поворота подвижной части зависит от силы, с которой сердечник
втягивается внутрь катушки. Эта сила пропорциональна току и магнитной индукции В
поля катушки:
где k – коэффициент пропорциональности.
Прибор может работать в цепях постоянного и переменного тока. Это объясняется тем,
что изменение направления тока в катушке приводит к перемагничиванию сердечника, изза чего направление вращающего момента и отклонение стрелки не меняется. При
переменном токе прибор показывает действующие значения тока или напряжения. В
отличие от приборов магнитоэлектрической системы, данные приборы способны
выдерживать кратковременные перегрузки. Они надёжны в эксплуатации и отличаются
дешевизной, но обладают сравнительно невысокой точностью, неравномерностью шкалы
и другими недостатками.
Приборы электродинамической системы
Прибор (рис. 3) имеет неподвижную катушку 1, содержащую небольшое число витков
провода большого сечения, и подвижную катушку 2 с большим числом витков провода
малого сечения, размещённую внутри неподвижной. На оси подвижной катушки
укреплены стрелка 5 и пружины 4, предназначенные для подведения тока и создания
противодействующего момента. Нижний конец стрелки оканчивается поршнем 3
воздушного успокоителя, т.к. из-за чувствительности прибора к внешним магнитным
полям применение магнитного успокоителя недопустимо.
Обмотку неподвижной катушки называют токовой и включают в цепь последовательно.
Обмотка подвижной катушки называется обмоткой напряжения. Она имеет большее, чем
токовая обмотка, электрическое сопротивление и включается в цепь параллельно. При
включении прибора в цепь через неподвижную катушку будет проходить ток нагрузки, а
через подвижную – ток, пропорциональный напряжению на нагрузке, что вызовет
возникновение вращающего момента, пропорционального мощности, потребляемого
нагрузкой:
Приборы электродинамической системы применяют в качестве ваттметров переменного и
постоянного тока. Для них характерны высокая точность и равномерность шкалы, но и
сравнительно большое потребление мощности и малая устойчивость к перегрузкам.
Приборы электростатической системы
Электростатический механизм (рис. 4) состоит из двух и более металлических
изолированных пластин, выполняющих роль электродов. На неподвижные 1 и подвижные
2 пластины подаются потенциалы разных знаков. Под действием сил электрического поля
между пластинами подвижная пластина, закреплённая вместе с указателем на оси,
поворачивается. При постоянном напряжении на пластинах, вращающий момент
пропорционален зарядам на этих пластинах:
При синусоидальном напряжении подвижная часть реагирует на среднее значение
момента:
где U – действующее значение напряжения.
Из этого следует, что шкала является квадратичной, а подбором формы пластин получают
практически равномерную шкалу.
Данные приборы применяют в качестве вольтметров постоянного и переменного тока.
Они нечувствительны к внешним магнитным полям (изолированы электростатическими
экранами) и колебаниям температуры, потребляют малое количество энергии, обладают
широким частотным диапазоном.
Приборы термоэлектрической системы
Основой работы такого прибора является возникновение термо-эдс при нагреве места
контактного соединения двух металлов, обладающих разной работой выхода электронов.
Эта часть прибора называется термопарой. Кроме того, в приборе используется
микроамперметр магнитоэлектрической системы или магнитоэлектрический логометр.
Так как отклонение стрелки пропорционально силе тока в цепи, сила тока
пропорциональна термо-эдс, а последняя – температуре нагрева контактного соединения
металлов, то прибор обычно применяется в качестве электрического термометра.
Приборы выпрямительной системы
В приборах данной системы применяется магнитоэлектрический измерительный
механизм, включаемый через схемы выпрямления. Применяются в многофункциональных
и комбинированных приборах. В таких приборах градуируются две шкалы: одна – для
постоянного тока, вторая – для переменного.
Цифровые электроизмерительные приборы
Принцип действия основан на преобразовании измеряемого непрерывного сигнала в
электрический код, отображаемый в цифровой форме. В общем случае цифровой прибор
содержит входное устройство (ВУ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и
цифровое отсчётное устройство (ЦОУ).
ВУ предназначено для обеспечения большого входного сопротивления, изменения
пределов измерения и определения полярности входного сигнала. АЦП преобразует
аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода,
пропорционального измеряемой величине. На табло ЦОУ отображается результат
измерения.
Цифровой прибор обладает малой погрешностью измерения в широком диапазоне
измеряемых сигналов, высоким быстродействием и другими достоинствами.
К недостаткам можно отнести их сложность.
Контрольные вопросы:
1. Объясните устройство, принцип действия и область применения приборов
магнитоэлектрической системы.
2. Объясните устройство, принцип действия и область применения приборов
электромагнитной системы.
3. Каковы достоинства и недостатки приборов магнитоэлектрической и электромагнитной
систем?
4. Объясните устройство, принцип действия и область применения приборов
электродинамической системы. Достоинства и недостатки.
5. Объясните устройство и принцип действия приборов электростатической системы. Где
они применяются?
6. Объясните устройство и принцип действия термоэлектрического прибора.
7. Объясните устройство и принцип действия цифровых электроизмерительных приборов,
их достоинства и недостатки?
Занятие 3
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ
Измерение тока и напряжения
Для измерения тока и напряжения используются амперметры и вольтметры различных
систем (магнитоэлектрической, электромагнитной, электростатической и др.).
Амперметр включается в цепь последовательно с нагрузкой.
Включение амперметра не должно влиять на измеряемый ток в цепи, поэтому
сопротивление прибора должно быть намного меньше сопротивления нагрузки.