Виды основные методы и технология электротехнических измерений. Виды и методы электрических измерений

ЭЛЕКТРОННОЕ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ»

Выполнила:

преподаватель КНТ Архипова Н.А.

Кстово 2015

Рассмотрено на ПЦК

электротехнических дисциплин

«___»_________20___ г.

Протокол №_________

Председатель ПЦК Н.И. Фомочкина

Утверждено

на методическом

совете

«___»_________20___г.

Председатель методического совета Е.А. Костина

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220703 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) очного отделения.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Раздел 1. Государственная система обеспечения единства измерений 5

Тема 1.1 Основные виды и методы измерений, их классификация 5

Тема 1.2. Метрологические показатели средств измерения 7

Раздел 2 Приборы и методы электрических измерений 9

Тема 2.1 Механизмы и измерительные цепи электромеханических

приборов 9

Тема 2.2 Приборы и методы измерения тока 14

Тема 2.3 Приборы и методы измерения напряжения 18

Тема 2.4 Приборы и методы измерения мощности и энергии 21

Тема 2.5 Приборы и методы измерения параметров электрических цепей 24

приборы 28

Раздел 3 Исследование формы сигналов 31

Тема 3.1 Осциллографы 31

Тема 3.2 Приборы и методы измерения частоты и интервала времени 32

Тема 3.3 Приборы и методы измерения фазового сдвига 35

ВВЕДЕНИЕ

Цель и задачи учебной дисциплины. Краткие сведения из истории развития электрических измерений. Связь данной учебной дисциплины с другими дисциплинами.

Проведение измерений является одним из основных средств получения объективных знаний о мире, а накопленный экспериментальный материал это база для обобщений и установления закономерностей его существования и развития. Вместе с тем проведение измерений имеет безусловное практическое значение, во многом на результатах измерений базируется и техническое развитие, и взаимодействие между отдельными субъектами хозяйственной деятельности. Среди всех измерений особое место занимают электротехнические измерения в силу универсальности электрических сигналов и имеющихся возможностей для их обработки и хранения, часто при измерении магнитных и неэлектрических величин выходным сигналом преобразователя является именно электрический сигнал.

Раздел 1. Государственная система обеспечения единства

измерений

Тема 1.1 Основные виды и методы измерений, их

классификация

Роль и значение электроизмерительной техники. Определение понятия «измерение». Единицы физических величин. Классификация методов измерений и их краткая характеристика. Прямой и косвенный методы. Методы непосредственной оценки и методы сравнения (дифференциальный, нулевой, замещения). Понятие о средствах измерений: меры основных электрических величин, электроизмерительные приборы, электроизмерительные установки, измерительные преобразователи, информационные системы. Классификация и маркировка электроизмерительных приборов.

К числу технических средств измерения относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и измерительные системы. Измерительным преобразователем называют устройство, предназначенное для преобразования измеряемого параметра в сигнал, удобный для дальнейшей передачи на расстояние или в цепь управляющего устройства.

Преобразователи подразделяют на первичные (датчики), промежуточные, передающие и масштабные. Измеряемую величину называют входной, а результат преобразования - выходным сигналом.

Первичные преобразователи предназначены для преобразования физических величин в сигналы, а передающие и промежуточные преобразователи формируют сигналы, удобные для передачи на расстояние и регистрации.

К масштабным относят преобразователи, с помощью которых измеряемая величина изменяется в заданное число раз, т. е. они не преобразуют одну физическую величину в другую.

Измерительным прибором называют устройство, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (оператором). Измерительные приборы делят на две группы.

К первой группе относят аналоговые приборы, показания которых являются не прерывной функцией измеряемого параметра.

Вторая группа включает в себя цифровые приборы. Они вырабатывают дискретные сигналы измеряемой информации в цифровой форме.

Измерительная система объединяет измерительные преобразователи и приборы, обеспечивая измерения параметра без участия человека.

Государственный стандарт устанавливает применение Международной системы единиц (СИ) во всех областях науки и техники.

В состав СИ входят семь основных единиц, две дополнительные и двадцать семь важнейших производных единиц. В состав основных единиц входят: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль), кандела (кд).

К дополнительным единицам системы СИ относятся радиан и стерадиан, а все остальные единицы являются производными. Например, единица силы - ньютон (Н), сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2; единица давления - паскаль (Па), за единицу давления принимается такое равномерно распределенное давление, при котором на 1 м2 действует нормально к поверхности сила, равная 1 Н.

Все измерения делят на прямые и косвенные. При прямых измерениях числовое значение измеряемого параметра определяют непосредственно измерительным прибором: например, измерение температуры термометром или линейных размеров детали мерительным инструментом.

Косвенные измерения предусматривают определение искомого параметра на основании прямого измерения вспомогательной величины, связанной с измеряемым параметром определенной функциональной зависимостью. Например, определение объема тела по его длине, ширине и высоте или измерение температуры по изменению электропроводности термометра сопротивления.

Вопросы для самопроверки

Что такое измерение?

Какова классификация видов измерений?

В чем отличие образцовых измерительных средств от рабочих?

Как классифицируются и обозначаются электроизмерительные и радиоизмерительные приборы?

Тема 1.2. Метрологические показатели средств измерений

Виды ошибок, их классификация по форме числового выражения, по закономерности появления, по вероятности реализации.

Систематические погрешности, их задание и оценка. Случайные погрешности, источники их появления. Законы распределения погрешностей. Характеристики нормального распределения. Выявление промахов.

Погрешности как характеристики средств измерений. Виды погрешностей и основные причины их возникновения. Определение приборной погрешности на основании класса точности прибора. Предел, цена деления, чувствительность электроизмерительного прибора. Типовая методика проверки электроизмерительных приборов. Общие сведения обработки результатов измерений.

Любое измерение должно проходить по системе: планирование, проведение измерений, математическая обработка результатов измерений. При обработке обращать внимание на выявление промахов. Очень важно научиться рассчитывать результирующую погрешность, знать, как суммируются систематические и случайные погрешности, как определяется результирующая погрешность с заданным уровнем вероятности.

В зависимости от причин погрешности подразделяют на пять групп: погрешности метода измерения, инструментальные, настройки прибора и его взаимодействия с объектом измерения, динамические и субъективные погрешности.

Погрешности метода измерения являются результатом выбранной схемы измерения, не позволяющей устранить источники известных погрешностей.

Инструментальные погрешности зависят от несовершенства измерительных устройств, т. е. от погрешностей изготовления деталей измерительного прибора.

Погрешности настройки измерительных приборов определяются условиями эксплуатации. Погрешности могут возникать при взаимодействии прибора с объектом измерения; например, такие погрешности, которые вызываются влиянием измерительного усилия на деформацию измеряемой детали.

Динамические погрешности возникают при преобразовании измеряемой величины. Динамические погрешности появляются в результате инерционности изменения измеряемого параметра.

Субъективные погрешности появляются вследствие ограниченных физических возможностей оператора.

В зависимости от условий работы различают два вида погрешностей: основные и дополнительные.

Основные погрешности имеют место при нормальных режимах работы измерительного прибора, когда влияние внешних факторов минимально.

Дополнительные погрешности вызываются воздействием внешних факторов, нарушающих нормальные условия работы прибора, например, изменением температуры или давления окружающей среды.

Если значение абсолютной погрешности отнести к истинному значению А0 измеряемого параметра, то получим относительную погрешность , т. е.

= / А0.

Отношение абсолютной погрешности к диапазону шкалы прибора N называют приведенной относительной погрешностью.

Вопросы для самопроверки

По каким признакам классифицируются ошибки?

Чем отличается относительная ошибка от приведенной?

Какие показатели применяются для характеристики случайной погрешности?

Каким образом можно выявить «промах» в ряде полученных результатов измерений?

В чем отличие равноточных измерений от неравноточных?

Какова методика обработки результатов косвенных измерений?

Как рассчитать результирующую погрешность?

ВАРИАНТ №1

Вопросы

1. Какую погрешность называют абсолютной?

разность между измеренным и действительным значениями величины

2 . Что такое чувствительность прибора?

отношение изменения

это число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы прибора

3 . Диапазон показаний - это

область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы

которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений

4 . Что такое калибровка СИ?

совокупность операций, выполняемых с целью определения действительных значений метрологических характеристик

совокупность операций и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

5 . Приведенная погрешность

отношение абсолютной погрешности к действительному значению, выраженное в процентах

отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, выраженное в процентах

разность между измеренным и действительным значением величины

ВАРИАНТ №2

Вопросы

1 . Какую погрешность называют относительной?

отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, выраженное в процентах

разность между измеренным и действительным значением величины

отношение абсолютной погрешности к действительному значению, выраженное в процентах

2.Что такое цена деления прибора?

число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы прибора

отношение изменения

выходного сигнала к вызвавшему его изменению измеряемой величины

область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы

3 . Вариация показаний прибора - это

разность между измеренным и действительным значением величины

наибольшая разность показаний при одном и том же значении измеряемой величины

4 . Диапазон измерений - это

область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности прибора

разность между измеренным и действительным значением величины

область значений шкалы прибора, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы

5 . Что такое поверка СИ?

совокупность операций, выполняемых с целью определения действительных значений МХ.

совокупность операций и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений

совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям

Раздел 2 Приборы и методы электрических измерений

Тема 2.1 Механизмы и измерительные цепи

электромеханических приборов

Измерительные механизмы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, электростатической, индукционной систем. Общий принцип создания различных электроизмерительных механизмов. Принцип действия электромеханических приборов. Понятие об измерительных цепях. Измерительная цепь электроизмерительных приборов: вольтметров, амперметров, ваттметров. Условные обозначения, наносимые на приборы.

Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется либо с подвижной катушкой (рамкой), либо с подвижным магнитом. Большее применение имеет первая из указанных групп.

Принцип действия магнитоэлектрического механизма основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток. Противодействующий момент может создаваться механическим и электромагнитным способами.

Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве: 1) амперметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях); 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока: а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов; б) вибрационных гальванометров, используемых в основном в качестве нулевых индикаторов переменного тока; в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести: 1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.

Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т. д.

В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе. В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.

Обе группы приборов делятся на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные. В поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки имеется постоянный магнит. Поляризованные нерезонансные приборы не обладают высокой точностью. Из резонансных приборов в основном применяются язычковые герцметры.

В зависимости от характера магнитной цепи нерезонансные приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса. Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга

Электродинамический ИМ состоит из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты. Катушки выполняют круглыми или прямоугольными. Круглые катушки дают, по сравнению с прямоугольными, увеличение чувствительности на 15-20%. Приборы с прямоугольными катушками имеют меньшие размеры прибора по вертикали.

В основе ферродинамических приборов лежит ферродинамический измерительный механизм. Принцип действия ферродинамического измерительного механизма заключается во взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с токами, и по существу является разновидностью электродинамического механизма. Отличие заключается в том, что для увеличения чувствительности ИМ содержит магнитопровод из магнитно-мягкого материала. Наличие магнитопровода значительно увеличивает магнитное поле в рабочем зазоре и при этом возрастает вращающий момент.

Электростатические приборы строятся на основе электростатического измерительного механизма, который представляет собой систему подвижных и неподвижных электродов. Под действием напряжения, приложенного к электродам, подвижные электроды отклоняются относительно неподвижных. В электростатических ИМ отклонение подвижной части связано с изменением емкости.

Электростатические приборы характеризуются: 1) весьма малым собственным потреблением мощности на постоянном токе и низких частотах. Это,объясняется тем, что оно обусловлено только кратковременным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектрических потерь в изоляции; 2) широким частотным диапазоном (от 20 Гц до 35 МГц); 3) малой зависимостью показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения; 4) возможностью использования их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, и др.

Точность электростатических приборов можно получить высокой за счет применения специальных конструктивно-технологических мероприятий по снижению погрешностей. В настоящее время разработаны переносные приборы классов точности 0,2; 0,1 и 0,05.

Конструктивно индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, которая обычно выполняется в виде алюминиевого диска, укрепленного на оси. Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывают перемещение подвижной части.

По числу магнитных потоков, пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными. Однопоточные индукционные механизмы в измерительной технике в настоящее время не применяются.

Изучая приборы электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем, необходимо обратить внимание на то, что по принципу действия эти приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Вопросы для самопроверки

1. Напишите и объясните условие статического равновесия подвижной части показывающего прибора и уравнение его шкалы.

2. Каким путем создаются противодействующие моменты в показывающих приборах?

3. Что такое собственное потребление энергии прибором, какое влияние оно может оказывать на результаты измерения?

4. Каковы принцип действия и устройство прибора магнитоэлектрической системы?

5. Каковы принцип действия и устройство приборов электромагнитной, электродинамической и электростатической систем?

6. Как устроены и каков принцип действия логометров магнитоэлектрической системы?

7. Какие применяются способы расширения пределов измерения приборов различных систем?

Тема 2.2 Приборы и методы измерения тока

Методы измерения тока. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения основных типов амперметров, токоизмерительных клещей. Расширение пределов измерения с помощью трансформаторов тока и шунтов. Применение комбинированных приборов для измерения тока. Выбор прибора для измерения тока, включение в цепь, измерение, обработка результата измерения.

Перед измерением тока нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и сопротивлении цепи,в которой производится измерение. Эти предварительные сведения позволят

выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор. Для измерения тока и напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения. Для измерения тока в какой-либо цепи последовательно в цепь включают амперметр.

Амперметр был разработан так, чтобы внутреннее сопротивление было как можно меньше. Поэтому, если вы включите не последовательно, а параллельно нагрузке обстоятельства могут быть непредсказуемые. Именно в последствии малого сопротивления внутри через амперметр потечет большой ток, что приведет к тому, что прибор сгорит или погорят провода.

Амперметр – измерительный прибор для определения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Показания амперметра всецело зависят от величины протекающего через него тока, в связи, с чем сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим. По своим конструктивным особенностям амперметры подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические, ферродинамические и выпрямительные.

Магнитоэлектрические амперметры служат для измерения силы тока малой величины в цепях постоянного тока. Они состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма и шкалы с нанесенными делениями, соответствующими различным значениям измеряемого тока.

Электромагнитные амперметры предназначены для измерения силы протекающего тока в цепях постоянного и переменного тока. Чаще всего используются для измерения силы в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Состоят из измерительного механизма, шкала которого размечена в единицах силы тока, протекающего по катушке прибора. Для изготовления катушки можно использовать провод большого сечения и, следовательно, измерять ток большой величины (свыше 200 А).

Термоэлектрические амперметры применяются для измерения в цепях переменного тока высокой частоты. Они состоят из магнитоэлектрического прибора с контактным или бесконтактным преобразователем, который представляет собой проводник (нагреватель), к которому приварена термопара (она может находиться на некотором расстоянии от нагревателя и не иметь с ним непосредственного контакта). Ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагрев (за счет активных потерь), который регистрируется термопарой. Возникающее термическое излучение воздействует на рамку магнитоэлектрического измерителя тока, которая отклоняется на угол, пропорциональный силе тока в цепи.

Электродинамические амперметры служат для измерения силы тока в цепях постоянного и переменного токов повышенной (до 200 Гц) частот. Приборы очень чувствительны к перегрузкам и внешним магнитным полям. Применяются в качестве контрольных приборов для проверки рабочих измерителей силы тока. Состоят из электродинамического измерительного механизма, катушки которого в зависимости от величины максимально измеряемого тока соединены последовательно или параллельно, и градуированной шкалы. При измерении токов малой силы катушки соединяются последовательно, а большой – параллельно.

Ферродинамические амперметры прочны и надежны по конструкции, малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей. Они состоят из ферродинамического измерительного аппарата и применяются главным образом в системах автоматических контроллеров в качестве самопишущих амперметров.

Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но, часто, возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение некоторой величины, значение которой больше пределов измерения прибора. Тем не менее, всегда оказывается возможным расширить пределы измерения данным прибором. Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник, по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения. Такое сопротивление называется шунтирующим. Результатом подобных действий станет то, что если амперметром, рассчитанным, например, на силу тока до 1 А, необходимо выполнить измерение тока в 10 раз больше, то сопротивление шунта должно быть в 9 раз меньше сопротивления амперметра. Разумеется, при этом цена градуировки увеличивается в 10 раз, а точность во столько же раз уменьшается.

Для расширения предела измерения амперметра (в k раз) в цепях постоянного тока служат шунты-резисторы, включаемые параллельно амперметру.

Шкалы амперметров обычно градуируют непосредственно в единицах силы тока:

амперах, миллиамперах или микроамперах. Нередко в лабораторной практике применяет многопредельные амперметры. Внутри корпуса таких приборов размещают несколько различных шунтов, которые подключаются параллельно индикатору с помощью переключателя пределов измерений. На лицевой панели многопредельных приборов указывают максимальные значения силы тока, которые могут быть измерены при том или ином положении переключателя пределов измерений. Цена деления шкалы (если у прибора имеется единственная шкала) будет разной для каждого предела измерений. Часто многопредельные приборы имеют несколько шкал, каждая из которых соответствует определенному пределу измерений.

Вопросы для самопроверки

Как измерить силу тока?

Что такое амперметр?

Основные типы амперметров

Как подключается амперметр?

Назначение шунтов

Решение задач по теме « Приборы и методы измерения тока»

ВАРИАНТ 1

Задача 1.

Амперметр с внутренним сопротивлением 0,28 Ом имеет шкалу на 50 дел. с ценой деления 0,01 А /дел. Определить цену деления и предельную величину измеряемого тока при подключении шунта с сопротивлением 0,02Ом.

Задача 2.

Шкала ИМ с сопротивлением 5Ом разбита на 100дел. Цена деления

0,2 мА/дел. Из этого механизма необходимо сделать амперметр на 10А. Как это сделать? Какой ток в цепи измерит амперметр, если стрелка отклонилась на 35дел.

Задача 3.

Определить значение сопротивления шунта, необходимого для расширения предела измерения амперметра с внутренним сопротивлением 5Ом, от номинального его значения 4мА до значения 15А.

ВАРИАНТ 2

Задача 1.

Шкала ИМ с внутренним сопротивлением 2Ом разбита на 150дел. Цена деления 0,2мА/дел. Из этого механизма необходимо сделать амперметр на 15А. Как это сделать?

Какой ток измерит амперметр, если стрелка отклонилась на 20дел.

Задача 2.

Определить значение сопротивления шунта для расширения предела измерения амперметра с внутренним сопротивлением 0,58Ом, от номинального значения 5А до значения 150А.

Задача 3.

К амперметру, рассчитанному на 5А с внутренним сопротивлением 0,6Ом и шкалой на 10дел. подключен шунт с сопротивлением 0,025Ом. При измерении тока стрелка отклонилась на 8дел. Определить ток в цепи, измеренный амперметром.

Тема 2.3 Приборы и методы измерения напряжения

Методы измерений напряжения. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения: электромеханических вольтметров, электронных вольтметров, цифровых вольтметров, компенсаторов. Применение комбинированных приборов для измерения напряжения. Выбор прибора для измерения напряжения, включения в цепь, измерение, обработка результата измерения.

Для измерения напряжения используются вольтметры. Вольтметры включаются параллельно тому участку цепи, где необходимо измерить напряжение. Чтобы прибор не потреблял большой ток и не влиял на величину напряжения цепи, обмотка его должна иметь большое сопротивление. Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем точнее он будет измерять величину напряжения. Для этого обмотка вольтметра изготовляется из большого числа витков тонкой проволоки. Для расширения пределов измерения вольтметров употребляются добавочные сопротивления, включаемые последовательно с вольтметрами. В этом случае напряжение сети распределяется между вольтметром и добавочным сопротивлением. Величину добавочного сопротивления необходимо подбирать с таким расчетом, чтобы в цепи с повышенным напряжением по обмотке вольтметра проходил тот же ток, что и при номинальном напряжении.

Большая часть применяемых сейчас стационарных измерительных устройств - это классические аналоговые электромеханические приборы. Их эксплуатационные и метрологические характеристики могут считаться достаточными для решения основных задач технических измерений. Классы точности данных устройств лежат в диапазоне от 0,1 до 4 %.

Принцип действия электромеханических измерительных приборов базируется на преобразовании электрической энергии входного сигнала в механическую энергию углового движения подвижной части отсчетного устройства. Кроме того электромеханические приборы, помимо автономного применения, могут использоваться и в качестве выходных устройств для других электронных аналоговых устройств.

В электромеханических приборах реализованы разные физические принципы, позволяющие преобразовать значение измеряемой характеристики в пропорциональное ей отклонение указателя. Конструкцию же электромеханического прибора любого типа можно представить в виде последовательного соединения входной цепи, измерительного устройства и отсчетного прибора.

Из всего разнообразия систем, конструкций и схем электромеханических измерительных приборов можно отметить следующие основные классы: магнитоэлектрические, выпрямительные, термоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, индукционные.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

по назначению – вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные, фазочувствительные, селективные;

по способу измерения - приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

по характеру измеряемого значения напряжения - амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения средневыпрямленного значения;

по частотному диапазону - низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

Измерители напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю готовность к работе и высокую надежность.

Выбор приборов, выполняющих измерения напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых: род измеряемого напряжения; примерные диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон; форма кривой измеряемого напряжения; мощность цепи, в которой осуществляется измерение; мощность потребления прибора; возможная погрешность измерения.

В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения, в частности на методе противопоставления.

Современные цифровые вольтметры содержат микропроцессорные блоки и снабжены клавиатурой, что позволяет автоматизировать процесс измерения, проводить его в соответствии с заданной программой, осуществлять требуемую обработку результатов измерений, расширять функциональные возможности прибора. Превратить его в мультиметр, позволяющий измерять не только напряжение постоянного тока, но и многие другие величины: напряжение переменного тока, сопротивление, емкость конденсатора, частоту и др.

Вопросы для самопроверки

Как можно измерить напряжение?

Как классифицируются электронные вольтметры?

Перечислите основные блоки цифровых вольтметров

Как производится выбор приборов для измерения напряжения?

Каковы значения коэффициентов амплитуды и формы при синусоидальном напряжении?

Нарисуйте принципиальные схемы вольтметров с линейным, пиковым и квадратичным детекторами.

Каковы разновидности структурных схем цифровых вольтметров?

Тема 2.4 Приборы и методы измерения мощности и энергии

Методы измерения мощности и электроэнергии. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения: ваттметров и электросчётчиков. Выбор приборов для измерения мощности и электроэнергии, включение их в цепь, измерение, обработка результатов измерения. Расширение пределов измерения.

Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU видно, что мощность можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

Мощность в электрических цепях измеряют прямым и косвенным способами. При прямом измерении используют ваттметры, при косвенном - амперметры и вольтметры.

В системах электроснабжения применяются измерительные приборы электрических величин. Наиболее применимыми являются амперметры, вольтметры, измерители мощности (ваттметры и варметры), счетчики активной и реактивной энергии. При выборе приборов измерения электрических величин следует учитывать род тока – постоянный или переменный.

Для измерения активной мощности применятся ваттметры. Ваттметры имеют две измерительные катушки, тока и напряжения. Момент вращения, создаваемый этими катушками, пропорционален протекающим через них токам.

Для измерения потребляемой электроэнергии применяют однофазные или трехфазные счетчики электрической энергии. Эти приборы имеют индукционные измерительные механизмы.

Ваттметр – измерительный прибор, имеющий назначение определять работу совершаемую электрическим током в единицу времени для прохождения тока через какой-либо проводник (определение мощности электрического тока или электромагнитного сигнала).

Ваттметр может определить количество ваттов необходимых для получения некоторой силы электрического света в каждую секунду времени или определить величину выполняемой работы в единицу времени каким-либо электрическим прибором. Работа совершаемая электрическим прибором в единицу времени (его мощность) определяется в ваттах и является произведением числа амперов (сила тока) потребляемых данным видом электрических потребителей на разность потенциалов (+ -) концов этой части цепи измеряемой в вольтах.

Для определения мощности электрического тока и используются ваттметры , представляющие собой не что иное, как электродинамометр. Проходящий ток распределяется на две части, одна из которых является, по сути, контролем, а вторая опытом, изменяя сопротивление на опытной части и измеряя разность потенциалов на выходе и определяется мощность электрического тока.

По назначению и диапазону частот ваттметры можно разделить на три основные категории:
– низкочастотные (и постоянного тока);
– радиочастотные;
– оптические.

Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и ее вывода пользователю ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.

Низкочастотные ваттметры используются преимущественно в сетях электропитания промышленной частоты для измерения потребляемой мощности, могут быть однофазные и трехфазные. Отдельную подгруппу составляют варметры - измерители реактивной мощности. Цифровые приборы обычно совмещают в себе возможность измерения активной и реактивной мощности.

Радиочастотные ваттметры образуют весьма большую и широко используемую подгруппу ваттметров радиодиапазона. Деление этой подгруппы связано в основном с применением различных типов первичных преобразователей. Выпускаемые ваттметры используют преобразователи на базе термистора, термопары или пикового детектора; значительно реже, применяются датчики, основанные на других принципах. При работе с ваттметрами поглощаемой мощности следует помнить, что из-за несогласования входного сопротивления приемных датчиков с волновым сопротивлением линии, часть энергии отражается и реально ваттметр измеряет не реальную мощность линии, а поглощенную, которая отличается от действительной.

Принцип действия термисторного преобразователя состоит в зависимости сопротивления термистора от температуры его нагрева, которая, в свою очередь зависит от рассеиваемой мощности сигнала, подаваемого на него. Измерение осуществляется методом сравнения мощности измеряемого сигнала, рассеиваемой в термисторе и разогревающей его, с мощностью тока низкой частоты, вызывающей такой же нагрев термистора. К недостаткам термисторных ваттметров относится их малый диапазон регистрации – несколько милливатт.

Расширение пределов измерения на постоянном токе по напряжению производится с помощью добавочных сопротивлений - шунтов. При измерениях на переменном токе расширение пределов производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. При этом необходимо соблюдать правильность включения генераторных клемм ваттметра.
Измерение мощности в трехфазных трехпроводных сетях производится с помощью двух однофазных ваттметров, включенных в две фазы.
Расширение пределов измерения производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. В этих же сетях для измерения мощности применяется трехфазный ваттметр.
В трехфазных четырехпроводных сетях измерение активной мощности производят с помощью трех однофазных ваттметров или одним трехэлементным ваттметром.
Реактивная мощность в однофазных сетях измеряется с помощью одного ваттметра, включенного по схеме, а в трехфазных - с помощью трех ваттметров.

Вопросы для самопроверки

Дайте определения и аналитические выражения активной и реактивной мощности.

Каковы методы измерения активной мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока?

Нарисуйте схему измерителя реактивной мощности.

Какие методы используются для измерения актив-
ной мощности и энергии в трехфазных цепях?

Тема 2.5 Приборы и методы измерения параметров электрических цепей.

Измерение сопротивлений. Омметры. Метод вольтметра и амперметра: схемы включения, их достоинства и недостатки. Погрешности метода. Мостовые схемы. Теория одинарного моста постоянного тока. Двойной мост.

Измерение параметров конденсаторов и индуктивностей. Мостовые схемы. Резонансные схемы. Измерения методом замещения. Погрешности измерений.

Для измерения сопротивлений применяют различные методы в зависимости от характера объектов и условий измерения (например, твердые и жидкие проводники, заземлители, электроизоляция); от требований к точности и быстроте измерения; от величины измеряемых сопротивлений. При изучении теории мостов необходимо уяснить причины, препятствующие применению одинарного моста постоянного тока для измерения малых сопротивлений. Рассмотреть теорию двойного моста. В теории мостов перешитого тока необходимо рассмотреть условия равновесия, отличающиеся от условий равновесия мостов постоянного тока.

Методы измерения малых сопротивлений существенно отличаются от методов измерения больших сопротивлений, так как в первом случае надо принимать меры для исключения влияния на результаты измерений сопротивления соединительных проводов, переходных контактов.

Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются: косвенный метод; метод непосредственной оценки и мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности. Наиболее универсальным из косвенных методов является метод амперметра-вольтметра.

Метод амперметра-вольтметра - о снован на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений и измерение малых сопротивлений. По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление.

Метод непосредственной оценки - п редполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Измерения омметром дают существенные неточности. По этой причине данный метод используют для приближенных предварительных измерений сопротивлений и для проверки цепей коммутации.

Мостовой метод - п рименяют две схемы измерения - схема одинарного моста и схема двойного моста. Одинарный мост постоянного тока состоит из трех образцовых резисторов (обычно регулируемых) ,которые включают последовательно с измеряемым сопротивлением Rx в мостовую схему. Для измерения сопротивлений ниже 1 Ом используется д войной мост Томсона.

Рассмотреть возможные методы измерения индуктивностей и емкостей. Достоинства и недостатки резонансных схем измерения. Источники погрешностей. Схемы замещения, разобраться, в чем заключается их преимущество перед другими методами измерения. Приборы непосредственной оценки и сравнения - к измерительным приборам непосредственной оценки значения измеряемой емкости относятся микрофарадметры , действие которых базируется на зависимости тока или напряжения в цепи переменного тока от значения включенной в нее . Значение емкости определяют по шкале стрелочного измерителя.

Более широко для измерения и индуктивностей применяют уравновешенные мосты переменного тока , позволяющие получить малую погрешность измерения (до 1 %). Питание моста осуществляется от генераторов, работающих на фиксированной частоте 400-1000 Гц. В качестве индикаторов применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы.

Вопросы для самопроверки

Как можно измерить сопротивление в сетях постоянного и переменного тока?

Как измеряют сопротивление изоляции проводов?

Какова структурная схема прибора для измерения неэлектричёских величин?

Рассмотрите принцип действия, устройство и основы теории отдельных типов преобразователей.

Какие существуют варианты схем включения амперметров и вольтметров для измерения сопротивления?

Нарисуйте схему одинарного моста и укажите элементы, являющиеся источником погрешностей при измерении малых сопротивлений.

Какие электрические величины могут быть измерены с помощью моста переменного тока?

Какие существуют источники погрешностей в резонансных схемах измерения?

Каковы достоинства измерительных схем замещения?

Тема 2.6 Универсальные и специальные электроизмерительные

приборы

Основные параметры и типы универсальных и специальных электроизмерительных приборов, краткая техническая характеристика. Мультиметры, вольтамперметры, комбинированные приборы. Схема измерительных цепей комбинированного прибора. Цифровые мультиметры, блок-схема, переключатели рода измерений и пределов измерений. Единицы измерений. Входное сопротивление мультиметра. Измерение сопротивлений, токов, напряжений, электрических емкостей, параметров полупроводниковых приборов.

Существует большое число измерительных приборов, используемых для выполнения строго определенных работ: обслуживания, тестирования кабельных линий, измерения параметров питающей сети. Каждый из них идеально подходит для выполнения специфического набора измерений, но не более того. Поэтому ремонт или наладка различных устройств невозможны без обычных измерительных приборов: мультиметров, осциллографов, универсальных и специальных генераторов, частотомеров, измерителей RLC, логических анализаторов. С егодня большинство из этих приборов выпускается в настольной, переносной и носимой модификациях. Поэтому такой прибор всегда можно подобрать в соответствии с любыми предполагаемыми условиями работы: от лабораторных до полевых, с питанием от сети переменного тока, бортовой сети или батарей. А принципиальные отличия приборов различного исполнения касаются, пожалуй, всего двух моментов: класса точности и возможности интеграции в измерительные комплексы. Обычно носимые модификации имеют и точность похуже, и набор сервисных функций попроще, но внедрение цифровой обработки сигналов меняет эту ситуацию. область применения измерительных комплексов с компьютерным управлением ограничена, как правило, научными экспериментами и различными серийными испытаниями. Именно там важное значение имеет автоматизация процесса сбора и обработки результатов измерений . Мультиметр и осциллографы - одни из самых распространенных приборов. С каждым днем число интегрированных в них основных и дополнительных функций растет. Более того, с точки зрения своих возможностей эти приборы становятся все ближе. Осциллограф может иметь встроенный мультиметр, а мультиметр - возможность отображения измеряемого сигнала. Мультиме́тр (от multimeter , те́стер - от test - испытание, аво́метр - от АмперВольтОмметр) - комбинированный , объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе это , и . Существуют и мультиметры.

Мультиметр может быть как лёгким переносным устройством, используемым для базовых и поиска неисправностей, так и сложным стационарным прибором со множеством возможностей.

Наиболее простые цифровые мультиметры имеют 2,5 цифровых разряда ( обычно около 10 %). Наиболее распространены приборы с разрядностью 3,5 (точность обычно около 1,0 %). Выпускаются также чуть более дорогие приборы с разрядностью 4,5 (точность обычно около 0,1 %) и существенно более дорогие приборы с разрядностью 5 и выше. Точность последних сильно зависит от диапазона измерения и вида измеряемой величины, поэтому оговаривается отдельно для каждого поддиапазона. В общем случае точность таких приборов может превышать 0,01 %, несмотря на портативное исполнение.

Разрядность цифрового измерительного прибора, например, «3,5» означает, что дисплей прибора показывает 3 полноценных разряда, с диапазоном от 0 до 9, и 1 разряд - с ограниченным диапазоном. Так, прибор типа «3,5 разряда» может, например, давать показания в пределах от 0,000 до 1,999 , при выходе измеряемой величины за эти пределы требуется переключение на другой диапазон (ручное или автоматическое).

Количество разрядов не определяет точность прибора. Точность измерений зависит от точности , от точности, термо- и временной стабильности применённых радиоэлементов, от качества защиты от внешних наводок, от качества проведённой .

Аналоговый мультиметр состоит из стрелочного магнитоэлектрического измерительного прибора, набора добавочных для измерения напряжения и набора для измерения тока. Измерение сопротивления производится с использованием встроенного или от внешнего источника. В аналоговом мультиметре результаты измерений наблюдается по движению стрелки (как на часах) по измерительной шкале, на которой подписаны значения: напряжение, ток, сопротивление. Популярность аналоговых мультиметров объясняется их доступностью и ценой, а основным недостатком является некоторая погрешность в результатах измерений. Для более точной подстройки в аналоговых мультиметрах имеется специальный построечный резистор, манипулируя которым можно добиться немного большей точности. Тем не менее, в случаях когда желательны более точные измерения, лучшим будет использование цифрового мультиметра.
Главный отличием цифрового от аналогового является то, что результаты измерения отображаются на специальном экране. К тому же цифровые мультиметры обладают более высокой точностью и отличаются простотой использования, так как не приходится разбираться во всех тонкостях градуирования измерительной шкалы, как в стрелочных вариантах.

Вопросы для самопроверки

Какой прибор называется мультиметром?

Разновидности муьтиметров

Характеристики аналогового мальтиметра

Характеристики цифрового мультиметра

Раздел 3 Исследование формы сигналов

Тема 3.1 Осциллографы

Общие сведения и классификация электронно-лучевых осциллографов. Устройство, принцип действия, назначение, технические характеристики, структурная схема электронно-лучевого осциллографа. Использование электронно-лучевого осциллографа для наблюдения электрического сигнала, для измерения амплитуды, частоты и периода периодического сигнала. Типы осциллографов. Блок-схема электронного осциллографа. Подготовка, калибровка и измерение различных сигналов. Особенности подготовки, калибровки и измерений двухлучевыми, осциллографами-мультиметрами и осциллографами с запоминанием информации. Особенности измерения электронными осциллографами неэлектрических величин Аналоговые осциллографы, цифровые запоминающие осциллографы, цифровые люминофорные осциллографы, цифровые стробоскопические осциллографы, виртуальные осциллографы, портативные осциллографы

Электромеханические осциллографы широко применяются для наблюдения и регистрации быстро изменяющихся во времени величин. Что такое осциллограф? Это прибор, который предназначен для исследования всевозможных электрических сигналов путём визуального наблюдения специального сигнала, записанного на фотоленте либо на экране именно графика, а также для измерения амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика.

Все электронно-лучевые осциллографы имеют экраны, на которых отображаются графики сигналов входных. В виде сетки на экран нанесена специальная разметка. Если применяется , то у него изображения в виде готовой картинки выводятся на дисплей, который бывает монохромным или же цветным. У аналоговых осциллографов используется в качестве экрана электронно-лучевая трубка с, так называемым, электростатическим отклонением.

Все используемые сегодня осциллографы различаются по своему назначению, а также по способу вывода измерительной информации и, конечно, по тому, какой способ обработки входного сигнала используется.

Осциллографы для наблюдения на экране формы сигнала с периодической развёрткой. Экран может быть как электронно-лучевым, так и жидкокристаллическим. С непрерывной развёрткой осциллографы для регистрации на фотоленте кривой. Они еще называются шлейфовые осциллографы. Так же выделяют цифровые и аналоговые осциллографы

При их изучении необходимо уяснить причины, вследствие которых электромеханические осциллографы применяются лишь для исследования процессов с частотой, не превышающей нескольких тысяч герц.

Вопросы для самопроверки

Области применения электромеханических осциллографов?

Каким способом достигается развертка кривой исследуемого напряжения в электронном осциллографе?

От чего зависят амплитудные и фазовые погрешности электронного и электромеханического осциллографов?

Тема 3.2 Приборы и методы измерения частоты и интервала времени

Методы измерения частоты и интервала времени. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения частотомеров. Измерение интервалов времени. Измерительные генераторы. Блок-схема. Генераторы R - C , L - C , на биениях, шума, стандартных сигналов, импульсные. Характеристики сигналов. Правила настройки и подключения. Согласующие устройства. Правила техники безопасности.

Непосредственное измерение частоты производят частотомерами , в основу которых положены различные методы измерения в зависимости от диапазона измеряемых частот и требуемой точности измерения. Наиболее распространенными методами измерения частоты являются: метод перезаряда конденсатора, резонансный метод, метод дискретного счета , метод сравнения измеряемой частоты с эталонной. Частотомеры используются нечасто. По большей части функции встроенного в мультиметр частотомера оказывается достаточно. Но в тех случаях, когда нужен точный результат или внешнее управление, без специального прибора не обойтись. Такие частотомеры могут измерять частоту, период и скважность периодических сигналов, определять длительность интервалов, осуществлять эталонный отсчет времени. Сложные модели предусматривают возможность вычислительной обработки результатов совокупности измерений и несколько каналов для реализации сложных алгоритмов запуска счета, обработки сигналов с разными параметрами или выполнения относительных измерений.

Генераторы используется гораздо реже и, в основном, при отладке и испытаниях различных устройств. Генераторы делятся на низкочастотные, высокочастотные и функциональные. Первые формируют синусоидальный сигнал или меандр с частотой от нескольких герц до сотен килогерц, вторые - с частотами до сотен мегагерц с возможностью модулирования сигнала по заданному закону внешним или внутренним сигналом. Функциональные генераторы формируют сигналы сложной формы (синус, прямоугольник, треугольник, пила, трапеция) в диапазоне частот до десятков мегагерц с заданной скважностью, а также цифровые сигналы с уровнями ТТЛ и КМОП. Некоторые модели могут работать как генераторы качающейся частоты (по заданному закону) или формировать простейший амплитудно- или частотно-модулированный сигнал.

Метод перезаряда конденсатора за каждый период измеряемой частоты - с реднее значение тока перезаряда пропорционально частоте и измеряется магнитоэлектрическим амперметром, шкала которого проградуирована в единицах частоты. Выпускают конденсаторные частотомеры с пределом измерения 10 Гц - 1 МГц и погрешностью измерения ±2%.

Резонансный метод , основанный на явлении электрического резонанса в контуре с подстраиваемыми элементами в резонанс с измеряемой частотой. Измеряемая частота определяется по шкале механизма подстройки. Метод применяется на частотах более 50 кГц. Погрешность измерения можно уменьшить до сотых долей процента.

Метод дискретного счета лежит в основе работы электронно-счетных цифровых частотомеров . Он основан на счете импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени. Обеспечивает высокую точность измерения в любом диапазоне частот.

Метод сравнения измеряемой частоты с эталонной - электрические колебания неизвестной и образцовой частот смешиваются таким образом, чтобы возникли биения некоторой частоты. При частоте биений, равной нулю, измеряемая частота равна образцовой. Смешение частот осуществляют гетеродинным способом (способ нулевых биений) или осциллографическим.

Решение многих радиотехнических задач связано с измерением интервалов времени. Обычно приходится измерять как очень малые (единицы пикосекунд) так и очень большие (сотни секунд) интервалы времени. Интервалы времени могут также быть не только повторяющимися, но и однократными.

Различают два основных способа измерения интервалов времени: осциллографический и цифровой.

Измерение интервалов времени с помощью осциллографа проводится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием «линейной» развертки. Из-за нелинейности развертки, а также больших погрешностей отсчета начала и конца интервала общая погрешность измерения составляет единицы процентов. В последние годы интервалы времени в основном измеряются цифровыми методами.

Измерения интервалов времени с помощью цифрового частотомера - измерение интервала времени Тх цифровым методом основано на заполнении его импульсами, следующими с образцовым периодом Т0, и подсчете числа Mx этих импульсов за время Тх.

Вопросы для самопроверки

Каковы наиболее распространенные методы измерения временных интервалов?

Нарисуйте структурную схему цифрового измерителя временных интервалов.

Какие существуют методы уменьшения погрешности?

Какие методы измерения частоты вы знаете?

Нарисуйте функциональную схему осциллографического частотомера.

Тема 3.3 Приборы и методы измерения фазового сдвига

Методы измерения фазового сдвига. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения фазометров.

Решение многих задач радиотехники невозможно без измерения наряду с амплитудой и частотой также фазового сдвига (ФС) сигналов. Фазовые методы измерений позволяют решать многие задачи, связанные с измерением дальности, координат, помехоустойчивой передачи информации и т. д.

Например, фазовые радиотехнические системы ближней навигации обеспечивают измерение дальности и координат с погрешностью 0.1–1 м, спутниковые системы глобальной навигации позволяют определять расстояние с точностью до нескольких миллиметров, угловое положение – с точностью до единиц угловых минут. Устройства на основе фазовых методов с использованием лазерной техники могут измерять малые расстояния с погрешностью 10 -9 м и менее.

Понятие фазового сдвига введено только для гармонических сигналов с одинаковой частотой:
U 1 = U m 1 sin ( w t + j 1 ) y = w t + j 0 – фаза колебания
U 2 = U m 2 sin ( w t + j 2 ) j 0 – начальная фаза
j = y 1 - y 2 =( w t + j 1 )- ( w t + j 2 )= ê j 1 - j 2 ê
Фазовый сдвиг – модуль разности начальных фаз.
Знание фазового сдвига позволяет выявить причины искажения сигнала.
Условие неискаженной передачи – фазовая характеристика должна быть линейной.
Для измерения фазового сдвига применяют следующие методы: осциллографический, компенсационный, преобразования фазового сдвига в импульсы тока, метод дискретного счета и др. Измерение фазового сдвига осциллографическим методом можно реализовать способами линейной, синусоидальной и круговой разверток. Для измерения фазового сдвига компенсационным методом с осциллографической индикацией собирают измерительную установку, состоящую из однолучевого осциллографа, образцового φ обр и вспомогательного φ в фазовращателей.

Измерение фазового сдвига методом дискретного счета основано на формуле, в которую следует подставить вместо интервалов времени ∆ T и Т соответствующее им число импульсов с постоянной частотой повторения. Прямо-показывающие фазометры такого типа называют электронно-счетными, или цифровыми, фазометрами. Имеется несколько схем цифровых фазометров, но преимущественное распространение получили интегрирующие фазометры, в которых результат измерения представляет собой среднее значение фазового сдвига за большое число периодов измеряемого напряжения. В таких фазометрах обеспечивается хорошая помехозащищенность.

Микропроцессорный фазометр - значительное расширение функциональных возможностей, повышение надежности и некоторых других характеристик фазометров обеспечиваются при их построении на основе микропроцессора, работающего совместно с измерительными преобразователями. Такие фазометры позволяют измерять фазовый сдвиг между двумя периодическими сигналами за любой выбранный период, наблюдать флюктуации подобных сдвигов и оценивать их статистические характеристики: математическое ожидание, дисперсию, среднее квадратическое отклонение. Возможно также, как и в рассмотренных выше цифровых фазометрах, выполненных по схемам с жесткой логикой работы, измерение среднего значения фазового сдвига.

Фазовый сдвиг между двумя гармоническими сигналами одной частоты можно измерить фазовым детектором.

Фазовращателем называется устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регулируемый фазовый сдвиг. Конструкция фазовращателя зависит от диапазона рабочих частот, для которого он предназначен.

Вопросы для самопроверки

1. Какой смысл вложен в понятие «фаза» сигнала?

2. Что называется фазовым сдвигом двух сигналов?

3. Перечислите основные методы измерения фазового сдвига.

4. В чем состоит метод линейной развертки измерения фазового сдвига?

5. На каком принципе работают компенсационные фазометры?

6. Как работает цифровой фазометр на основе микропроцессора?

1Вариант

Магнитоэлектрический миллиамперметр имеет верхний предел измерения 100 мА. Изменению измеряемого тока на 12 мА соответствует перемещение стрелки на 6 делений. Определить число делений, цену деления и чувствительность шкалы.

После ремонта амперметра с классом точности 1,5 и пределом измерения 5 А произвели его поверку. Наибольшая абсолютная погрешность составила 0,07 А. Сохранил ли амперметр свой класс точности после ремонта?

Вольтметр с внутренним сопротивлением 5 кОм включен с добавочным резистором, имеющим сопротивление 45 кОм. Определить во сколько раз увеличился предел измерения вольтметра. Нарисовать схему включения вольтметра с добавочным резистором.

Контрольная работа по дисциплине «Электротехнические измерения»

2Вариант

Вольтметр с верхним пределом измерения 600 В имеет чувствительность 0,25 дел/В. При измерении напряжения стрелка вольтметра отклонилась на 50 делений. Определить число делений шкалы, цену деления и измеренное вольтметром напряжение.

Амперметр с внутренним сопротивлением 1,2 Ом включен с шунтом, имеющим сопротивление 0,3 Ом. Определить во сколько раз увеличился предел измерения амперметра. Нарисовать схему включения амперметра с шунтом.

Амперметр с классом точности 2,5 и верхним пределом измерения 20А показал значение тока 11,5 А. Определить в каких пределах находится действительное значение тока.

При измерении тока в цепи указатель магнитоэлектрического миллиамперметра переместился на 10 делений с отметки 10 мА на отметку 20 мА. Шкала миллиамперметра имеет 100 делений. Определить верхний предел измерения прибора, цену деления и чувствительность шкалы.

Контрольная работа по дисциплине «Электротехнические измерения»

3Вариант

Амперметр, имеющий шкалу на 10 делений и верхний предел измерения 20 А, показал ток в цепи 15А. Определить цену деления, чувствительность шкалы и количество делений, на которое отклонилась стрелка при измерении тока.

При калибровке вольтметра, имеющего верхний предел измерения

50В, наибольшая абсолютная погрешность составила 1,1 В. Какой класс точности присвоен вольтметру?

Вольтметр, имеющий внутреннее сопротивление 200 Ом и верхний предел измерения 50 В, необходимо использовать для измерения напряжения до 450 В. Каким образом это можно сделать? Нарисовать схему и выполнить необходимые расчеты.

Действительное значение тока в цепи 5,23 А. Амперметр с верхним пределом измерения 10 А показал ток 5,3 А. Определить абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерения .

Контрольная работа по дисциплине «Электротехнические измерения»

4Вариант

Миллиамперметр рассчитан на ток 200 мА и имеет чувствительность по току 0,5 дел/мА. Стрелка миллиамперметра отклонилась на 30 делений. Определить число делений шкалы, цену деления и измеренный ток.

Классы точности двух вольтметров одинаковы и равны 1. Верхний предел измерения первого вольтметра равен 50 В, а второго вольтметра равен 10 В. Определить в каком соотношении находятся наибольшие допустимые абсолютные погрешности вольтметров.

Магнитоэлектрический амперметр имеет внутреннее сопротивление 0,05 Ом и верхний предел измерения 5 А. Каким образом можно расширить предел измерения амперметра до 125 А? Нарисовать схему и произвести необходимые расчеты.

Через резистор с сопротивлением 8 Ом проходит действительный ток 2,4 А. При измерении напряжения на этом резисторе вольтметр показал напряжение 19,3 В. Определить абсолютную и относительную погрешности измерения напряжения.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ В
СИСТЕМАХ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Преподаватель: к.т.н., доцент кафедры ЭПП
Буякова Наталья Васильевна

Электротехнические измерения представляют собой
совокупность электрических и электронных измерений,
которые можно рассматривать как один из разделов
метрологии. Название «метрология» образовано от двух
греческих слов: metron - мера и logos - слово, учение;
дословно: учение о мере.
В современном понимании метрологией называют науку
об измерениях, методах и средствах обеспечения их
единства и способах достижения требуемой точности.
В реальной жизни метрология не только наука, но и
область практической деятельности, связанной с
изучением физических величин.
Предметом
метрологии
является
получение
количественной информации о свойствах объектов и
процессов, т.е. измерение свойств объектов и процессов с
требуемой точностью и достоверностью.

Измерения являются одним из важнейших путей познания
природы человеком.
Они дают количественную характеристику окружающего
мира, раскрывая человеку действующие в природе
закономерности.
Под измерением понимают совокупность операций,
выполняемых с помощью специального технического
средства, хранящего единицу измеряемой величины,
позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее
единицей и получить значение этой величины.
Результат измерений величины X записывается в виде
Х=А[Х],
где А − безразмерное число, называемое числовым
значением физической величины; [X] − единица
физической величины.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерение электрических величин, таких, как напряжение,
сопротивление, сила тока, мощность 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).

ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Электрическое
измерение
это
нахождение
(экспериментальными методами) значения физической
величины, выраженного в соответствующих единицах
(например, 3 А, 4 В).
Значения единиц электрических величин определяются
международным соглашением в соответствии с законами
физики и единицами механических величин.
Поскольку "поддержание" единиц электрических величин,
определяемых
международными
соглашениями,
сопряжено
с
трудностями,
их
представляют
"практическими"
эталонами
единиц
электрических
величин.
Такие
эталоны
поддерживаются
государственными
метрологическими лабораториями разных стран.

Все общепринятые электрические и магнитные единицы
измерения основаны на метрической системе.
В
согласии
с
современными
определениями
электрических и магнитных единиц все они являются
производными единицами, выводимыми по определенным
физическим формулам из метрических единиц длины,
массы и времени.
Поскольку же большинство электрических и магнитных
величин
не
так-то
просто
измерять,
пользуясь
упомянутыми эталонами, было сочтено, что удобнее
установить
путем
соответствующих
экспериментов
производные эталоны для некоторых из указанных
величин, а другие измерять, пользуясь такими эталонами.

Единицы системы СИ

Ампер, единица силы электрического тока, - одна из
шести основных единиц системы СИ.
Ампер (А) - сила неизменяющегося тока, который при
прохождении по двум параллельным прямолинейным
проводникам бесконечной длины с ничтожно малой
площадью кругового поперечного сечения,
расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от
другого, вызывал бы на каждом участке проводника
длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 ∗ 10−7 Н.
Вольт, единица разности потенциалов и электродвижущей
силы.
Вольт (В) - электрическое напряжение на участке
электрической цепи с постоянным током силой 1 А при
затрачиваемой мощности 1 Вт.

Кулон, единица количества электричества
(электрического заряда).
Кулон (Кл) - количество электричества, проходящее
через поперечное сечение проводника при
постоянном токе силой 1 А за время 1 с.
Фарада, единица электрической емкости.
Фарада (Ф) - емкость конденсатора, на обкладках
которого при заряде 1 Кл возникает электрическое
напряжение 1 В.
Генри, единица индуктивности.
Генри равен индуктивности контура, в котором
возникает ЭДС самоиндукции в 1 В при равномерном
изменении силы тока в этом контуре на 1 А за 1 с.

Вебер, единица магнитного потока.
Вебер (Вб) - магнитный поток, при убывании
которого до нуля в сцепленном с ним контуре,
имеющем сопротивление 1 Ом, протекает
электрический заряд, равный 1 Кл.
Тесла, единица магнитной индукции.
Тесла (Тл) - магнитная индукция однородного
магнитного поля, в котором магнитный поток
через плоскую площадку площадью 1 м2,
перпендикулярную линиям индукции, равен 1 Вб.

10. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

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 точны, более удобны
при снятии показаний и, в общем, более универсальны.

11.

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.

12. ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

Во всех цифровых измерительных приборах (кроме
простейших) используются усилители и другие электронные
блоки для преобразования входного сигнала в сигнал
напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму
аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Число, выражающее измеренное значение, выводится на
светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или
жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей).
Прибор обычно работает под управлением встроенного
микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор
объединяется с АЦП на одной интегральной схеме.
Цифровые приборы хорошо подходят для работы с
подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах
измерений такой компьютер переключает измерительные
функции прибора и дает команды передачи данных для их
обработки.

13. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий,
последовательного приближения и параллельный.
Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по
времени. Из трех перечисленных типов это самый точный,
хотя и самый "медленный". Время преобразования
интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и
более, погрешность составляет 0,1-0,0003%.
Погрешность АЦП последовательного приближения
несколько больше (0,4-0,002%), но зато время
преобразования - от 10мкс до 1 мс.
Параллельные АЦП - самые быстродействующие, но и
наименее точные: их время преобразования порядка 0,25
нс, погрешность - от 0,4 до 2%.

14.

15. Методы дискретизации

Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого
измерения его в отдельные моменты времени и
удержания (сохранения) измеренных значений на время
преобразования их в цифровую форму.
Последовательность полученных дискретных значений
может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей
форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и
суммируя, можно вычислять среднеквадратическое
значение сигнала; их можно использовать также для
вычисления
времени
нарастания,
максимального
значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д.
Дискретизация по времени может производиться либо за
один период сигнала ("в реальном времени"), либо (с
последовательной или произвольной выборкой) за ряд
повторяющихся периодов.

16. Цифровые вольтметры и мультиметры

Цифровые
вольтметры
и
мультиметры
измеряют
квазистатическое значение величины и указывают его в
цифровой форме.
Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение,
обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять
напряжение постоянного и переменного тока, силу тока,
сопротивление постоянному току и иногда температуру.
Эти самые распространенные контрольно-измерительные
приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2
до 0,001% могут иметь 3,5- или 4,5-значный цифровой дисплей.
"Полуцелый" знак (разряд) - это условное указание на то, что
дисплей может показывать числа, выходящие за пределы
номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5разрядный) дисплей в диапазоне 1-2 В может показывать
напряжение до 1,999 В.

17.

18. Измерители полных сопротивлений

Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие
емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность
катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс)
соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором.
Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ
до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и
индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г.
Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни
один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах,
близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но
точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых
значений.
Большинство приборов могут показывать также производные
величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь
конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.

19.

20. АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ

Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на
постоянном
токе
применяются
аналоговые
магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и
многовитковой подвижной частью.
Такие приборы стрелочного типа характеризуются
погрешностью от 0,5 до 5%.
Они просты и недороги (пример - автомобильные
приборы, показывающие ток и температуру), но не
применяются там, где требуется сколько-нибудь
значительная точность.

21. Магнитоэлектрические приборы

В таких приборах используется сила взаимодействия
магнитного поля с током в витках обмотки подвижной
части, стремящаяся повернуть последнюю.
Момент этой силы уравновешивается моментом,
создаваемым противодействующей пружиной, так что
каждому значению тока соответствует определенное
положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет
форму многовитковой проволочной рамки с размерами от
3-5 до 25-35 мм и делается как можно более легкой.
Подвижная
часть,
установленная
на
каменных
подшипниках или подвешенная на металлической
ленточке, помещается между полюсами сильного
постоянного магнита.

22.

Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий
момент, служат также токопроводами обмотки подвижной
части.
Магнитоэлектрический
прибор
реагирует
на
ток,
проходящий по обмотке его подвижной части, а потому
представляет
собой
амперметр
или,
точнее,
миллиамперметр (так как верхний предел диапазона
измерений не превышает примерно 50 мА).
Его можно приспособить для измерения токов большей
силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части
шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в
обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля
полного измеряемого тока.
Такое устройство пригодно для токов, измеряемых
многими тысячами ампер. Если последовательно с
обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор
превратится в вольтметр.

23.

Падение напряжения на таком последовательном
соединении
равно
произведению
сопротивления
резистора на ток, показываемый прибором, так что его
шкалу можно проградуировать в вольтах.
Чтобы
сделать
из
магнитоэлектрического
миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему
последовательно измеряемые резисторы и подавать на
это
последовательное
соединение
постоянное
напряжение, например от батареи питания.
Ток в такой схеме не будет пропорционален
сопротивлению, а потому необходима специальная шкала,
корректирующая нелинейность. Тогда можно будет
производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя
и с не очень высокой точностью.

24. Гальванометры

К
магнитоэлектрическим
приборам
относятся
и
гальванометры - высокочувствительные приборы для
измерения крайне малых токов.
В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть
подвешена на тонкой ленточке или нити, используется
более сильное магнитное поле, а стрелка заменена
зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 1).
Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а
угол
его
поворота
оценивается
по
смещению
отбрасываемого им светового зайчика на шкале,
установленной на расстоянии около 1 м.
Самые чувствительные гальванометры способны давать
отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока
всего лишь на 0,00001 мкА.

25.

Рисунок 1. ЗЕРКАЛЬНЫЙ ГАЛЬВАНОМЕТР измеряет ток,
проходящий через обмотку его подвижной части, помещенной в
магнитное поле, по отклонению светового зайчика.
1 - подвес;
2 - зеркальце;
3 - зазор;
4 - постоянный
магнит;
5 - обмотка
подвижной части;
6 - пружинка
подвеса.

26. РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ

Регистрирующие приборы записывают "историю" изменения
значения измеряемой величины.
К таким приборам наиболее распространенных типов относятся
ленточные самописцы, записывающие пером кривую изменения
величины на диаграммной бумажной ленте, аналоговые
электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса
на
экране
электронно-лучевой
трубки,
и
цифровые
осциллографы, запоминающие однократные или редко
повторяющиеся сигналы.
Основное различие между этими приборами - в скорости
записи.
Ленточные
самописцы
с
их
движущимися
механическими частями наиболее подходят для регистрации
сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее.
Электронные осциллографы же способны регистрировать
сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей
секунды до нескольких секунд.

27. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ

Измерительный
мост
это
обычно
четырехплечая
электрическая
цепь,
составленная
из
резисторов,
конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для
определения отношения параметров этих компонентов.
К одной паре противоположных полюсов цепи подключается
источник питания, а к другой - нуль-детектор.
Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда
требуется наивысшая точность измерения. (Для измерений со
средней
точностью
лучше
пользоваться
цифровыми
приборами, поскольку они проще в обращении.)
Наилучшие
трансформаторные
измерительные
мосты
переменного тока характеризуются погрешностью (измерения
отношения) порядка 0,0000001%.
Простейший мост для измерения сопротивления носит имя
своего изобретателя Ч.Уитстона

28. Двойной измерительный мост постоянного тока

Рисунок 2. ДВОЙНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ (мост Томсона) более точный вариант моста Уитстона, пригодный для измерения
сопротивления четырехполюсных эталонных резисторов в области
микроом.

29.

К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся
при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более.
В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку
порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом
ошибка будет составлять 10%.
Двойной измерительный мост (мост Томсона), схема которого
представлена на рис. 2, предназначен для измерения
сопротивления эталонных резисторов малого номинала.
Сопротивление таких четырехполюсных эталонных резисторов
определяют как отношение напряжения на их потенциальных
зажимах (р1, р2 резистора Rs и р3, p4 резистора Rx на рис. 2) к
току через их токовые зажимы (с1, с2 и с3, с4).
При такой методике сопротивление присоединительных
проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого
сопротивления.
Два дополнительных плеча m и n исключают влияние
соединительного провода 1 между зажимами с2 и с3.
Сопротивления m и n этих плеч подбирают так, чтобы
выполнялось равенство M/m = N/n. Затем, изменяя
сопротивление Rs, сводят разбаланс к нулю и находят Rx =
Rs(N /M).

30. Измерительные мосты переменного тока

Наиболее распространенные измерительные мосты
переменного тока рассчитаны на измерения либо на
сетевой частоте 50-60 Гц, либо на звуковых частотах
(обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же
измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц.
Как правило, в измерительных мостах переменного тока
вместо двух плеч, точно задающих отношение
напряжений, используется трансформатор. К исключениям
из этого правила относится измерительный мост
Максвелла - Вина.

31. Измерительный мост Максвелла - Вина

Рисунок 3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ МАКСВЕЛЛА - ВИНА для
сравнения параметров эталонных катушек индуктивности (L) и
конденсаторов (C).

32.

Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны
индуктивности (L) с эталонами емкости на неизвестной
точно рабочей частоте.
Эталоны емкости применяются в измерениях высокой
точности,
поскольку
они
конструктивно
проще
прецизионных эталонов индуктивности, более компактны,
их легче экранировать, и они практически не создают
внешних электромагнитных полей.
Условия равновесия этого измерительного моста таковы:
Lx = R2*R3*C1 и Rx = (R2*R3) /R1 (рис.3).
Мост уравновешивается даже в случае "нечистого"
источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего
гармоники основной частоты), если величина Lx не
зависит от частоты.

33. Трансформаторный измерительный мост

Рисунок 4. ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ
переменного тока для сравнения однотипных полных
сопротивлений

34.

Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока
- простота задания точного отношения напряжений посредством
трансформатора.
В отличие от делителей напряжения, построенных из
резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности,
трансформаторы в течение длительного времени сохраняют
постоянным установленное отношение напряжений и редко
требуют повторной калибровки.
На
рис.
4
представлена
схема
трансформаторного
измерительного моста для сравнения двух однотипных полных
сопротивлений.
К недостаткам трансформаторного измерительного моста
можно
отнести
то,
что
отношение,
задаваемое
трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты
сигнала.
Это
приводит
к
необходимости
проектировать
трансформаторные
измерительные
мосты
лишь
для
ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется
паспортная точность.

35. ИЗМЕРЕНИЕ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока
обычно требуется измерять некоторые их характеристики,
связанные с мгновенными значениями сигнала.
Чаще
всего
желательно
знать
среднеквадратические
(эффективные) значения электрических величин переменного
тока, поскольку мощности нагревания при напряжении 1В
постоянного тока соответствует мощность нагревания при
напряжении 1 В переменного тока.
Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины,
например максимальное или среднее абсолютное значение.
Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения
(или силы переменного тока) определяется как корень
квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения
(или силы тока):

36.

где Т - период сигнала Y(t).
Максимальное значение Yмакс - это наибольшее мгновенное значение
сигнала, а среднее абсолютное значение YAA - абсолютное значение,
усредненное по времени.
При синусоидальной форме колебаний Yэфф = 0,707Yмакс и
YAA = 0,637Yмакс.

37. Измерение напряжения и силы переменного тока

Почти все приборы для измерения напряжения и силы
переменного тока показывают значение, которое
предлагается рассматривать как эффективное значение
входного сигнала.
Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле
измеряется среднее абсолютное или максимальное
значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы
показание
соответствовало
эквивалентному
эффективному значению в предположении, что входной
сигнал имеет синусоидальную форму.
Не следует упускать из виду, что точность таких приборов
крайне низка, если сигнал несинусоидален.

38.

Приборы, способные измерять истинное эффективное
значение сигналов переменного тока, могут быть
основаны на одном из трех принципов: электронного
умножения, дискретизации сигнала или теплового
преобразования.
Приборы, основанные на первых двух принципах, как
правило, реагируют на напряжение, а тепловые
электроизмерительные приборы - на ток.
При использовании добавочных и шунтовых резисторов
всеми приборами можно измерять как ток, так и
напряжение.

39. Тепловые электроизмерительные приборы

Наивысшую точность измерения эффективных значений
напряжения
и
тока
обеспечивают
тепловые
электроизмерительные приборы. В них используется
тепловой преобразователь тока в виде небольшого
откачанного стеклянного баллончика с нагревательной
проволочкой (длиной 0,5-1 см), к средней части которой
крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары.
Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно
электроизоляцию.
При повышении температуры, прямо связанном с
эффективным
значением
тока
в
нагревательной
проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС
(напряжение постоянного тока).
Такие преобразователи пригодны для измерения силы
переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц.

40.

На рис. 5 показана принципиальная схема теплового
электроизмерительного прибора с двумя подобранными
по параметрам тепловыми преобразователями тока.
При подаче на вход схемы напряжения переменного тока
Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 возникает
напряжение постоянного тока, усилитель А создает
постоянный
ток
в
нагревательной
проволочке
преобразователя ТС2, при котором термопара последнего
дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный
прибор постоянного тока измеряет выходной ток.

41.

Рисунок 5.ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР для
измерения эффективных значений напряжения и силы переменного
тока.
С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно
превратить в вольтметр. Поскольку тепловые электроизмерительные
приборы непосредственно измеряют токи лишь от 2 до 500 мА, для
измерения токов большей силы необходимы резисторные шунты.

42. Измерение мощности и энергии переменного тока

Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного
тока, равна среднему по времени произведению
мгновенных значений напряжения и тока нагрузки.
Если напряжение и ток изменяются синусоидально (как
это обычно и бывает), то мощность Р можно представить в
виде P = EI cosj, где Е и I - эффективные значения
напряжения и тока, а j - фазовый угол (угол сдвига)
синусоид напряжения и тока.
Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах,
то мощность будет выражена в ваттах.
Множитель cosj, называемый коэффициентом мощности,
характеризует
степень
синхронности
колебаний
напряжения и тока.

43.

С
экономической
точки
зрения,
самая
важная
электрическая величина - энергия.
Энергия W определяется произведением мощности на
время ее потребления. В математической форме это
записывается так:
Если время (t1 - t2) измеряется в секундах, напряжение е в вольтах, а ток i - в амперах, то энергия W будет
выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях (1 Дж = 1 Вт*с).
Если же время измеряется в часах, то энергия - в ваттчасах. На практике электроэнергию удобнее выражать в
киловатт-часах (1 кВт*ч = 1000 Вт*ч).

44. Индукционные счетчики электроэнергии

Индукционный счетчик представляет собой не что иное,
как маломощный электродвигатель переменного тока с
двумя обмотками - токовой и обмоткой напряжения.
Проводящий диск, помещенный между обмотками,
вращается
под
действием
крутящего
момента,
пропорционального потребляемой мощности.
Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в
диске постоянным магнитом, так что частота вращения
диска пропорциональна потребляемой мощности.

45.

Число оборотов диска за то или иное время
пропорционально полной электроэнергии, полученной за
это время потребителем.
Число оборотов диска считает механический счетчик,
который показывает электроэнергию в киловатт-часах.
Приборы такого типа широко применяются в качестве
бытовых счетчиков электроэнергии.
Их погрешность, как правило, составляет 0,5%; они
отличаются большим сроком службы при любых
допустимых уровнях тока.

Содержание статьи

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ, измерение электрических величин, таких, 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).

ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Электрическое измерение – это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах (например, 3 А, 4 В). Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики и единицами механических величин. Поскольку «поддержание» единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют «практическими» эталонами единиц электрических величин. Такие эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Например, в США юридическую ответственность за поддержание эталонов единиц электрических величин несет Национальный институт стандартов и технологии. 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.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

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 точны, 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.

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.

Аналого-цифровые преобразователи.

Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1–0,0003%. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4–0,002%), но зато время преобразования – от ~10мкс до ~1 мс. Параллельные АЦП – самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность – от 0,4 до 2%.

Методы дискретизации.

Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала; их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала («в реальном времени»), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.

Цифровые вольтметры и мультиметры.

Цифровые вольтметры и мультиметры измеряют квазистатическое значение величины и указывают его в цифровой форме. Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение, обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление постоянному току и иногда температуру. Эти самые распространенные контрольно-измерительные приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2 до 0,001% могут иметь 3,5- или 4,5-значный цифровой дисплей. «Полуцелый» знак (разряд) – это условное указание на то, что дисплей может показывать числа, выходящие за пределы номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5-разрядный) дисплей в диапазоне 1–2 В может показывать напряжение до 1,999 В.

Измерители полных сопротивлений.

Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс) соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором. Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г. Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах, близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых значений. Большинство приборов могут показывать также производные величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.

АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ

Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на постоянном токе применяются аналоговые магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и многовитковой подвижной частью. Такие приборы стрелочного типа характеризуются погрешностью от 0,5 до 5%. Они просты и недороги (пример – автомобильные приборы, показывающие ток и температуру), но не применяются там, где требуется сколько-нибудь значительная точность.

Магнитоэлектрические приборы.

В таких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю. Момент этой силы уравновешивается моментом, создаваемым противодействующей пружиной, так что каждому значению тока соответствует определенное положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет форму многовитковой проволочной рамки с размерами от 3ґ 5 до 25ґ 35 мм и делается как можно более легкой. Подвижная часть, установленная на каменных подшипниках или подвешенная на металлической ленточке, помещается между полюсами сильного постоянного магнита. Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий момент, служат также токопроводами обмотки подвижной части.

Магнитоэлектрический прибор реагирует на ток, проходящий по обмотке его подвижной части, а потому представляет собой амперметр или, точнее, миллиамперметр (так как верхний предел диапазона измерений не превышает примерно 50 мА). Его можно приспособить для измерения токов большей силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля полного измеряемого тока. Такое устройство пригодно для токов, измеряемых многими тысячами ампер. Если последовательно с обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор превратится в вольтметр. Падение напряжения на таком последовательном соединении равно произведению сопротивления резистора на ток, показываемый прибором, так что его шкалу можно проградуировать в вольтах. Чтобы сделать из магнитоэлектрического миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему последовательно измеряемые резисторы и подавать на это последовательное соединение постоянное напряжение, например от батареи питания. Ток в такой схеме не будет пропорционален сопротивлению, а потому необходима специальная шкала, корректирующая нелинейность. Тогда можно будет производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя и с не очень высокой точностью.

Гальванометры.

К магнитоэлектрическим приборам относятся и гальванометры – высокочувствительные приборы для измерения крайне малых токов. В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть подвешена на тонкой ленточке или нити, используется более сильное магнитное поле, а стрелка заменена зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 1). Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а угол его поворота оценивается по смещению отбрасываемого им светового зайчика на шкале, установленной на расстоянии около 1 м. Самые чувствительные гальванометры способны давать отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока всего лишь на 0,00001 мкА.

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ

Регистрирующие приборы записывают «историю» изменения значения измеряемой величины. К таким приборам наиболее распространенных типов относятся ленточные самописцы, записывающие пером кривую изменения величины на диаграммной бумажной ленте, аналоговые электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса на экране электронно-лучевой трубки, и цифровые осциллографы, запоминающие однократные или редко повторяющиеся сигналы. Основное различие между этими приборами – в скорости записи. Ленточные самописцы с их движущимися механическими частями наиболее подходят для регистрации сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее. Электронные осциллографы же способны регистрировать сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей секунды до нескольких секунд.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ

Измерительный мост – это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой – нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется наивысшая точность измерения. (Для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001%. Простейший мост для измерения сопротивления носит имя своего изобретателя Ч.Уитстона.

Двойной измерительный мост постоянного тока.

К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом ошибка будет составлять 10%. Двойной измерительный мост (мост Томсона), схема которого представлена на рис. 2, предназначен для измерения сопротивления эталонных резисторов малого номинала. Сопротивление таких четырехполюсных эталонных резисторов определяют как отношение напряжения на их потенциальных зажимах (р 1 , р 2 резистора R s и р 3 , p 4 резистора R x на рис. 2) к току через их токовые зажимы (с 1 , с 2 и с 3 , с 4). При такой методике сопротивление присоединительных проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого сопротивления. Два дополнительных плеча m и n исключают влияние соединительного провода 1 между зажимами с 2 и с 3 . Сопротивления m и n этих плеч подбирают так, чтобы выполнялось равенство M /m = N /n . Затем, изменяя сопротивление R s , сводят разбаланс к нулю и находят

R x = R s (N /M ).

Измерительные мосты переменного тока.

Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50–60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц. Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла – Вина.

Измерительный мост Максвелла – Вина.

Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L ) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, их легче экранировать, и они практически не создают внешних электромагнитных полей. Условия равновесия этого измерительного моста таковы: L x = R 2 R 3 C 1 и R x = (R 2 R 3) /R 1 (рис. 3). Мост уравновешивается даже в случае «нечистого» источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты), если величина L x не зависит от частоты.

Трансформаторный измерительный мост.

Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока – простота задания точного отношения напряжений посредством трансформатора. В отличие от делителей напряжения, построенных из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, трансформаторы в течение длительного времени сохраняют постоянным установленное отношение напряжений и редко требуют повторной калибровки. На рис. 4 представлена схема трансформаторного измерительного моста для сравнения двух однотипных полных сопротивлений. К недостаткам трансформаторного измерительного моста можно отнести то, что отношение, задаваемое трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты сигнала. Это приводит к необходимости проектировать трансформаторные измерительные мосты лишь для ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется паспортная точность.

Заземление и экранирование.

Типичные нуль-детекторы.

В измерительных мостах переменного тока чаще всего применяются нуль-детекторы двух типов. Нуль-детектор одного из них представляет собой резонансный усилитель с аналоговым выходным прибором, показывающим уровень сигнала. Нуль-детектор другого типа – это фазочувствительный детектор, который разделяет сигнал разбаланса на активную и реактивную составляющие и пригоден в тех случаях, когда требуется точно уравновешивать только одну из неизвестных составляющих (скажем, индуктивность L , но не сопротивление R катушки индуктивности).

ИЗМЕРЕНИЕ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока обычно требуется измерять некоторые их характеристики, связанные с мгновенными значениями сигнала. Чаще всего желательно знать среднеквадратические (эффективные) значения электрических величин переменного тока, поскольку мощности нагревания при напряжении 1 В постоянного тока соответствует мощность нагревания при напряжении 1 В (эфф.) переменного тока. Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины, например максимальное или среднее абсолютное значение. Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения (или силы) переменного тока определяется как корень квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения (или силы тока):

где Т – период сигнала Y (t ). Максимальное значение Y макс – это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение Y AA – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний Y эфф = 0,707Y макс и Y AA = 0,637Y макс.

Измерение напряжения и силы переменного тока.

Почти все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока показывают значение, которое предлагается рассматривать как эффективное значение входного сигнала. Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле измеряется среднее абсолютное или максимальное значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы показание соответствовало эквивалентному эффективному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Не следует упускать из виду, что точность таких приборов крайне низка, если сигнал несинусоидален. Приборы, способные измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из трех принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала или теплового преобразования. Приборы, основанные на первых двух принципах, как правило, реагируют на напряжение, а тепловые электроизмерительные приборы – на ток. При использовании добавочных и шунтовых резисторов всеми приборами можно измерять как ток, так и напряжение.

Электронное умножение.

Возведение в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такого типа могут иметь погрешность порядка всего лишь 0,009%.

Дискретизация сигнала.

Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких приборов составляет 0,01–0,1%.

Тепловые электроизмерительные приборы.

Наивысшую точность измерения эффективных значений напряжения и тока обеспечивают тепловые электроизмерительные приборы. В них используется тепловой преобразователь тока в виде небольшого откачанного стеклянного баллончика с нагревательной проволочкой (длиной 0,5–1 см), к средней части которой крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары. Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно электроизоляцию. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением тока в нагревательной проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС (напряжение постоянного тока). Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц.

На рис. 5 показана принципиальная схема теплового электроизмерительного прибора с двумя подобранными по параметрам тепловыми преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока V ас на выходе термопары преобразователя ТС 1 возникает напряжение постоянного тока, усилитель А создает постоянный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС 2 , при котором термопара последнего дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный прибор постоянного тока измеряет выходной ток.

С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно превратить в вольтметр. Поскольку тепловые электроизмерительные приборы непосредственно измеряют токи лишь от 2 до 500 мА, для измерения токов большей силы необходимы резисторные шунты.

Измерение мощности и энергии переменного тока.

Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально (как это обычно и бывает), то мощность Р можно представить в виде P = EI cosj , где Е и I – эффективные значения напряжения и тока, а j – фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cosj , называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока.

С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина – энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается так:

Если время (t 1 - t 2) измеряется в секундах, напряжение е – в вольтах, а ток i – в амперах, то энергия W будет выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях (1 Дж = 1 ВтЧ с). Если же время измеряется в часах, то энергия – в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах (1 кВтЧ ч = 1000 ВтЧ ч).

Счетчики электроэнергии с разделением времени.

В счетчиках электроэнергии с разделением времени используется весьма своеобразный, но точный метод измерения электрической мощности. Такой прибор имеет два канала. Один канал представляет собой электронный ключ, который пропускает или не пропускает входной сигнал Y (или обращенный входной сигнал - Y ) на фильтр нижних частот. Состоянием ключа управляет выходной сигнал второго канала с отношением временных интервалов «закрыто»/«открыто», пропорциональным его входному сигналу. Средний сигнал на выходе фильтра равен среднему по времени произведению двух входных сигналов. Если один входной сигнал пропорционален напряжению на нагрузке, а другой – току нагрузки, то выходное напряжение пропорционально мощности, потребляемой нагрузкой. Погрешность таких счетчиков промышленного изготовления составляет 0,02% на частотах до 3 кГц (лабораторных – порядка всего лишь 0,0001% при 60 Гц). Как приборы высокой точности они применяются в качестве образцовых счетчиков для поверки рабочих средств измерения.

Дискретизирующие ваттметры и счетчики электроэнергии.

Такие приборы основаны на принципе цифрового вольтметра, но имеют два входных канала, дискретизирующих параллельно сигналы тока и напряжения. Каждое дискретное значение e (k ), представляющее мгновенные значения сигнала напряжения в момент дискретизации, умножается на соответствующее дискретное значение i (k ) сигнала тока, полученное в тот же момент времени. Среднее по времени таких произведений есть мощность в ваттах:

Сумматор, накапливающий произведения дискретных значений с течением времени, дает полную электроэнергию в ватт-часах. Погрешность счетчиков электроэнергии может составлять всего лишь 0,01%.

Индукционные счетчики электроэнергии.

Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности. Число оборотов диска за то или иное время пропорционально полной электроэнергии, полученной за это время потребителем. Число оборотов диска считает механический счетчик, который показывает электроэнергию в киловатт-часах. Приборы такого типа широко применяются в качестве бытовых счетчиков электроэнергии. Их погрешность, как правило, составляет 0,5%; они отличаются большим сроком службы при любых допустимых уровнях тока.

Литература:

Атамалян Э.Г. и др. Приборы и методы измерения электрических величин . М., 1982
Малиновский В.Н. и др. Электрические измерения . М., 1985
Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения . Л., 1987



Энергосбережение и энергоэффективность промышленности невозможно представить без электрических измерений, так как невозможно экономить то, чему не знаешь счета.

Электрические измерения выполняются по одному из следующих видов: прямой, косвенный, совокупный и совместный. Название прямого вида говорит само за себя, значение нужной величины определяется непосредственно прибором. Примером таких измерений может служить определение мощности ваттметром, силы тока амперметром и т. д.

Косвенный вид заключается в нахождении величины на основании известной зависимости этой величины и величины, найденной прямым методом. Примером может служить определение мощности без ваттметра. Прямым методом находят I, U, фазу и по формуле вычисляют мощность.

Совокупный и совместный виды измерений заключаются в одновременном измерении нескольких одноименных (совокупный) или не одноимённых (совместный) величин. Нахождение искомых величин осуществляется решением систем уравнений с коэффициентами, полученными в результате прямых измерений. Число уравнений в такой системе должно равняться числу искомых величин.

Прямые измерения как самый распространенный вид измерений могут производиться двумя основными методами:

• метод непосредственной оценки
• метод сравнения с мерой .

Первый метод является самым простым, так как значение нужной величины определяют по шкале прибора.

Таким методом определяется сила тока амперметром, напряжение вольтметров и т. д. Достоинством данного способа можно назвать простоту, а недостатком невысокую точность.

Измерения сравнением с мерой выполняется по одной из следующих методик: замещения, противопоставления, совпадения, дифференциальной и нулевой. Мера является своего рода эталонным значением некоторой величины.

Дифференциальный и нулевой методы – заложены в основе работы измерительных мостов. При дифференциальном методе делают неуравновешенно-показывающие мосты, а при нулевом – уравновешенные или нулевые.

В уравновешенных мостах сравнение происходит при помощи двух или более вспомогательных сопротивлений, подбираемых таким образом, чтобы со сравниваемыми сопротивлениями они составляли замкнутый контур (четырехполюсник), питаемый от одного источника и имеющий равнопотенциальные точки, обнаруживаемые индикатором равновесия.

Отношение между вспомогательными сопротивлениями является мерой отношения между сравниваемыми величинами. Индикатором равновесия в цепях постоянного тока выступает гальванометр, а в цепях переменного тока милливольтметр.

Дифференциальный метод иначе называют разностным, так как на средство измерения воздействует именно разность известной и искомой величины тока. Нулевой метод является предельным случаем дифференциального метода. Так например, в указанной мостовой схеме гальванометр показывает ноль, если соблюдается равенство:

R1*R3 = R2*R4;

Из этого выражения следует:

Rx=R1=R2*R4/R3.

Таким образом, можно вычислить сопротивление любого неизвестного элемента, при условии, что остальные 3 являются образцовыми. Образцовым также должен быть и источник постоянного тока.

Метод противопоставления – иначе этот метод называют компенсационным и используют для непосредственного сравнения напряжения или ЭДС, тока и косвенно для измерений других величин, преобразуемых в электрические.

Две встречно направленные ЭДС, не связанные между собой включаются на прибор, по которому уравновешивают ветви схемы. На рисунке: требуется найти Ux. С помощью образцового регулируемого сопротивления Rk добиваются такого падения напряжения Uk, чтобы численно оно было равноUx.

Судить об их равенстве можно по показаниям гальванометра. При равенстве Uки Uх ток в цепи гальванометра протекать не будет, так как они противоположно направлены. Зная сопротивление и величину тока по формуле определяем Uх.

Метод замещения – метод, при котором искомую величину замещают или совмещают с известной образцовой величиной, по значению равной замещенной. Такой способ применяется для определения индуктивности или емкости неизвестной величины. Выражение, определяющее зависимость частоты от параметров цепи:

fо=1/(√LC)

Слева, частота f0 задаваемая генератором ВЧ, в правой части значения индуктивности и емкости измеряемой цепи. Подбирая резонанс частоты можно определить неизвестные значения в правой части выражения.

Индикатором резонанса является электронный вольтметр с большим входным сопротивлением, показания которого в момент резонанса будут наибольшими. Если измеряемую катушку индуктивности включить параллельно образцовому конденсатору и измерять резонансную частоту, то значение Lx можно найти по вышеуказанному выражению. Аналогично находится неизвестная емкость.

Вначале резонансный контур, состоящий из индуктивности Lи образцового конденсатора емкости Co, настраивают в резонанс на частоту fo; при этом фиксируют значения fo и емкости конденсатора Co1.

Затем, параллельно образцовому конденсатору Co подключают конденсатор Cхи изменением емкости образцового конденсатора добиваются резонанса при той же частоте fo; соответственно искомая величина равна Co2.

Метод совпадений – метод, при котором разность между искомой и известной величиной определяется по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. Ярким примером применения этого способа в жизни является измерение угловой скорости вращения различных деталей.

Для этого на измеряемом объекте наносят метку, например мелком. При вращении детали с меткой, на нее направляют стробоскоп, частота мигания которого известна изначально. Регулированием частоты стробоскопа добиваются, чтобы метка стояла на месте. При этом частоту вращения детали принимают равной частоте мигания стробоскопа.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

3.1. Роль измерений в электротехнике

В любой области знаний измерения имеют исключительно боль­шое значение, но особенно важны они в электротехнике.

Механические, тепловые, световые явления человек ощущает при помощи своих органов чувств. Мы, хотя и приблизительно, можем оценить размеры предметов, скорость их движения, яркость светящихся тел. Долгое время именно так люди изучали звездное небо.

Но мы с вами совершенно одинаково реагируем на проводник, ток которого равен 10 мА или 1 А (т. е. в 100 раз больше).

Мы видим форму проводника, его цвет, но наши органы чувств не позволяют оценить величину тока. Точно так же мы совершенно равнодушны к магнитному полю, созданному катушкой, электри­ческому полю между обкладками конденсатора. Медицина устано­вила определенное влияние электрических и магнитных полей на организм человека, но это влияние мы не ощущаем, и величину электромагнитного поля оценить не можем.

Исключение составляют только очень сильные поля. Но и здесь неприятное покалывание, которое можно заметить, гуляя око высоковольтной линии передачи, не позволит нам даже приблизительно оценить величину электрического напряжения в линии.

Все это заставило физиков и инженеров с первых шагов исследования и применения электричества пользоваться электроизмерительными приборами.

Приборы - глаза и уши инженера-электрика. Без них он глух и слеп и совершенно беспомощен. Миллионы электроизмерительных приборов установлены на заводах, в научно-исследовательских ла­бораториях. В каждой квартире тоже есть измерительный прибор - электрический счетчик.

Показания (сигналы) электроизмерительных приборов исполь­зуют для оценки работы различных электротехнических устройств и состояния электрооборудования, в частности состояния изоляции. Электроизмерительные приборы отличаются высокой чувствительностью, точностью измерений, надежностью и простотой исполне­ния.

Успехи электроприборостроения привели к тому что его услугами стали пользоваться и другие отрасли. Электрические методы стали при­менять для определения размеров, скоростей, массы, температуры. Появилась даже самостоятельная дисциплина “Электрические изме­рения неэлектрических величин ”.

Показания электроизмерительных приборов можно передавать на дальние расстояния (телеизмерение), они могут использоваться для непосредственного воздействия на производственные процессы (ав­томатическое регулирование); с их помощью регистрируют ход кон­тролируемых процессов, например путем записи на ленте и т.д.

Применение полупроводниковой техники существенно расши­рило применение электроизмерительных приборов.

Измерить какую-либо физическую величину - значит найти ее значение опытным путем с помощью специальных технических средств.

Стендовые испытания новейшего оборудования немыслимы без электрических измерений.Так, при испытании турбогенератора мощностью 1200 МВт на заводе “Электросила” измерения производились в 1500 его точках.

Развитие электроизмерительных приборов привело к использо­ванию в них микроэлектроники, что позволяет измерять физичес­кие величины с погрешностью не более 0,005-0,0005 %.

3.2. Основные понятия, термины и определения

Результаты теоретической деятельности без проверки экспери­ментом недостоверны. Измерительная техника при эксперименте дает результаты, которые указывают на качество и количество про­дукции, правильность ведения технологических процессов, распре­деления, потребления и изготовления. При этом электрические из­мерения за счет малого потребления энергии, возможности передачи измерительных величин на расстояние, большой скорости измере­ний и передачи, а также высокой точности и чувствительности ока­зались предпочтительнее.

Электрические измерения и приборы, методы и средства обес­печения их единства, способы достижения требуемой точности - все это относится к метрологии, а принципы и методы установления оптимальных норм и правил взаимодействия - к стандартизации .

В Российской Федерации стандартизация и метрология объедине­ны в единой государственной службе - Государственном комитете стандартов. В 1963 г. ГОСТ 9867-61 ввел Международную систему единиц (СИ) на базе метра (м ), килограмма (кг ), секунды (с ), ам­пера (А ), кельвина (К ) и канделы (кд ).

Вопросы электрических измерений и приборов проще воспри­нимаются, если известны содержание терминов и определений.

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспе­чения их единства, способах достижения требуемой точности.

Измерение - нахождение значения физической величины опыт­ным путем с помощью специальных технических средств.

Результат измерения - значение физической величины, найден­ной путем измерения.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизве­дения физической величины заданного размера (например, едини­цы измерения света - кд).

Измерительный преобразователь - средство измерений для выра­ботки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки (или хранения), но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичный измерительный преобразователь - датчик.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, дос­тупной для непосредственного восприятия наблюдателем.

3.3. Методы измерений. Погрешность измерений

Для различных измеряемых электрических величин существуют свои средства измерений , так называемые меры. Например, мерами ЭДС служат нормальные элементы, мерами электрического сопротивления - измерительные резисторы, мерами индуктивности измерительные катушки индуктивности, мерами электрической емкости - конденсаторы постоянной емкости и т. д.

На практике для измерения различных физических величин применяют различные методы. Последние в зависимости от способа получения результата делятся на прямые и косвенные . При прямом измерении значение величины получают непосредственно из опыт­ных данных. При косвенном измерении искомое значение величины находят путем подсчета с использованием известной зависимости между этой величиной и величинами, получаемыми на основании прямых измерений. Так, определить сопротивление участка цепи можно путем измерения протекающего по нему тока и приложенно­го напряжения с последующим подсчетом этого сопротивления из закона Ома. Наибольшее распространение в электроизмерительной технике получили методы прямого измерения, так как они обычно проще и требуют меньших затрат времени.

В электроизмерительной технике используют также метод срав­нения , в основе которого лежит сравнение измеряемой величины с воспроизводимой мерой. Метод сравнения может быть компенса­ционным и мостовым. Примером применения компенсационного метода служит измерение напряжения путем сравнения его значе­ния со значением ЭДС нормального элемента. Примером мостово­го метода является измерение сопротивления с помощью четырех-плечной мостовой схемы. Измерения компенсационным и мостовым методами очень точные, но для их проведения требуется более сложная измерительная техника.