Измерения электрических и неэлектрических величин электрическими методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерения электрических и неэлектрических величин электрическими методами



ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.

Комплексной целью модуля является изучение:

- способов измерения электрических величин с помощью технических средств;

- устройства и классификации электроизмерительных приборов;

- способов измерения U, I, R, P;

- методов преобразования физических величин в один из параметров электрических (датчики).

электрический физический преобразование технический



Лекция 1. Электрические измерения и приборы

1.1 Основные понятия

Измерение - это процесс определения физической величины с помощью технических средств. Мера - это средство измерения физической величины заданного размера. Измерительный прибор - это средство измерения, в котором вырабатывается сигнал, доступный для восприятия наблюдателем.

Разность между показанием прибора X и истинным значением измеряемой величины Х0 называется абсолютной погрешностью измерительного прибора:

D = X - X 0 7. 1

Относительная погрешность измерения д определяется обычно в процентах к истинному значению Х0, но так как отклонения X от Хд сравнительно малы, то

7. 2

Поскольку величина X при измерении может принимать любые значения в пределах от 0 до XN , где XN - верхний предел диапазона измерения прибора (номинальное значение), то оценить качество прибора по значению абсолютной или относительной погрешности невозможно. Поэтому было введено понятие приведенной погрешности г

7. 3

Значение приведенной погрешности, выраженное в процентах , определяет класс точности прибора.

По степени точности даваемых показаний электроизмерительные приборы делятся на классы, обозначаемые соответственно числами: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0, определяющими максимальную погрешность прибора в процентах при полном отклонении указателя.

Электроизмерительные приборы классифицируют по целому ряду признаков. Приведем некоторые из них.

По виду измеряемой величины. Классификация в этом случае производится по наименованию единицы измеряемой величины. На шкале прибора пишут полное его наименование или начальную латинскую букву единицы измеряемой величины, например: амперметр - А, вольтметр - V, ваттметр - W и т.д. К условной букве наименования прибора может быть добавлено обозначение кратности основной единицы: миллиампер - mА, киловольт - kV, мегаватт - MW и т.д.

По физическому принципу действия измерительного механизма прибора, т.е. по способу преобразования электрической энергии в механическое действие подвижной части прибора.

3. По роду измеряемого тока. Эта классификация позволяет определить, в цепях какого тока можно применять данный прибор.

На приборах переменного тока указывают номинальное значение частоты, или диапазон частот, на которые они рассчитаны, например, 120 Гц; 45 - 550 Гц. Если на приборе не указан диапазон рабочих частот, то он предназначен для работы в установках с частотой 50 Гц.

1.2 Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

методу измерения;

роду измеряемой величины;

роду тока;

степени точности;

принципу действия.

Существует два метода измерения:

1) метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величина;

2) метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов. По роду измеряемой величины различают электроизмерительные приборы:

для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры);

для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры); для измерения мощности (ваттметры);

для измерения энергии (электрические счетчики);

для измерения угла сдвига фаз (фазометры);

для измерения частоты тока (частотомеры);

для измерения сопротивлений (омметры), и т.д.

В зависимости от рода измеряемого тока различают приборы постоянного, переменного однофазного и переменного трехфазного тока.

1.3 Магнитоэлектрическая система

Приборы этой системы (рис. 1) содержат постоянный магнит - 1, к которому крепятся полюса - 2.



Рис. 1 Рис. 2

В межполюсном пространстве расположен стальной цилиндр - 3 с наклеенной на него рамкой - 4. Ток в рамку подается через две спиральные пружины -5.

Принцип действия прибора основан на взаимодействии тока в рамке (3) рис.2. с магнитным полем полюсов N и S. Это взаимодействие вызывает вращающий момент, под действием которого рамка(3) вместе с цилиндром (2) повернутся на определенный угол. Спиральная пружина(1), в свою очередь, вызывает противодействующий момент. Так как вращающий момент пропорционален току, M = kI, а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин Mпр = D, то можно написать:

M = Mпр = kI = D. 7. 4

где k и D - коэффициенты пропорциональности.

Таким образом, угол поворота стрелки магнитоэлектрического прибора пропорционален току в рамке и шкала такого прибора равномерна. Механизм магнитоэлектрического прибора обычно используется для изготовления гальванометра и амперметра.

К достоинствам этой системы относят высокую точность и чувствительность, малое потребление энергии.

Из недостатков следует отметить сложность конструкции, чувствительность к перегрузкам, возможность измерять только постоянный ток (без дополнительных средств).

1.4 Электромагнитная система

Приборы этой системы (рис. 3) имеют неподвижную катушку - 1 и подвижную часть в виде стального сердечника - 2, связанного с индикаторной стрелкой - 3 противодействующей пружины - 4.

Рис. 3

Рис. 4

Измеряемый ток, проходя по катушке (1) рис 4., намагничивает сердечник (2) и втягивает его в катушку. При равенстве вращающего и тормозящего (пружина 6) моментов система успокоится, для быстрой остановки системы применяется успокоитель (4). По углу поворота подвижной части определяют измеряемый ток. Среднее значение вращающего момента пропорционально квадрату измеряемого тока:

Мср = kI2. 7. 5

Так как тормозящий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части, уравнение шкалы прибора запишем в виде:

= kI2. 7. 6

Другими словами, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату действующего значения переменного тока.

К главным достоинствам электромагнитной системы относятся: простота конструкции, надежность в работе, стойкость к перегрузкам.

Из недостатков отмечаются: низкая чувствительность, большое потребление энергии, небольшая точность измерения, неравномерная шкала.

1.5 Электродинамическая система

Эта система представляет собой две катушки (рис. 5), одна из которых неподвижная(1), а другая подвижная(2). Обе катушки подключаются к сети, и взаимодействие их магнитных полей приводит к повороту подвижной катушки относительно неподвижной, противодействие повороту катушки (2) оказывает пружина(3).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5

Из уравнения видно, что шкала электродинамической системы имеет квадратичный характер. Для устранения этого недостатка подбирают геометрические размеры катушек таким образом, чтобы получить шкалу, близкую к равномерной. Эти системы чаще всего используются для измерения мощности, т.е. в качестве ваттметров, тогда:

. 7. 7

В этом случае шкала ваттметра равномерная. Основным достоинством прибора является высокая точность измерения. К недостаткам относятся малая перегрузочная способность, низкая чувствительность к малым сигналам, заметное влияние внешних магнитных полей.

1.6 Индукционная система

Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменного магнитного поля с вихревыми токами индуцируемыми полем в алюминиевом подвижном диске или цилиндре. Однофазный индукционный счетчик имеет две катушки с сердечниками: токовую катушку (рис. 6), рис 8. (3) навивают толстым проводом на стальной сердечник и включают последовательно с нагрузкой. Магнитный поток Ф1 в ней пропорционален току нагрузки. Магнитный поток Ф2 создается катушкой напряжения (рис. 7), рис.8.(2), которую навивают большим числом витков тонкого провода на стальной сердечник. Индуктивное сопротивление этого электромагнита несравненно больше активного, поэтому данную цепь можно считать чисто индуктивной (ток в катушке напряжения отстает по фазе на р/2). Таким образом, счетчик состоит из двух электромагнитов и подвижного алюминиевого диска.

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8. Устройство индукционного счетчика: 1 - сердечник; 2 - катушка напряжения; 3 - токовая катушка; 4 - алюминиевый диск; 5 - ось диска; 6 - тормозящий магнит.

Общий вид индукционного счетчика и расположение сил - на рис. 9.

Вращающий момент, действующий на диск, определяется выражением:

7. 8

где ФU - часть магнитного потока, созданного обмоткой напряжения и проходящего через диск счетчика; ФI - магнитный поток, созданный обмоткой тока; - угол сдвига между ФU и ФI.

Рис. 9

Магнитный поток ФU пропорционален напряжению ФU = k2U. Магнитный поток ФI пропорционален току: ФI = k3I.

Для того чтобы счетчик реагировал на активную энергию, необходимо выполнить условие:

sin = cos ц.

В этом случае

7. 9



т.е. вращающий момент пропорционален активной мощности нагрузки.

Противодействующий момент создается тормозным магнитом - 6 (рис. 7.8) и пропорционален скорости вращения диска:

7. 10

В установившемся режиме , и диск вращается с постоянной скоростью. Приравнивая два последних уравнения и решив полученное уравнение относительно угла поворота диска

Таким образом, угол поворота диска счетчика пропорционален активной энергии. Следовательно, число оборотов диска n тоже пропорционально

1.7 Измерение тока и напряжения

Измерение тока производится прибором, называемым амперметром.

Существуют четыре схемы включения амперметра в цепь. Верхние две (рис. 10) предназначены для измерения постоянного тока, а две нижние схемы - для измерения переменного тока.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Схемы измерения тока А - амперметр; R, Z - нагрузка цепи; Rш - сопротивление шунта; ИТТ - измерительный трансформатор тока

Схемы с Rш и ИТТ применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования:

IИСТ = IИЗМkпр, 7. 11

где Iист - истинное значение тока, Iизм - измеренное значение тока, kпр - коэффициент преобразования. Измерение напряжения производится вольтметром. Здесь также возможны четыре различных схемы подключения прибора (рис. 11). Верхние две схемы имеют полярность и подключаются постоянному напряжению, а нижние к переменному.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Схемы измерения напряжения V - вольтметр; R,Z - нагрузка цепи; Rдоп - дополнительное сопротивление; ИТН - измерительный трансформатор напряжения.

В этих схемах также используются методы расширения пределов измерения напряжения (вторая (Rдоп) и четвертая (ИТН) схемы).

1.8 Измерение мощности

Для измерения мощности постоянного тока достаточно измерить напряжение и ток. Результат определяется по формуле

7. 12

Метод амперметра и вольтметра пригоден и для измерения полной мощности, а также активной мощности переменного тока, если cos ц = 1.

Чаще всего измерение мощности осуществляется одним прибором - ваттметром. Как было сказано ранее, для измерения мощности лучшей является электродинамическая система. Ваттметр снабжен двумя измерительными элементами в виде двух катушек: последовательной и параллельной. По первой катушке течет ток, пропорциональный нагрузке, а по второй - пропорциональный напряжению в сети. Угол поворота подвижной части электродинамического ваттметра пропорционален произведению тока и напряжения в измерительных катушках:

7. 13

На рис. 12 показана схема включения ваттметра в однофазную сеть.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Схема включения ваттметра

В трехфазных сетях для измерения мощности используют один, два и три ваттметра.

1.9 Измерение сопротивлений

Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае

7. 14

Можно использовать омметр - прибор непосредственного отсчета. Существуют две схемы омметра: а) последовательная; б) параллельная (рис. 5.15).

Размещено на http://www.allbest.ru/

а б

Рис. 13. Схема омметров: а - последовательная, б - параллельная; Г - измерительный прибор; Rx - измеряемое сопротивление; Rдоб - добавочное сопротивление; К - ключ; U - напряжение питания.

Уравнение шкалы последовательной схемы намерения:

, 7. 15

где Rг - сопротивление цепи гальванометра. При U = const угол поворота подвижной части прибора определяется величиной измеряемого сопротивления Rx. Поэтому шкала прибора может быть непосредственно проградуирована в Омах. Ключ K используется для установки стрелки прибора в нулевое положение. Омметры параллельного типа удобнее применять для измерения небольших сопротивлений

Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами.

На рисунке Рис. 7.14. приведена схема включения потенциометрического датчика измерения уровня топлива автомобиля в цепь контрольного прибора: У - указатель, Д - датчик, RД - реостат датчика, П - ползунок реостата, ПЛ - поплавок датчика. Работа датчика основана на измерении сопротивления реостата датчика в зависимости от положения поплавка в бензобаке автомобиля.

Рис. 14

Лекция 2. Преобразователи неэлектрических величин в электрические

2.1 Измерение неэлектрических величин электрическими методами

Необходимость измерения неэлектрических величии (температуры, угловых и линейных размеров, механических усилий и напряжений, деформаций, вибраций, химического состава и т.д.) электрическими методами обусловлена теми преимуществами, которыми они обладают по сравнению с другими методами. При этом создается возможность дистанционного измерения и контроля неэлектрических величин с одного места (пульта управления); измерения быстро изменяющихся неэлектрических величин; автоматизации управления производственным процессом. Обычно такие приборы состоят из датчика и измерительного устройства. В датчиках происходит преобразование неэлектрической величины в один из параметров электрической цепи (U, I, R и т.д.). Измерительное устройство - это один из электрических приборов, рассмотренных выше. Не имея возможности остановиться на каждом преобразователе подробно, ограничимся краткой информацией.



2.2 Реостатные преобразователи

Рис. 15. Датчик уровня топлива: 1- установочный фланец; 2 - приемная труба; 3 - опорная пластина; 4 - реостат; 5 - контакт включения сигнальной лампы резерва топлива; 6 - ползунок; 7 - рычаг; 8 - поплавок; 9 - сетчатый фильтр; 10 - корпус; 11- штекеры.

Работают на изменении сопротивления реостата, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины (рис. 8.1).

Поплавок в бензобаке перемещает ползунок реостата.

2.3 Герконы

Рис.

16. Схема датчика уровня охлаждающей жидкости: 1 - геркон; 2 - верхний магнит; 3 - поплавок;

При опускании геркона до нижнего уровня он включает цепь питания индикации уровня жидкости. При подъеме геркона до верхнего уровня, он размыкает цепь питания. (Геркон - датчик, контакты которого размыкаются или замыкаются под действием магнитных полей.)

Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Их работа основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.

Термопреобразователи (терморезисторы, термосопротивления). В них изменяется сопротивление датчика под воздействием температуры.

2.4 Индуктивные преобразователи

В них при изменении положения разъемных частей магнитопровода (например, под действием силы, давления, линейного перемещения) меняется индуктивность катушки.

Рис. 17. Принцип действия индуктивных датчиков:

1 - магнитопровод; 2- катушка индуктивности; 3 - магнитный сердечник; 4 - ферромагнитный диск; Ф - магнитный поток; евых - выходной электрический сигнал.

В основе работы индуктивных датчиков лежит явление электромагнитной индукции. Датчики выполнены в виде катушек 2 (рис. 17) с магнитными сердечниками 3. При прохождении под сердечником 3 зубца ферромагнитного диска 4 магнитный поток Ф датчика изменяется, и в катушке индуцируется электродвижущая сила е. Амплитуда импульсов евых зависит от частоты вращения коленчатого вала и зазора между зубцом маховика и сердечником.

Рис. 18. Логометрический термометр: 1, 3, 4 - обмотки указателя термометра; 2 - стрелка; 5 - термокомпенсационный резистор; 6 - постоянный магнит; 7 - датчик; 8 - терморезистор; 9 - токоведущая пружина.

На рис. 18 - логометрический термометр. Принцип действия основан на взаимодействии поля постоянного магнита 6, соединенного со стрелкой 2, с результирующим магнитным полем трех измерительных обмоток (1, 3, 4), по которым протекает ток, причем величина тока в обмотке 1 зависит от сопротивления датчика.

2.5 Емкостные преобразователи. Могут быть использованы в качестве датчиков перемещения, влажности

Фотоэлектрические преобразователи. В них измерительный прибор реагирует на изменение освещенности, температура, перемещения и др.

Индукционные преобразователи. Работают на принципе преобразования неэлектрической величины (например, скорости, ускорения) в индуктированную ЭДС.

2.6 Пьезоэлектрические преобразователи

В основе работы датчиков лежит явление пьезоэлектрического эффекта (возникновение электрических зарядов при деформации кристаллов рис. 19.

Рис. 19 Принцип действия датчика детонации: а - кристалл кварца; б - схема датчика. 1 - инерционная масса (шайба); 2 - кварцевая пластина (пьезоэлемент); 3 - схема усиления и преобразования.

2.7 Термоэлектрические преобразователи. Основаны на возникновении термо ЭДС и ее зависимости от температуры

Рис. 20. Принципиальная схема датчика температуры МПСЗ: Rt - терморезистор; R, R1, R2, R3 - резисторы; УПС - усилительно-преобразовательная схема; 11бс - напряжение бортовой сети; Цд - выходное напряжение датчика; In - ток питания датчика.

2.8 Детекторный прибор - это совокупность выпрямителя (детектора) и магнитоэлектрического измерителя

Рис. 21

Такое сочетание вызвано необходимостью измерений малых токов и напряжений переменного тока. Наибольшее распространение получила мостовая схема двухполупериодный выпрямителем. Если подобрать здесь все четыре диода одинаковыми, то сопротивления переменному току по обоим направлениям будут также одинаковыми. Через прибор проходит ток в обе половины периода в одном направлении, вдвое увеличивая .

Цифровые измерительные приборы это такие приборы, в которых значение измеряемой электрической величины представлено в виде цифр. Показания цифровых приборов легче читать, и они обеспечивают большую точность, чем аналоговые. Однако аналоговые приборы обеспечивают возможность проследить за быстрыми изменениями тока и напряжения. Цифровые приборы применяются для измерений практически всех электрических величин (постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления, емкости, индуктивности, добротности и др.), а также неэлектрических величин (например, давления, температуры, скорости), предварительно преобразованных в электрические.

Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на автоматическом преобразовании непрерывной, или аналоговой, измеряемой величины в дискретные сигналы в виде кода, в соответствии с которым ее значение отображается на дисплее в цифровой форме.

Размещено на Allbest.ru