Электрические измерения

Для измерения больших сопротивлений используют метод непосредственной оценки, реализуемой мегомметрами.

Метод амперметра -- вольтметра (см. рис. 3.10.) является наиболее простым для измерения малых и средних сопротивлений R.

Схему рис. 3.10,а рекомендуется применять при измерении малых сопротивлений, так как в этом случае ток IА ? IR ввиду того, что вольтметр обладает гораздо большим сопротивлением по сравнению с R и поэтому справедливо равенство Iv « IR. Схему рис.3.10,б лучше применять при измерении средних сопротивлений, так как в этом случае напряжение Uv ? UR ввиду того, что амперметр имеет внутреннее сопротивление гораздо меньше сопротивления R.

Измеряемое сопротивление находят из соотношения

Недостатком этого метода является наличие погрешности, возникающей из-за внутренних сопротивлений измерительных приборов. Погрешность не превысит 1%, если для схемы рис. 3.10,а выбрать вольтметр с сопротивлением Rv > 100 R, а для схемы рис. 3.10,б -- амперметр с сопротивлением RA < 100 R.

Метод непосредственной оценки реализуется с помощью омметра, схема которого приведена на рис. 3.18,а. Он состоит из магнитоэлектрического измерительного механизма ИМ, шкала которого проградуирована в Омах, источника питания напряжением U, добавочного резистора Rd. Прибор имеет выходные зажимы АВ, к которым присоединяют измеряемое сопротивление Rx. Ток в цепи измерителя I = U/(Rд + Rи + Rx), где Rд, Rи и Rx -- сопротивления соответственно добавочного резистора, измерителя и измеряемого объекта.

Угол отклонения стрелки прибора определяется выражением

где S1 - чувствительность измерения по току.

ЗАПОМНИТЕ

При разомкнутых зажимах АВ (Rx = ?) угол отклонения б= 0, при закороченных зажимах АВ (Rx = 0) угол отклонения максимальный, поэтому шкала у омметра обратная -- нулевая отметка находится справа.

Омметры удобны в использовании, но имеют большую погрешность (класс точности 2,5) из-за неравномерности шкалы и нестабильности источника питания. Для устранения последней причины погрешности в омметрах используют логометрические измерительные механизмы. Приборы, построенные на базе логометрического механизма, называют мегаомметрами (рис. 3.18,б). В качестве источника питания этих приборов используют небольшие генераторы Г с напряжением 500 и 1000 В, приводимые в действие вручную. Они служат в основном для измерения больших сопротивлений, например сопротивления изоляции.

Для измерения сопротивлений свыше 109 Ом используют электронные при-боры, называемые тераомметрами.

Широко применяют для измерения сопротивлений мостовой метод. Устройства, реализующие этот метод измерения, называются измерительными мостами.

Одинарный (четырехплечий) мост (рис. 3.18,а) содержит четыре плеча и две диагонали. В одно плечо моста включают измеряемое сопротивление Rх, а три остальных плеча образованы резисторами с сопротивлениями R2, R3 и R4. В одну диагональ моста (между зажимами а и б) включают источник питания с эдс Е0, а в другую (зажимы cud) -- нулевой индикатор НИ, выполняющий функции указателя равновесия тоста. Когда потенциалы узлов с и d равны, ток в индикаторе Iни = 0, мост находится в состоянии равновесия (признаком равновесия моста является нулевое отклонение указателя НИ). При этом справедливы следующие соотношения:I1 = I2; I3 = I4; RxI1 = R3I3 или R2I2 = R4I4. Разделив почленно два последних уравнения друг на друга и учтя равенство токов, получим

Rx/R2 = R3R4, или RxR4 =R2R3

ЗАПОМНИТЕ

Произведения сопротивлений элементов, включенных в противоположные плечи уравновешенного моста, равны между собой.

Из последнего выражения вычисляют искомое сопротивление Rx:

Плечо R2 называют плечом сравнения, а плечи R3 и R4 -- плечами отношения.

< Одинарный мост служит для измерения только средних сопротивлений. Малые и большие сопротивления им измерять не рекомендуется. Нижний предел (единицы Ом) измерения мостом ограничен влиянием сопротивлений соединительных проводов и переходных контактов, которые неизбежно оказываются включенными в плечо ас последовательно с измеряемым объектом Rx. Верхний предел (105Ом) измерения мостом ограничен шунтирующим действием токов утечки.

Для измерения сопротивления с повышенной точностью используют компенсационный метод. На рис. 3.19,б приведена схема измерительной цепи, включающая компенсаторы постоянного тока, переключатель на две позиции (П1 и П2), образцовый резистор R0, источник питания Е и объект с измеряемым сопротивлением Rx. Измерив падение напряжения на Rx и Ro при двух положениях переключателя, определяют URo=RoI и URx=RxI. Искомое значение сопротивления Rx находят из выражения

Рис. 3.18 Схемы включения приборов для измерения сопротивлений

а) омметра; б) мегаомметра

Рис. 3.19 Схема измерительной цепи

а) с одинарным мостом; б) с компенсатором

Задачи для самостоятельного решения.

На рисунке представлены шкалы двух измерительных приборов.

Требуется:

1) определить основные параметры этих приборов и заполнить форму типа табл. 3.1.;

2) расшифровать все символы, нанесенные на шкале каждого прибора, и провести сравнительный анализ этих приборов с указанием их относительных достоинств и недостатков;

3) рассчитать погрешность измерения гд напряжения, равного 80 В, обоими приборами;

4) определить значения измеряемых напряжений, соответствующих положениям стрелок на шкалах приборов, показанных на рисунке.

Изображения шкал двух приборов к задаче 3.4.1.

.На рисунке представлены шкалы двух измерительных приборов.

Требуется:

1) определить основные параметры этих приборов и заполнить форму типа табл.3.1.;

2) расшифровать все символы, нанесенные на шкале каждого прибора, и провести сравнительный анализ этих приборов с указанием их относительных достоинств и недостатков;

3) рассчитать погрешность измерения гд тока, равного 250мА, обоими приборами;

4) определить значения измеряемых токов, соответствующих положениям стрелок на шкалах приборов, показанных на рисунке.

Изображения шкал двух приборов к задаче 3.4.2

Изображения шкал двух приборов к задаче 3.4.3.

.На рисунке представлены шкалы двух измерительных приборов.

Требуется:

1) определить основные параметры этих приборов и заполнить форму типа табл.3.1.;

2) расшифровать все символы, нанесенные на шкале каждого прибора, и провести сравнительный анализ этих приборов с указанием их относительных достоинств и недостатков;

3) рассчитать погрешность измерения гд напряжения, равного 220 В, обоими приборами;

4) определить значения измеряемых напряжений, соответствующих положениям стрелок на шкалах приборов, показанных на рисунке.

Изображения шкал двух приборов к задаче 3.4.4.

На рисунке представлены шкалы двух измерительных приборов.

Требуется:

1) определить основные параметры этих приборов и заполнить форму типа табл.3.1.;

2) расшифровать все символы, нанесенные на шкале каждого прибора, и провести сравнительный анализ этих приборов с указанием их относительных достоинств и недостатков;

3) определить значения измеряемых напряжений, соответствующих положениям стрелок на шкалах приборов, показанных на рис.3.5.

Изображения шкал двух приборов к задаче 3.4.5.

На рисунке представлены шкалы двух измерительных приборов.

Требуется:

1) определить основные параметры этих приборов и заполнить форму типа табл.3.1.;

2) расшифровать все символы, нанесенные на шкале каждого прибора, и провести сравнительный анализ этих приборов с указанием их относительных достоинств и недостатков;

3) рассчитать погрешность измерения гд напряжения, равного 80 В, обоими приборами;

4) определить значения измеряемых напряжений, соответствующих положениям стрелок на шкалах приборов, показанных на рисунке.

4. Мультиметры

Краткие теоретические сведения

Мультиметр также называют комбинированным прибором, тестером или ампервольтомметром.

В настоящее время широко распространены аналоговые и цифровые мультиметры.

Аналоговый мультиметр включает в себя индикатор магнитоэлектрической системы, набор шунтов и добавочных резисторов. Для измерения переменных токов и напряжений в прибор также входит преобразователь переменного тока в постоянный, называемый выпрямителем, который выполнен по схеме двухполупериодного выпрямления. Для измерения активного сопротивления в аналоговом мультиметре предусмотрен химический источник питания, а для измерения больших значений сопротивлений подключают внешний источник напряжения в несколько десятков вольт.

К достоинствам мультиметров можно отнести:

- многофункциональность, т.е. возможность их исполнения для измерения большого числа параметров (тока, напряжения, активного сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, параметров маломощных транзисторов - h21э, Iк, б0 и т.д.);

- многопредельность, а следовательно, широкий диапазон измерения параметров;

- малые габаритные размеры, масса и цена;

- универсальность, т.е. возможность измерения переменных и постоянных токов и напряжений.

Недостатками мультиметров являются:

- узкий частотный диапазон;

- большие приведенная и действительная погрешности измерения (причем и у цифровых мультиметров);

- непостоянство входного сопротивления в различных пределах измерения;

- большая потребляемая мощность из исследуемой цепи.

Цифровые мультиметры имеют расширенный диапазон измеряемых параметров, при их использовании нет необходимости определять цену деления и коэффициент шкалы, следовательно, исключается субъективная ошибка оператора, однако стоимость их выше, чем аналоговых.

На задней панели аналоговых мультиметров приводятся сведения, позволяющие определить входное сопротивление прибора в используемом пределе измерения.

Если тестер используется как вольтметр, то его входное сопротивление определяется по формуле

rv = Uном / I, (4.1)

где U ном - выбранный предел измерения; I - значение тока, указанное на задней панели выбора.

Если тестер используется как амперметр, то его выходное сопротивление рассчитывается по формуле

rA = U / Iном, (4.2)

где I ном - выбранный предел измерения, U - значение напряжение, указанное на задней панели прибора.

В паспортах некоторых тестеров приводятся удельные сопротивления Rуд постоянному и переменному токам. В этом случае входное сопротивление тестера

rv = Rуд Uном . (4.3)

Малое внутреннее сопротивление тестера, используемого в качестве вольтметра, оказывает шунтирующее действие на исследуемую цепь, при этом кроме основной погрешности измерения появляется погрешность шунтирования. Следовательно, чем внутреннее сопротивление тестера, используемого для измерения напряжение, больше, тем лучше.

Примеры решения задач

Пример 4.2.1. На рисунке 4.1.изображена лицевая панель мультиметра Ц4353. Требуется определить перечень измеряемых данным прибором параметров.

Решение. Рассмотрим изображение лицевой панели, начав с надписей под клеммами (зажимами) прибора. Зажим, обозначенный <<*>>, является общим, т.е. он используется при измерении любого параметра.

Клемма, обозначенная буквами <<pF>>, предназначена для измерения емкости конденсаторов, следовательно, при измерении емкости конденсаторов используются клеммы <<*>> и <<pF>>.

Справа от клеммы <<pF>> расположена клемма, обозначенная <<V, A, +, -k>>, т.е. мультиметром можно измерять напряжение, ток и сопротивление резисторов. Причем надпись <<+>> означает, что для измерения сопротивления в омах следует использовать прямую шкалу, а в килоомах - обратную. Для измерения переменного тока предназначена верхняя шкала мультиметра, обозначенная знаком <<~>>, а для измерения постоянного тока - шкала <<-V, A >>.

Следовательно, окончательно можно утверждать следующее: мультиметром можно измерять напряжение постоянного и переменного токов, постоянный и переменный токи, сопротивление резисторов и емкость конденсаторов.

Рис. 4.1. Изображение лицевой панели мультиметра Ц4353 и данные с задней панели прибора, необходимые для определения его входного сопротивления

Пример 4.2.2. Требуется определить следующие паспортные характеристики мультиметра Ц4353: диапазоны измерения напряжения постоянного и переменного токов, диапазоны измерения постоянного и переменного токов, диапазон измерения сопротивления резисторов и диапазон измерения емкости конденсаторов.

Решение.

1. Диапазон измерения напряжения постоянного тока находим по шкале, изображенной на рис. 4.2., а.

По переключателю пределов измерения определим номинальные напряжения U ном min = 75 мВ и U ном max= 600 В.

Расчет минимального напряжения выполняется с учетом градуировки и коэффициента шкалы.

Так как U ном min не совпадает (не равно) с максимальным значением градуировки, то коэффициент шкалы Kш = 75/30 = 2,5.

Первое официальное деление на рассматриваемой шкале - 5. Умножив это значение на коэффициент шкалы, получим U ном min = 5 *2,5 =12,5 мВ.

Следовательно, граничные значения диапазона измеряемых мультиметром напряжений постоянного тока U min = 12,5 мВ, U max = 600 В.

2. Диапазон измерения напряжения переменного тока находим по шкале, изображенной на рис. 4.2., б:

U ном min = 1, 5 В; U ном max = 600 В;

Kш = 1, 5/30 = 0, 05; U min = 5 *0, 05 = 0, 25 В.

Следовательно, граничные значения диапазона измеряемых мультиметром напряжений переменного тока U min = 0, 25 В, U max = 600 В.

3. Диапазон измерения постоянного тока находим по шкале, изображенной на рис. 4.2, в:

Iном min = 60 мкА; Iном max = 1 500 мА;

Kш = 60/30 = 2; I min = 5* 2 = 10 мкА.

Размещено на http://www.allbest.ru/

9

Рис. 4.2. Изображение (а…г) шкал мультиметра к примеру 4.2.2.

Следовательно,

Iном min = 10 мкА; Iном max = 1 500 мА.

Диапазон измерения переменного тока находим по шкале, изображенной на рис. 4.2, г:

Iном min = 0, 6 мкА; Iном max = 1 500 мА;

Kш = 0, 06/30 = 0, 02; Iном max = 5 * 0, 02 = 0, 1мА.

Следовательно, Imin = 0, 1 мА; I max = 1 500 мкА.

5. Специфика нахождения диапазона измерения сопротивления резисторов заключается в том, что коэффициент шкалы при этом определять не требуется. Для определения Rmin на шкале минимального предела измерения сопротивления <<>> (см. рис. 4.1) найдем первое оцифрованное деление - 10. Для нахождения Rmax максимальную цифру 500 на шкале <<k>> умножим на максимальную цифру множителя по килоомам - 10, т.е. Rmax = 5000 кОм = 5 МОм.

Следовательно, Rmin = 10 Ом,

Rmax = 5 МОм.

Пример 4.2.3. Требуется определить цену деления и чувствительность по напряжению постоянного тока в пределе 1, 5 В (рис. 4.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

9

Рис. 4.3. Фрагмент шкалы мультиметра к примеру 4.2.3

Решение. Коэффициент шкалы Kш = ---- = 0, 05, тогда

30

(30-25) B

C1, 5 B = ------------- ? 0, 05 = 0, 05 B/ дел.

5 дел

1 дел.

S1, 5 B = -------- = 20 дел. / B.

0, 05 B

Пример 4.2.4. Требуется определить погрешность измерения мультиметром Ц4353 напряжения постоянного тока, равного 20 В.

Решение. Погрешность измерения вычислим по формуле (2.5).

На изображении лицевой панели мультиметра Ц4353 (см. рис. 4.1) находим его класс точности: gпр = 1,5 %. Выбираем предел измерения напряжения Uном = 30 В.

Тогда gд = 1,5 % •30 В/20 В =2,25%.

Пример 4.2.5. Требуется определить измеряемый параметр прибором при следующих известных данных:

Положение переключателя пределов 150 V

Нажатая кнопка <<~>>

Положение стрелки 22



Рис.4.4. Фрагмент шкалы мультиметра Ц4353 к примеру 4.2.5

Решение. Используя изображение фрагмента шкалы мультиметра, приведенного на рис. 4.4, рассчитываем коэффициент шкалы:

Kш = 150/30 = 5.

Результат измерения получим, умножив показание стрелки прибора на коэффициент шкалы:

U=22 B * 5= 110 B.

5. Цифровые измерительные приборы

Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на преобразовании измеряемого непрерывного сигнала в электрический код, отображений в цифровой форме.

В общем случае цифровой прибор содержит входное устройство, аналого-цифровой преобразователь и цифровое отсчетное устройство.

Входное устройство предназначено для обеспечения большого входного сопротивления, измерения пределов измерения и определения полярности входного сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода, пропорционального измеряемой величине. Результат измерения регистрируется на табло цифрового отсчетного устройства.

Достоинствами цифровых приборов являются: малые погрешности измерения (0,1 ч 0, 001 %) в широком диапазоне измеряемых сигналов; высокое быстродействие (до 500 измерений /с); выдача результатов измерений в цифровом виде; возможность документальной регистрации измерительной информации с помощью цифропечатающих устройств и ввода ее в ЭВМ для последующей обработки.

К недостаткам следует отнести: сложность схем и конструкции, высокую стоимость, меньшую (по сравнению с аналоговыми приборами) надежность. Эти недостатки можно считать временными, поскольку в настоящее время они быстро устраняются в связи с развитием микроэлектронной элементной базы.

Вопросы для самопроверки

1.В каких измерительных механизмах угол отклонения подвижной части прямо пропорционален измеряемому току?

2. Какую мощность приемников измеряют с помощью ваттметров на основе электродинамического или ферродинамического измерительного механизма?

3. Для чего предназначена клемма мультиметра, обозначенная буквами <<pF>>?

4..Для чего предназначены клеммы мультиметра, обозначенные буквами <<V, A, +, -k>>?

5.Какую шкалу мультиметра следует использовать для измерения сопротивления в омах, а какую - в килоомах?

6. На базе каких механизмов используют измерительные приборы в качестве однофазных и трехфазных счетчиков энергии переменного тока?

7. Благодаря каким эксплуатационным качествам щитовые электромагнитные амперметры и вольтметры переменного тока широко применяются на практике?

8. Перечислите недостатки механизмов электромагнитной системы.

9. Как регистрируется результат измерения у цифровых измерительных приборов?

Задание № 1

для внеаудиторной работы

А. Прочтите главу пособия 1. Основные понятия измерений.

Составьте краткий конспект: Классификация электроизмерительных приборов.

Б. Вставьте пропущенные слова:

1. Чувствительность прибора -- отношение приращения перемещения указателя прибора к приращению … величины.

2. Величина, обратная чувствительности называется … … прибора. Она равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно …шкалы.

В. Прочтите главу 3 «Электромеханические приборы» пункты 3.1 и 3.2. пособия .

Задание № 1

для аудиторной работы

А. Прочтите главу 2 пособия Погрешности измерений.

Б. Проанализируйте примеры 2.1-2.3 и объясните причины требований, по которым выбираются названные измерительные приборы.

В. Прочтите пункт 3.3. главы 3«Электромеханические приборы». пособия .

Г. Разработайте кластер «Виды измерительных механизмов».

Задание № 2

для внеаудиторной работы

А.Составьте краткий конспект главы 3 пособия «Электромеханические приборы»: Виды измерительных механизмов.

Б.Разработайте кластер «Электромеханические приборы».

В. Вставьте пропущенные слова:

1. Магнитоэлектрический прибор имеет … шкалу.

2. Из-за большой чувствительности магнитоэлектрический механизм отличается … собственным потреблением энергии.

3.С помощью ваттметров на основе электродинамического или ферродинамического измерительного механизма измеряют … мощность приемников.

4.Измерительные приборы на базе индукционных механизмов используют в качестве однофазных и трехфазных … энергии переменного тока.

5.Приборы электродинамической системы из-за сложности изготовления ….

6.Приборы электромагнитной системы по конструкции просты, дешевы, весьма устойчивы благодаря этим эксплуатационным качествам щитовые электромагнитные и переменного тока широко применяются на практике.

7.Недостатком механизмов электромагнитной системы является зависимость показаний от внешних … и некоторая … шкалы, особенно в ее начальной части.

8. Магнитоэлектрические механизмы весьма …, так как их основное магнитное поле возбуждается магнитом, а не измеряемым током.

9. По этой причине для высокочувствительных нулевых приборов (гальванометров) обычно применяют …измерительные механизмы.

Задание № 2

для аудиторной работы

А. Составьте краткий конспект главы 3 пособия . «Измерение электрических величин.»

Б.Разработайте кластеры «Измерение электрических величин в пожарном деле»,

или «Электроизмерительные приборы, применяемые в пожарном деле».

В. Сопоставьте схемы, представленные на рисунках

3. 10, 3.13 и найдите различия. Объясните причины этих различий.

Задание № 3

для внеаудиторной работы

А. Составьте краткий конспект: «Мультиметры»

Б. Подготовьтесь к проведению ЛПР

Рассмотрите изображение лицевой панели мультиметра Ц4353 и данные с задней панели прибора и ответьте письменно на вопросы.

А. Для чего используется зажим, обозначенный <<*>>?

Б.Для чего предназначена клемма, обозначенная буквами <<pF>>?

В.Для чего предназначены клеммы, обозначенные буквами <<V, A, +, -k>>?

Г.Какую шкалу следует использовать для измерения сопротивления в омах, а какую - в килоомах ?

Д.Определите следующие паспортные характеристики мультиметра Ц4353:

диапазоны измерения напряжения постоянного и переменного токов,

диапазоны измерения постоянного и переменного токов,

диапазон измерения сопротивления резисторов,

диапазон измерения емкости конденсаторов.

Приложение

Литература

1.Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники, - М.: Мастерство, 2001.

2.Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений /Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов. -М.: Высш. шк., 2002.

3.Хрусталева З.А., Парфенов С.В. Электрические и электронные измерения в задачах, вопросах, упражнениях. Москва, Издательский центр «Академия», 2009.

4.Чекалин Н.А. Руководство по проведению лабораторных работ по общей электротехнике. - М., 1983.

Учебно-методическое пособие по дисциплине: «Электротехника и электроника».

Составила: преподаватель У. В. Михина.

Воронежский государственный промышленно-экономический колледж, г. Воронеж:, Московский проспект, 22.

Размещено на Allbest.ru