 |
Результаты расчётов и исходные данные
|
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее пособие вошли двенадцать лабораторных работ по курсу «Метрология, стандартизация и сертификация» по разделу «Электрические измерения», составленные в соответствии с программой курса.
Пособие содержит материал по лабораторным работам, облегчающий подготовку, выполнение и оформление работ студентами. Описание лабораторных работ включают краткие теоретические сведения, основные формулы, необходимые схемные решения лабораторных установок и план отчетности по результатам выполненных работ. Приводимые теоретические сведения не могут заменить учебников и учебных пособий по соответствующим разделам курса. Поэтому перед выполнением и защитой каждой работы студенту необходимо изучить соответствующий раздел по учебнику.
При подготовке пособия учтены требования нормативных документов и стандартов по оформлению текстовых документов и графических работ.
Требования к отчету. Отчет по лабораторной работе должен выполняться в соответствии с требованиями на листе бумаги формата А4 чернилами (пастой) черного или синего цвета.
Отчет должен иметь титульный лист и включать следующие разделы:
1. Цель работы.
2. Метрологическая таблица приборов.
3. Рабочие схемы экспериментов.
4. Таблицы результатов измерений и расчетов.
5. Графики зависимостей в соответствии с заданием к работе.
6. Выводы по работе.
Все схемы, таблицы и графики необходимо вычерчивать на бумаге формата А4 или на миллиметровой бумаге того же формата. Допускается выполнять схемы и графики на миллиметровой бумаге другого формата, но при этом они должны быть вклеены в соответствующее место отчета. При построении рабочих схем эксперимента необходимо соблюдать правила оформления электрических схем. Для построения графиков необходимо по осям использовать масштабы кратные (1, 2, 5)·10n, где n – целое число (положительное или отрицательное). На осях графиков указываются величины и их единицы. Все графики должны иметь наименование, пояснительный текст. Отдельные листы должны быть сшиты или склеены по левой стороне.
|
|
|
Рекомендации по сборке и включению схем. Сборка рабочей схемы и проведение измерений должны быть произведены с выполнением всех правил техники безопасности. Проведение сборки схемы должно быть осуществлено на рабочем столе или стенде исправными проводами с максимальной доступностью для проведения проверки схемы и снятия показаний приборов. Подключение к источнику питания должно быть осуществлено в последнюю очередь. Включение питания можно осуществлять только после проверки правильности сборки схемы преподавателем или лаборантом.
По окончании работы и проверки результатов измерений произвести выключение источника питания и разборку рабочей схемы.
Лабораторная работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРЯМЫХ
И КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Основные сведения
Погрешности прямых измерений Погрешность измерений – это отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. По способу выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерения.
Абсолютная погрешность 
равна разности между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины, выраженная в единицах измеряемой величины
. (1.1)
Относительная погрешность d представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к измеренному значению измеряемой величины, выраженное в процентах
. (1.2)
Приведенная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению прибора
. (1.3)
|
|
|
Согласно ГОСТ 8.401-80 средствам измерений присваивают определённые классы точности. Классы точности выражаются одним числом, выражаемым из ряда 1·10n; 1,5·10n; 2·10n; 2,5·10n; 4·10n; 5·10n; 6·10n, где n = 1; 0; -1; -2 и т. д.
Классом точности средств измерения называется обобщенная его характеристика, определяемая пределами допускаемых основной погрешности и погрешностей, названных изменением значений влияющих величин.
Большинству аналоговых электроизмерительных приборов присваивается класс точности, определяемый основной наибольшей допустимой приведенной погрешностью
, (1.4)
где 
– предел допустимой максимальной абсолютной погрешности измерения.
У приборов, класс точности которых выражается одним числом, основная приведенная погрешность прибора в рабочем диапазоне рабочей шкалы, выраженная в процентах, не должна превышать значения, соответствующего класса точности.
Косвенные измерения. Это измерения, при которых искомое значение величины 
находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами 
, 
,… 
, определяемыми прямыми измерениями, т. е. 
Очевидно, что абсолютная погрешность измеряемой величины 
является функцией абсолютных погрешностей прямых измерений
.
В простейшем случае для одной переменной 
в результате измерения получим
.
Разложим правую часть в ряд Тейлора и сохраним члены разложения, содержащие 
в первой степени:
,
отсюда абсолютная погрешность 
имеет вид:
.
Относительная погрешность 
определяется выражением
В общем случае для функции 
абсолютную погрешность результата косвенных изменений определяют выражением
относительную
.
Пример. Записать формулу для расчета абсолютной погрешности косвенного измерения мощности постоянного тока по показаниям амперметра I и вольтметра U
Задание
1. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 1.1.
2. Снять показания приборов при двух значениях нагрузки, указанных преподавателем.
3. По результатам измерений вычислить относительную погрешность 
по формуле (1.2), приняв абсолютную погрешность максимальной из формулы (1.4).
Рис. 1.1. Схема косвенного измерения параметров электрической цепи
4. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1.1.
|
|
|
5. Рассчитать полное Z, активное R и реактивное XC сопротивления, коэффициент мощности cos j, полную S и реактивную Q мощности по показаниям амперметра, вольтметра и ваттметра.
6. Записать расчётные формулы и результаты расчётов абсолютной ∆A и относительной δ погрешностей, воспользовавшись результатами расчётов табл. 1.1. Результаты вычислений занести в табл. 1.2.
Таблица 1.1
Результаты расчётов и исходные данные
| Наименование прибора | Класс точности прибора, % | Предел измерения прибора, А, В, Вт | Показание прибора, А, В, Вт |  ,
А, В, Вт
|  ,
%
|
| Амперметр Вольтметр Ваттметр Фазометр |
Таблица 1.2
Результаты расчетов
| Параметры электрической цепи | Погрешности косвенных измерений | |||||
| Наименование | Расчетная формула | Результаты расчётов | Расчётные формулы | Результаты расчетов | ||
| DA | δ, % | DA | δ, % | |||
S
Q
|
Контрольные вопросы
1. Какие виды погрешностей измерения вы знаете:
– по способу числового выражения;
– в зависимости от источника возникновения;
– по закономерности проявления?
2. Как устанавливаются классы точностей для различных типов средств измерений?
3. Определить класс точности миллиамперметра с пределом измерения 0,5 мА для измерения тока 0,1... 0,5 мА так, чтобы относительная погрешность измерения тока не превышала 1 %.
Лабораторная работа № 2
РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Основные сведения
1. В цепях постоянного тока для расширения пределов измерения применяют добавочные резисторы и шунты совместно с прибором магнитоэлектрической системы.
Добавочные резисторы, включенные последовательно с измерительным механизмом, образуют делитель напряжения. Они изготавливаются из манганиновой проволоки.
Добавочные резисторы бывают щитовыми и переносными, калиброванными и ограничено взаимозаменяемыми, т. е. такими, которые предназначены для приборов определенного типа, имеющих одинаковые электрические параметры. Добавочные резисторы применяются для напряжений до 30 кВ постоянного и переменного тока частот от 10 Гц до 20 кГц.
|
|
|
По точности добавочные резисторы разделяются на классы 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0.
Для измерения напряжения применяется схема, изображённая на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Магнитоэлектрический прибор с добавочным сопротивлением
Ток полного отклонения рамки прибора
где 
– сопротивление измерительного механизма; 
– добавочное сопротивление из манганина; 
– измеряемое напряжение, отсюда
где 
– коэффициент расширения предела измерения прибора по напряжению.
2. Приборы магнитоэлектрической системы прямого включения в цепь измеряют малые токи (микро- и миллиамперметры с пределами измерения до 50 мА).
Для измерения больших значений токов применяют шунты – специальные резисторы 
, включённые в цепь измеряемого тока параллельно с измерительным прибором (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Магнитоэлектрический прибор с шунтом
Шунты изготовляются из манганина. На небольшие токи (до 30 А) шунты обычно размещаются в корпусе прибора (внутренние шунты); на большие токи (до 7500 А) применяются наружные шунты. Наружные шунты имеют две пары зажимов: токовые и потенциальные. Токовые зажимы служат для включения шунта в цепь с измеряемыми параметрами; к потенциальным зажимам, сопротивление между которыми равно 
, подключают измерительный механизм прибора.
Наружные (взаимозаменяемые) шунты разделяются на классы точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5.
Условием параллельной работы шунта и измерительного прибора является равенство напряжений 
Эти напряжения, согласно государственного стандарта, имеют значения 30, 45, 60, 75 мВ.
Измеряемый ток в цепи определяется по первому закону Кирхгофа
отсюда 
или 
.
Таким образом, сопротивление шунта можно определить по формуле
где 
– коэффициент шунтирования.
3. В цепях переменного тока низкого напряжения расширение пределов по напряжению осуществляется с помощью добавочных сопротивлений, а по току – секционированием катушек приборов и применением измерительных трансформаторов тока.
В установках высокого напряжения включение измерительных приборов осуществляется через измерительные трансформаторы тока и напряжения (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Схема включения приборов с измерительными трансформаторами
Измерительные трансформаторы подразделяются на лабораторные и стационарные. Они выпускаются на область номинальных частот от 25 Гц до 10 кГц.
Лабораторные измерительные трансформаторы тока производятся на различные номинальные значения первичного тока, лежащие в пределах от 0,1 А до 30 кА, и номинальные значения вторичного тока 5 А. Для них установлены классы точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 и 0,2. Стационарные измерительные трансформаторы тока изготавливаются на номинальные первичные токи от 1 А до 40 кА и номинальные вторичные токи – 1; 2; 2,5; 5 А. Для них установлены классы точности 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 10,0.
|
|
|
Стационарные измерительные трансформаторы напряжения делятся на классы точности 0,5; 1,0 и 3,0, а лабораторные – на классы 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Стационарные трансформаторы напряжения изготовляются на номинальные напряжения от 127 В до 35 кВ при вторичном напряжении 150, 100 и 
В.
Значения электрических величин с первичной стороны определяются как
где 
и 
– номинальные коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения.
Погрешности, вносимые в измерение трансформаторами, определяются как
.
Задание
1. Произвести увеличение предела измерения магнитоэлектрического прибора в «m» раз по напряжению (по заданию преподавателя). Рассчитать значение добавочного резистора Rд. Собрать схему, изображённую на рис. 2.1. Определить погрешность, вносимую добавочным резистором
где 
– показание вольтметра; 
– показание прибора с добавочным резистором Rд. Результаты расчётов и наблюдений записать в табл. 2.1.
Таблица 2.1
|
|
|
