 |
Тема 5.1. Электрические измерения и приборы
|
|
|
|
5. 1. 1. Электроизмерительные приборы и методы измерений
Электрические измерения связаны с определением значений таких элек- трических величин, как напряжение, сопротивление, сила тока и мощность, с помощью технических средств - измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и диапазона значений измеряемой величины, а также от требуемой точности измерений. Для выраже- ния результатов электрических измерений используются единицы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарад (Ф), генри (Гн), ампер (А), секунда (с) и др.
Измерительный прибор представляет собой средство измерений, в котором вырабатывается сигнал, воспринимаемый наблюдателем. Измерения и приборы подразделяются на образцовые и рабочие. Образцовые измерения и приборы служат для поверки по ним рабочих средств измерений. Рабочие приборы при- меняются для практических измерений.
Электроизмерительные приборы чаще всего определяют мгновенные зна- чения электрических величин либо неэлектрических, преобразованных в элек- трические. Все приборы подразделяются на аналоговые и цифровые. В первых значение измеряемой величины обычно показывает стрелка, перемещающаяся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, на котором из- меренное значение величины представлено в виде числа.
В большинстве случаев предпочтительны цифровые приборы, так как они обеспечивают более высокую точность измерений и более удобны при снятии показаний. Они постепенно вытесняют аналоговые приборы, которые еще на- ходят применение благодаря их низкой стоимости в тех случаях, когда не нуж- на высокая точность измерений.
Для регистрации изменения измеряемой величины во времени предназна- чены ленточные самописцы и электронные осциллографы, как аналоговые, так и цифровые.
|
|
|
Во всех цифровых измерительных приборах (кроме наиболее простых) ис- пользуются усилители и другие электронные блоки для преобразования вход- ного сигнала в сигнал напряжения, который затем представляется в цифровой форме с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Число, выра- жающее измеренное значение величины, выводится на светодиодный, ваку- умный люминесцентный или жидкокристаллический индикатор (дисплей).
Прибором обычно управляет встроенный микропроцессор, причем в простых приборах он объединен с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые прибо- ры могут быть подключены к внешнему компьютеру. При некоторых видах из- мерений такой компьютер меняет измерительные функции прибора и обеспечи- вает обработку получаемых данных.
Методы и средства электрических измерений в цепях постоянного и пере- менного тока существенно различаются. В цепях переменного тока они зависят от частоты и характера изменения величин, а также от того, какие значения пе- ременных электрических величин (мгновенные, действующие, максимальные, средние) измеряются.
Для электрических измерений в цепях постоянного тока наиболее широко применяют измерительные магнитоэлектрические приборы и цифровые изме- рительные устройства, для измерений в цепях переменного тока - электромаг- нитные, электродинамические, индукционные, электростатические и выпрями- тельные электроизмерительные приборы. Некоторые из перечисленных типов приборов служат для электрических измерений в цепях как переменного, так и постоянного тока.
5. 1. 2. Погрешность измерений
Все электроизмерительные приборы подразделяются по обеспечиваемой ими точности измерений на следующие классы: 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5 и 4, 0. Классы точности устанавливают границы приведенной погрешности при- бора, %, которая определяется по формуле
|
|
|
где А - показание поверяемого прибора; АО - показание образцового при- бора; Атах - максимальное значение измеряемой величины (предел измерений).
Диапазоны измеряемых значений электрических величин имеют тенден- цию к расширению, поскольку измерения на высоких и сверхвысоких частотах, малых токов, больших сопротивлений, высоких напряжений и электрических характеристик мощных энергетических установок выделились в отдельные об- ласти, в которых разрабатываются специфические методы и средства электри- ческих измерений. Расширение диапазонов измерений электрических величин связано также с совершенствованием электрических измерительных преобразо- вателей, в частности с развитием техники усиления и ослабления электриче- ских токов и напряжений. К специфическим проблемам электрических измере- ний сверхмалых и сверхбольших значений электрических величин относятся устранение искажений, которые сопутствуют процессам усиления и ослабления электрических сигналов, и разработка методов выделения полезного сигнала на фоне помех.
Допустимые значения погрешностей электрических измерений заключены в пределах от 10-4 % до нескольких процентов. Для сравнительно грубых изме- рений применяют измерительные приборы прямого действия. Более точные ре- зультаты обеспечивают методы измерений, реализуемые с помощью мостовых и компенсационных электрических схем.
5. 1. 3. Условные обозначения электроизмерительных приборов
Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам: по роду измеряемой величины; роду тока; принципу действия.
В соответствии с родом измеряемой величины электроизмерительные при- боры разбиты на несколько групп: напряжение измеряют вольтметрами и галь- ванометрами; силу тока - амперметрами и гальванометрами; мощность - ватт- метрами; энергию - электрическими счетчиками; угол сдвига фаз - фазометра- ми; частоту тока - частотомерами; сопротивление - омметрами и т. д.
В зависимости от рода тока в цепи различают измерительные приборы по- стоянного, переменного однофазного и переменного трехфазного тока.
|
|
|
Классификация электроизмерительных приборов.
В соответствии с принципом действия электроизмерительных приборов различают несколько их систем: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, индукционную и др. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Обозначение системы прибора также обычно приводится на его шкале.
5. 1. 4. Измерения основных электрических величин
При измерениях силы тока используют четыре схемы включения ампер- метра в цепь. Первые две предназначены для измерения постоянного тока, а две вторые - переменного.
При измерениях напряжения включение вольтметра в цепь также может быть выполнено четырьмя способами.
Для измерения мощности постоянного тока достаточно определить напря- жение и силу тока. Результат рассчитывают по формуле.
Метод измерения с использованием амперметра и вольтметра пригоден и для определения полной мощности, а также активной мощности переменного тока, если сдвиг фазы между током и напряжением равен нулю. Однако мощ- ность обычно измеряют одним прибором - ваттметром электро- или ферроди- намической системы.
Ваттметр снабжен измерительными элементами в виде двух катушек - по- следовательной (неподвижной) и параллельной (подвижной). Угол поворота подвижной части электродинамического ваттметра пропорционален произведе- нию тока и напряжения в измерительных катушках.
Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть опре- делено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом слу- чае
Можно, однако, использовать и омметр - прибор непосредственного отсче- та. Существуют последовательная и параллельная схемы включения омметра в цепь.
5. 1. 5. Электрические измерения неэлектрических величин
Широкое распространение измерений неэлектрических величин (темпера- тура, угловые и линейные размеры, механические усилия и напряжения, де- формации, вибрация, химический состав и т. д. ) электрическими методами обу- словлено рядом их преимуществ перед другими методами. При этом существу-
|
|
|
ет возможность дистанционного (например, с пульта управления) измерения и контроля неэлектрических величин, измерения быстроменяющихся величин и автоматизации управления производственным процессом.
Приборы для проведения подобных измерений обычно состоят из измери- тельного преобразователя (датчика) и измерительного устройства. Датчик пре- образует неэлектрическую величину в один из параметров электрической цепи (U, I, R и т. д. ). Измерительное устройство - электрический прибор одной из систем, рассмотренных выше. Приведем краткое описание измерительных пре- образователей нескольких типов.
Реостатные преобразователи имеют чувствительный элемент (щуп, мем- брана и др. ), который перемещает под воздействием измеряемой неэлектриче- ской величины подвижный контакт реостата, меняя его выходное сопротивле- ние. Они используются для измерений (с относительно невысокой точностью) линейных и угловых перемещений, усилий, давлений и других величин, кото- рые могут быть преобразованы в линейные или угловые перемещения.
Действие тензочувствительных преобразователей (тензосопротивлений) основано на зависимости электрического сопротивления материала проводника от механического напряжения. Их выполняют в виде тонкой петлеобразно уло- женной проволоки, приклеиваемой на объект измерения или чувствительный элемент преобразователя. При деформации подложки изменяются механи- ческое напряжение проволоки и ее электрическое сопротивление. Датчики это- го типа применяются при измерениях деформаций, механических напряжений, усилий, массы, давлений, моментов сил и других величин.
В термочувствительных преобразователях (терморезисторы, тер- мосопротивления) изменяется сопротивление проводника (или полупроводни- ка) в зависимости от температуры. Они используются для измерения темпера- туры, скорости потоков, плотности, состава, теплопроводности газообразных и жидких веществ.
В индуктивных преобразователях меняется индуктивность катушки при изменении положения отдельных элементов магнитопровода. Эти преобразова- тели применяются для измерения перемещений, давлений, усилий, моментов, расхода и других величин, преобразуемых в перемещение.
Емкостные преобразователи основаны на зависимости емкости конденса- тора от размеров и взаимного расположения его обкладок, а также от диэлек- трической проницаемости среды между ними и могут быть использованы в ка- честве датчиков перемещения, уровня жидкостей, влажности, химического со- става воздуха и других величин.
В полупроводниковых фотоэлектрических преобразователях под действи- ем света возникает ЭДС, зависящая от их температуры. Они реагируют на пе- ремещения, изменение освещенности и температуры.
|
|
|
Контрольные вопросы
1. В чем основное различие аналоговых и цифровых приборов?
2. Как классифицируют электроизмерительные приборы?
3. Средства измерения электрических величин в цепях переменного тока.
4. Назовите существующие классы точности приборов.
5. Как измерить мощность, потребляемую в цепи постоянного тока?
6. Схемах включения ваттметра в однофазную и трехфазную сети.
7. Приборы используемые для измерения электрического сопротивления?
8. Перечислите типы преобразователей, применяемых в приборах для из- мерения неэлектрических величин.
ЗАНЯТИЕ 34
Тема 5. 2. Электропривод машин и оборудования
|
|
|
