Время работы измерительного прибора как определить

Автор

Yuri Nickolayev · Опубликовано 11 минут назад

Коллеги, добрый вечер.

У меня тут беда случилась. Выручайте)

Напомню — вот тут я писал про свои проблемы. Но это были не проблемы, а фигня. Проблемы сейчас.

Сразу скажу — я ничего на плате УМ не трогал. Решил пока посмотреть as is. Подключил к свежеотремонтированному БП — лампа, ЛАТР, линии +70 и -70в через резисторы 100 ом. УМ завелся, пошла несущая, вполне хорошая. Частота 350кГц, размах 1.2в (от -0.6 до +0.6в). Все было хорошо. Нагрев мосфетов без сигнала вполне умеренный, нагрев ирки тоже нормальный, 50-55С.

Но потом я решил попробовать без лампы, оставив только резисторы. Это было роковое решение. УМ не завелся, при этом в БП что-то щелкнуло и чуток завоняло. Ощутимо нагрелся нижний 100омный резистор (линия -70в). Трансформатор БП тоже слегка разогрелся. Уточню — все это длилось буквально несколько секунд. Сразу все выключил, включил через лампу — паразитный ток, небольшой, около 100mA. Отключил УМ, смотрю БП — нет напряжения +15v_SW (питаниe Vcc irs2092), и изрядно греется LM7815, которая это напряжение формирует. Вскрытие БП показало, что пробило керамику, шунтирующую питание +15_SW в блоке питания, накоротко. Заменил керамику — БП пришел в норму. И я грешным делом подумал, что это просто случайность, ну, пробило конденсатор, бывает. Однако…

Опять все собрал — нет несущей. Входные напряжения все в норме. На ирке — Vaa = +7в, Vss = -7в, CSD = +7в. Почему не 5, а 7 — полагаю, потому что запитка идет от напряжений +-15в через токоограничительные резисторы R38/R39.  Генерации на затворах нет. Мосфеты не пробиты. Ирка холодная, ключи холодные, что опять же подтверждает, что генерации нет.

Теперь я 99% уверен, что пробой керамики в БП — это не случайность, а дело рук УМ. Т.е. на 15-вольтовом выходе БП почему-то образовалось пробойное напряжение, >50в. Сам БП такое напряжение ну никак выдать не мог. Смотрю на схему УМ и думаю, не могло ли это случиться при пробое бутстрапного диода D23… ну не вижу я другого пути, как высокое напряжение может попасть на линию +15V_SW. может такое быть? Никто с таким не сталкивался? И какие причины? На плате установлен диод U1D, по шиту 200в должен выдерживать…

И главное — какие при этом еще могут быть повреждения?)

Спасибо

Ю.

Показатели и характеристики приборов



Основные характеристики средств измерения

Приборы для линейных и угловых измерений характеризуются следующими метрологическими показателями: ценой деления или дискретностью цифрового отсчета, диапазоном измерения по шкале, пределом измерения прибора, измерительным (контактным) усилием и погрешностью.
Для полной характеристики прибора необходимо еще знать интервал деления шкалы, передаточное отношение, предельно допустимую погрешность, повторяемость показаний, гистерезис и др.

Некоторые метрологические показатели и термины определены стандартами. Другие применяются фирмами и на производстве. В обоих случаях следует знать, что они означают.
Одним из основных конструктивных элементов приборов является отсчетное устройство со шкалой или цифровым дисплеем. С помощью шкалы или цифрового дисплея передается информация об измеряемой величине в форме наиболее доступной для пользователя, называемая показания прибора.

Шкала

Шкалой называется совокупность ряда отметок (штрихов) и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих значениям или отклонениям измеряемой величины.

На рисунке 1 показан пример выполнения круговой шкалы. Расстояние между серединами двух соседних отметок (штрихов) шкалы или между двумя штрихами называется интервалом деления (или ценой деления). Цена деления выражается единицей измерения, указанной на шкале.

Для большинства приборов интервал деления шкалы — постоянная величина на всей длине шкалы. Такие шкалы называются равномерными.
Неравномерные шкалы в приборах для линейных измерений в настоящее время не применяются.
Интервал деления шкалы выбирают от 0,9 до 2,5 мм. При таких интервалах делений обеспечивается наилучший результат глазомерной оценки долей деления при расположении стрелки указателя прибора между штрихами шкалы.

Значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы, называется ценой деления (с). Цена деления, как правило, не должна быть меньше погрешности показаний прибора.

По ГОСТ 5365-83 цена деления шкалы прибора должна быть кратной цифрам 1, 2 или 5.
Ширина штрихов шкал выбирается в пределах 0,1…0,2 мм.
Разность ширин штрихов в пределах одной шкалы не должна быть больше 0,05 мм.
Длина коротких штрихов принимается равной 2-2,5 интервала деления, а длинных – 3…3,5 интервала.
Ширина конца стрелки, располагающегося над штрихами шкалы, не должна быть больше ширины штрихов. Конец стрелки должен перекрывать 0,3…0,8 длины коротких штрихов шкалы.

В настоящее время созданы электронные приборы и инструменты с непосредственным цифровым отсчетом результатов измерений. У этих приборов шкала заменена многоразрядным цифровым дисплеем, на котором цифрами отображается результат измерения. В каждом разряде обычно цифры от 0 до 9.
Наименьшая разница в младшем разряде называется дискретностью показаний.
Высота цифр у ручных инструментов и приборов (например, штангенциркуля) составляет 7,5…9 мм. У выносных электронных блоков высота цифр составляет 12…15 мм и более.

Особенность цифрового отсчета по сравнению со штриховыми шкалами состоит в том, что ее дискретность (наименьшее показание) меньше погрешности показаний прибора. Это объясняется десятичным характером цифрового отсчета. Это качество цифрового отсчета повышает точность настройки приборов при калибровке и настройке на нуль при относительных измерениях.

Диапазон измерения

Значение измеряемой величины, соответствующее всей шкале прибора с нормированной погрешностью, называют диапазоном измерения по шкале прибора. Диапазон измерения по шкале не всегда совпадает с пределом измерения прибора.

Пределом измерения прибора называется наибольшая и наименьшая величины, которые могут быть измерены прибором.
Например, микрометр с пределом измерения 50…75 мм имеет диапазон измерения по штриховой шкале 25 мм.
Для индикаторов, измерительных головок и других приборов, предназначенных для относительных измерений на стойках со столиками, пределы измерения высот определяются высотой стойки, а диаметров — вылетом кронштейна, в котором крепится индикатор. В таких случаях обычно указывают отдельно предел измерения диаметров и высот.

Чувствительность прибора

Перемещение измерительного стержня механического прибора передается стрелке через увеличивающий передаточный механизм (рычажный, зубчатый). У индуктивных и инкрементных преобразователей отсутствует механическая передача — перемещение измерительного стержня преобразуется в электрический сигнал. В обоих случаях свойство прибора реагировать на изменения измеряемой величины называется чувствительностью или разрешением прибора.
Чувствительность прибора очень важная характеристика и оценивается наименьшим изменением значения измеряемой величины, способным вызвать малейшее заметное изменение показаний прибора, и называется порогом чувствительности или разрешающей способностью прибора.

Отношение линейного или углового перемещения стрелки (указателя) или изменение цифрового показания прибора к изменению размера, вызвавшему это перемещение, называется передаточным отношением прибора.
Для штриховых шкал передаточное отношение определяется отношением интервала деления a к цене деления c:

і = a/c.

Если стрелка прибора при точных измерениях останавливается между штрихами шкалы, то отсчет производится глазомерной оценкой дробной части деления, пройденного стрелкой.

Точностью отсчета называется точность, достигаемая при отсчете по шкале прибора. Точность отсчета зависит от качества штрихов шкалы, толщины стрелки (указателя), расстояния между шкалой и стрелкой, освещенности шкалы и квалификации контролера.
Наиболее благоприятная для точного отсчета ширина штрихов шкалы равна 0,1 интервала деления.
У цифровых шкал точность отсчета зависит от дискретности шкалы, то есть последнего разряда показаний и не имеет субъективной ошибки отсчета.

***



Параллакс

Параллаксом называется кажущееся смещение указателя относительно штрихов шкалы (рис. 2) при наблюдении в направлении, не перпендикулярном плоскости шкалы. Это явление связано с особенностями строения органов зрения человека и может приводить к значительным погрешностям при считывании показаний с измерительного прибора или инструмента.
Погрешности отсчета, вызываемые параллаксом, особенно ощутимо проявляются у штангенциркулей и часто превосходят величину отсчета по нониусу.
Погрешность параллакса, согласно обозначениям, принятым на рис. 2, будет равна δ = h tg φ.

Для уменьшения погрешности от параллакса расстояние между отсчетным индексом и шкалой должно быть минимальным, а отсчет следует производить при наблюдении перпендикулярно плоскости шкалы.

Воспроизводимость или повторяемость

При многократном измерении одного размера вследствие несовершенства механизма прибора (наличия в нем зазоров, трения, и деформаций) повторные показания прибора могут не совпадать.
Наибольшая разность между показаниями прибора при многократном измерении одной и той же величины в одном направлении при неизменных внешних условиях называется вариацией показаний, воспроизводимостью или повторяемостью.

Воспроизводимость измерений может характеризоваться стандартным отклонением или средней квадратической погрешностью сравниваемых рядов измерений. Воспроизводимость несёт важную информацию для оценки погрешности измерения.
Воспроизводимость свидетельствует о правильности измерения только в том случае, если прибор не имеет систематической ошибки или если систематическая ошибка мала и ей можно пренебречь.

***

Погрешность показаний

Погрешность показаний прибора — это разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины.
На погрешность влияют многие факторы — совершенство конструкции и техническое состояние средства измерения, способ использования прибора, человеческий фактор (острота зрения, дрожание рук, степень мастерства и профессионализма и т. п.), а также такие факторы, как измерительное усилие, температура приборов и температура помещения, в котором производится измерение.

Измерительное усилие

Измерительным (контактным) усилием называется сила, создаваемая механизмом прибора и действующая на измеряемую поверхность в направлении линии измерения.
Измерительное усилие обычно создается пружинами, деформации и усилия которых изменяются в зависимости от перемещения измерительного стержня прибора.

Разность между наибольшим и наименьшим значениями измерительного усилия при однонаправленном изменении значений измеряемой величины называется колебанием (перепадом) измерительного усилия.

Величина измерительного усилия и его перепад оказывают большое влияние на результат измерения, так как вызывают деформации измерительной оснастки, контролируемой поверхности и других элементов, что приводит к возникновению дополнительной поверхности.
По этой причине всегда стремятся к уменьшению измерительного усилия и его перепада, но в ограниченных пределах, поскольку слишком малое измерительное усилие может привести к отрыву наконечника от контролируемой поверхности, т.е. к ненадежности измерения, особенно при динамических измерениях на больших скоростях.

Нормальное значение температуры

Для измерительных инструментов, приборов и деталей машин ГОСТ 9249-59 установлено нормальное значение температуры, равное 20 ˚С. Именно при этой температуре действительны все размеры, меры, метрологические характеристики измерительных приборов, результаты измерении и т.п.

***

Степень защиты измерительных приборов

Все измерительные средства особенно их преобразователи и механизмы защищают от попадания мелких твердых частиц, пыли и воды.
Степень защиты измерительных приборов определена и нормируется российским национальным стандартом ГОСТ 14254-96 и международным стандартом DIN EN 60 529.
Для обозначения степени защиты приборов применяются две цифры: первая цифра определяет защиту от попадания твердых частиц и пыли, вторая — от влаги.
Пример обозначения степени защиты — IP54.
Классификация приборов по степени защиты от твердых частиц и влаги приведена в таблице ниже.

Примечание: точками обозначены недостающие цифры в обозначении степени защиты от другого вредного фактора.

Защита от твердых частиц и пыли
Частицы более 1,0 мм	IP4…
Несильное запыление, осадок пыли	IP5…
Сильное запыление, проникновение пыли	IP6…
Защита от влаги
Распыленная вода, мелкие брызги	IP…3
Большие брызги	IP…4
Напор воды	IP…5
Обильное обливание водой	IP…6
Временное погружение в воду	IP…7

Пример обозначения степени защиты измерительного прибора и ее пояснение:
IP67 означает, что прибор способен сохранять заданную функциональность в следующих условиях: «Проникновение пыли» и «Временное погружение в воду»

***

Концевые меры длины



Метрологические
характеристики

Метрологическими
называют
характеристики свойств средств измерений,
оказывающие влияние на результаты и
погрешности измерений. Знание
метрологических характеристик необходимо
для правильного выбора средств измерений
и оценки точности результатов измерений.

Перечни
метрологических характеристик средств
измерений регламентируются ГОСТ 8.009-72
«Нормируемые метрологические
характеристики средств измерений».
Для средств измерения электрических
величин общего назначения перечень
метрологических характеристик
устанавливает ГОСТ 22261-76.

Основная
метрологическая характеристика средств
измерений — погрешность.

 В
зависимости от изменения во времени
измеряемой величины погрешности средств
измерений разделяют на:

1)
статическую
— погрешность, возникающую при измерении
постоянной во времени величины;

2)
динамическую
— разность между погрешностью измерения
в динамическом режиме (т.е. при изменении
измеряемой величины во времени) и
статической погрешностью измерения
величины, соответствующей значению
измеряемой величины в данный момент
времени.

 В
зависимости от характера изменения
погрешностей средств измерений различают:

1)
систематическую
— погрешность, остающуюся постоянной
или закономерно изменяющуюся;

2)
случайную
— погрешность, изменяющуюся случайным
образом.

 В
зависимости от условий возникновения
погрешности различают:

1)
основную
погрешность
— погрешность средства измерений,
используемого в нормальных условиях;

2)
дополнительную
погрешность
— погрешность средства измерения,
вызванную отклонением одной из влияющих
величин от нормального значения или
выходом за пределы нормального значения.

Пределы
дополнительных погрешностей устанавливают
в виде постоянного значения для всей
рабочей области влияющей величины или
в виде постоянных значений по интервалам
рабочей области влияющей величины;
путем указания отношения предела
допускаемой дополнительной погрешности,
соответствующего регламентированному
интервалу влияющей величины, к этому
интервалу; путем указания зависимости
предела допускаемой дополнительной
погрешности, от влияющей величины
(предельной функции влияния); путем
указания функциональной зависимости
пределов допускаемых отклонений от
номинальной функции влияния.

К метрологическим
характеристикам относятся также:

 Вариация
показаний прибора — это наибольшая
раз­ность показаний прибора при одном
и том же значении измеряемой величины.
Она определяется при плавном подходе
стрелки к испытуемой отметке шкалы при
дви­жении ее один раз от начальной, а
второй раз от конеч­ной отметок шкалы.
Вариация показаний характеризует
степень устойчивости показаний прибора
при
одних и тех же условиях измерения одной
и той же величины.
Она
приближенно равна удвоенной погрешности
от тре­ния, так как причиной вариации
в основном является трение в опорах
подвижной части.

 Динамические
характеристики средств измерений —
характеристики инерционных свойств
средств измерений, определяющие
зависимость выходного сигнала средства
измерения от меняющихся во времени
величин.

 Входное
и выходное сопротивление
средств измерений.

От
входного сопротивления зависит мощность
измерительного прибора, которую он
потребляет от
цепи, в которой работает.

От
выходного полного сопротивления
измерительного прибора зависит допустимая
нагрузка на преобразователь.

Эксплуатационные
характеристики свойств средств измерений

 Чувствительностью
S
электроизмерительного при­бора к
измеряемой величине Х
называется производная от перемещения
указателя (стрелки измерительного
механизма) а
по измеряемой величине Х:

.
(50)
.

Перемещение
указателя а,
которое выражается в де­лениях шкалы
или миллиметрах, для обширной группы
приборов определяется, в первую очередь,
углом откло­нения подвижной части 
измерительного механизма. Кроме того,
оно зависит от типа отсчетного устройства
и его характеристик (стрелочный или
световой указатель, длина шкалы, число
делений шкалы и др.).

Чувствительность
измерительного механизма приборов этой
группы (при любом отсчетном устройстве)
равна:

.
(51) .

Выражением
(51)
определяется чувствительность прибора
в данной точке шкалы. Если чувствительность
постоянна, т. е. не зависит от измеряемой
величины, то ее можно определять как
отношение перемещения указателя (стрелки
измерительного механизма и т.п.) к
измеряемой величине или численно равна
перемещению указателя, соответствующему
еди­нице измеряемой величины^*.

.
(52) .

У
приборов с постоянной чувствительностью
переме­щение указателя пропорционально
измеряемой величи­не, т. е. шкала
прибора равномерна.

Чувствительность
прибора имеет размерность, зави­сящую
от характера измеряемой величины,
поэтому, ког­да пользуются термином
«чувствительность»,
говорят, например, о «чувствительности
прибора к току»,
«чувствительности
прибора к напряжению»
и т.д. Например, чувствитель­ность
вольтметра к напряжению равна 10
дел/В.

Если
чувствительность прибора не постоянна,
т.е. прибор имеет неравномерную шкалу,
то
для такого прибора может нормироваться
допускаемая погрешность для некоторой
области значений измеряемой величины,
называемой диапазоном измерения.

Величина,
обратная чувствительности,
назы­вается постоянной прибора (или
ценой деления). Она равна числу единиц
измеряемой величины, приходящихся на
одно деление шкалы. Например, еслиS,
то
.

 Порогом
чувствительности
— наименьшее
значение входной величины, способное
вызвать заметное изменение показания
прибора.

Понятие
порога чувствительности распространяется
на цифровые приборы и счетчики.

 Потребляемая
мощность
При
включении электроизмерительного прибора
в цепь, находящуюся под напряжением,
прибор потребля­ет от этой цепи
некоторую мощность.
В большинстве случаев эта мощность мала
с точки зрения экономии электроэнергии.
Но при измерении в маломощных цепях в
результате потребления приборами
мощности может измениться режим работы
цепи, что приведет к увеличе­нию
погрешности измерения. Поэтому малое
потребле­ние мощности от цепи, в
которой осуществляется изме­рение,
является достоинством прибора.

Мощность,
потребляемая приборами в зависимости
от принципа действия, назначения прибора
и предела измерения, имеет самые различные
значения и для боль­шинства приборов
лежит в пределах от 10^-12
до 15 Вт.

 Время
установления показаний
После
включения электроизмерительного прибора
в электрическую цепь до момента
установления показаний прибора, когда
можно произвести отсчет, проходит
не­который промежуток времени (время
успокоения). Под временем
установления показаний
следовало бы пони­мать тот промежуток
времени, который проходит с мо­мента
изменения измеряемой величины до
момента, ког­да указатель займет
положение, соответствующее ново­му
значению
измеряемой
величины. Однако если учесть, что всем
приборам присуща некоторая погрешность,
то время, которое занимает перемещение
указателя в пре­делах допустимой
погрешности прибора, не представля­ет
интереса.

Под
временем установления показаний
электроиз­мерительного прибора
понимается промежуток времени, прошедший
с момента подключения или изменения
из­меряемой величины до момента, когда
отклонение ука­зателя от установившегося
значения не превышает 1,5% длины шкалы.
Время установления показаний для
боль­шинства типов показывающих
приборов не превышает 4 сек.

 Надежность
электроизмерительных приборов —
способность их сохранить заданные
характе­ристики при определенных
условиях работы в течение заданного
времени.

Если
значение одной или несколь­ких
характеристик прибора выходит из
заданных пре­дельных значений, то
говорят, что имеет место отказ.
Количественной
мерой надежности является минималь­ная
вероятность безотказной работы прибора
в заданных промежутке времени и условиях
работы (наработка на отказ, которая
регламентируется ГОСТ 22261-76 в виде ряда
значений).

 Вероятностью
безотказной работы
называется веро­ятность того, что в
течение определенного времени Т
не­прерывной работы не произойдет ни
одного отказа. Вре­мя безотказной
работы указано в описаниях приборов.
Часто
пользуются приближенным значением
этого показателя, определяемым отношением
числа приборов, про­должающих после
определенного времени Т
безотказно работать, к общему числу
испытываемых приборов.

Пример:Например, для амперметров и вольтметров
типа Э8027 минимальное значение вероятности
безотказной работы равно 0,96 за 2000 ч.
Следовательно, вероятность того, что
прибор данного типа сохранит заданные
ха­рактеристики после 2000 ч работы,
составляет не менее 0,96, иными словами,
из 100 приборов данного типа пос­ле
работы в течение 2000 ч, как правило, не
более че­тырех приборов будут нуждаться
в ремонте.

 Среднее
время безотказной работы
прибора (показатель надежности), — среднее
арифметическое время исправной ра­боты
каждого прибора. Обычно, когда приборы
начи­нают выпускать серийно, некоторая
небольшая часть их отбирается для
испытаний на надежность. Показатели
надежности, определенные по результатам
этих испыта­ний, присваивают всей
серии приборов.

 Гарантийным
сроком
называют период времени, в те­чение
которого завод-изготовитель гарантирует
исправ­ную работу изделия при соблюдении
правил эксплуата­ции прибора. Например,
для микроамперметров типа М266М
предприятие-изготовитель гарантирует
безвоз­мездную замену или ремонт
прибора в течение 36 месяцев со дня
отгрузки с предприятия, а для частотомеров
ти­па Э373 этот срок составляет 11 лет.

 Время
установления рабочего режима.

 электрическая
прочность.

 сопротивление
изоляции.

 способность
переносить механические воздействия
(вибро- и ударопрочность).

Могут
быть и другие характеристики,
регламентированные госстандартами в
которых
также
описаны методы испытаний средств
измерений (ГОСТ 22261‑76).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

                                                     ГБПОУ ВО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПРОМЫШЛЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Учебно-методическое
пособие

для
организации самостоятельной работы студентов

по
теме

«Электрические
измерения»

Для
специальности 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание
электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)»

20.02.04.
«Пожарная безопасность»

                                                        
2018

Учебно-методическое пособие содержит  сведения в виде опорного
конспекта об особенностях эксплуатационных требований для различных
электроизмерительных приборов, области их
применения, основных технических характеристик и основных элементов конструкции
измерительных приборов, применяемых в  процессе обслуживания и ремонта
электрического и электромеханического оборудования.

Приведены
контрольные вопросы, задания для самостоятельной работы студентов  и тестовые
задания разных уровней сложности.

Печатается по решению
методического Совета  Воронежского государственного промышленно-экономического
колледжа.

Воронежский
государственный

                                         
промышленно-экономический

                                         
колледж, 2018 г.

Содержание

1.    
Предисловие………………………………………………………4

2.    
1. Основные понятия
измерения…………………………………7

3.    
2. Погрешность
измерений…………………………………………..11                                    

 
4.  3. Электромеханические приборы ………………………….…15                         

 
5.  4. Мультиметры……………………………………………..…..37                                                   

 
6.  5. Цифровые измерительные приборы………………………..40                   

 
7.  6. Вопросы для самопроверки…………………………………41

  8.  7.Задания
для внеаудиторной и аудиторной  работы…………41                                                                  

 
9.  Приложение………………………………………………………46

10.
Литература ………………………………………………………47                       

Предисловие

Учебно-методическое пособие посвящено вопросам принципа работы,  назначения и области применения
электроизмерительных приборов, основных технических характеристик и основных
элементов кон­струкции измерительных приборов, применяемых в  процессе
обслуживания и ремонта электрического и электромеханического оборудования.

Студенты,
обучающиеся по специальности 13.02.11, изучают эти вопросы по  дисциплине «Электротехника
и электроника». В пособии приведены фрагменты рабочей программы дисциплины «Электротехника
и электроника»: требования к знаниям и умениям студентов, содержание изучаемого
материала и  виды самостоятельной работы студентов по указанным разделам.
Пособие состоит из двух частей: « Основы метрологии и измерительной техники» и 
«Измерение электрического тока, напряжения и мощности». Здесь описаны наиболее
распространённые контрольно — измерительные приборы, используемые в практике по
ремонту электрического и электромеханического
оборудования.

  Учебно-методическое
пособие может быть полезным студентам, изучающим дисциплины: «Электрические
измерения», «Основы технической эксплуатации и обслуживания электрического
и электромеханического оборудования».  Курс лекций является опорным. Выполнение
всех практических и контрольных работ по дисциплине  способствует формированию 
знаний и умений, необходимых для выполнения профессиональных обязанностей по  специальности: Техническая эксплуатация и
обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям) и
Пожарное дело.

Формируемые
компетенции.

 ОК 1. Понимать
сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней
устойчивый интерес.

ОК 2.
Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы
выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3. Принимать
решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4. Осуществлять
поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения
профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать
информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 6. Работать в
коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством,
потребителями.

ОК 7. Брать на
себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат
выполнения заданий.

ОК 8.
Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития,
заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 9.
Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной
деятельности.

ПК 1.2.
Организовывать и выполнять техническое обслуживание и ремонт электрического и
электромеханического оборудования.

ПК 1.3.
Осуществлять диагностику и технический контроль при экс-плуатации 
электрического и электромеханического оборудования.

ПК 2.2.
Осуществлять диагностику и контроль технического состояния бытовой техники.

В результате
освоения дисциплины обучающийся должен:

уметь:

•        составлять
измерительные схемы;

•        выбирать
средства измерений;

•        измерять
с заданной точностью различные электротехнические величины;

•        определять
значение измеряемой величины и показатели точности измерений;

         знать:

•        основные
методы и средства измерения электрических величин;

•        основные
виды измерительных приборов и принципы их работы;

•        влияние
измерительных приборов на точность измерения;

•        принципы
автоматизации измерений;

•        условные
обозначения и маркировку измерительных приборов;

•        назначение
и область применения измерительных устройств.

Краткое
содержание дидактических единиц:

Основные понятия
измерений. Погрешности измерений.

Классификация
электроизмерительных приборов.

Измерение тока и
напряжения. Магнитоэлектрический измерительный механизм, электромагнитный
измерительный механизм. Приборы и схемы для измерения электрического
напряжения. Расширение пределов измерения амперметров и вольтметров,

Измерение
мощности. Электродинамический измерительный механизм. Измерение мощности в
цепях постоянного и переменного токов.

Индукционный
измерительный механизм. Измерение электрической энергии.

Измерение
электрического сопротивления, измерительные механизмы. Косвенные методы
измерения сопротивления, методы и приборы сравнения для измерения сопротивления.

Виды самостоятельной
работы студентов:

   Работа со справочной
литературой. Постановка экспериментов. Составление схемы, снятие показаний
приборов. Решение задач, выполнение упражнений, самостоятельное  изучение и
конспектирование следующего материала: 

● электродинамический
измерительный механизм;

● измерение
мощности в цепях постоянного и переменного токов;

● индукционный
измерительный механизм;

● измерение
электрической энергии.

Составление
электрической цепи. Выполнение практической работы по индивидуальному заданию.
Составление схемы. Снятие показаний приборов.  Оформление отчета. Анализ
полученных данных.

Подготовка
докладов об использовании измерительных преобразователей в различных видах электрооборудования
технологических установок.  Ответы на вопросы тестов.

1. Основные
понятия измерений

1.1. Средства измерения электрических величин

Средствами измерения электрических величин называют технические устройства, используемые при измерениях и имеющие заданные
метрологические ха­рактеристики.

В общем случае к средствам измерений
относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и установки.

Мера предназначена для воспроизведения физической величины
заданного значения.

К основным мерам электрических величин относятся меры: эдс, электрического сопротивления, индуктивности,
электрической емкости и др. Меры высшего класса называются образцовыми.
Они служат для проверки и градуировки рабочих
мер и изме­рительных приборов.

Измерительные преобразователи предназначены для выработки электриче­ского сигнала в форме, удобной для передачи, дальнейшего
преобразова­ния, обработки и хранения, но не поддающейся
непосредственному восприя­тию.

Различают преобразователи электрических величин в электри­ческие — шунты, добавочные сопротивления, делители
напряже­ния и т. д., а также
преобразователи неэлектрических величин в электрические — первичные преобразователи.

Измерительные приборы предназначены для выработки сигналов в форме, доступной для непосредственного наблюдения

К ним относятся, например, амперметр, вольтметр,
ваттметр и др.

Электроизмерительная установка представляет собой совокупность мер, измерительных
преобразователей и приборов, расположенных в одном месте и предназначенных для выработки сигналов в форме, удобной
для непосредст­венного наблюдения.

Все средства измерений, и в частности
электроизмерительные приборы, можно
классифицировать по следующим признакам: виду
получаемой информации, методу измерения, способу представления и регистрации информации.

ЗАПОМНИТЕ

Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются:
погрешность, вариация показаний, чувствительность, потребляемая мощность, время
установления показаний и надежность.

Вариация показаний прибора — наибольшая разность показаний  прибора при одном и том же значении измеряемой величины.

Она определяется при плавном подходе стрелки
к выбранной отметке шкалы при движении стрелки один раз
от начальной, а второй раз от конечной отметки. Причиной
вариации является в основном трение в
опорах подвижной части прибора.

Чувствительность S прибора — отношение  приращения  перемещения указателя ∆а к приращению измеряемой величины ∆х:

Если  чувствительность  постоянна   (шкала   равномерная),  то  ее
можно определить как S = а/х.

Величина, обратная чувствительности (С = 1/S), называется ценой
де­ления (постоянной) прибора. Она равна числу единиц
измеряемой величины, приходящихся на одно
деление шкалы.

Например, при S = 10 дел/В постоянная С = 0,1 В/дел.

Потребляемая мощность — мощность, которую потребляет прибор при включении его в
цепь.

В  результате этого меняется режим работы 
цепи, что в конечном   счете  приводит   к  увеличению  
погрешности   измерения. Поэтому   малое   потребление   мощности   является  
достоинством прибора.

Время установления показаний — промежуток времени с момента включе­ния измеряемой величины до момента, когда указатель
займет положение, отли­чающееся от
установившегося значения не более чем на 1,5%.

Время установления показаний для большинства аналоговых измерительных приборов не превышает 4 с.

Надежность — способность электроизмерительных  приборов, сохранять за­данные характеристики при определенных условиях работы в
течение заданного времени.  
Количественной  мерой  надежности  является  среднее  время  безотказной или исправной работы прибора.

1.2.Классификация
электроизмерительных приборов

По виду получаемой информации электроизмерительные приборы делятся на приборы для измерения электрических (ток, напряжение, мощность и др.) и неэлектрических (температура, давление, влажность и др.) величин;

по методу измерения
— на приборы непосредственной оценки (ампер­метр, вольтметр и др.) и приборы сравнения
(измерительные мосты и
компенсаторы);

по способу представления измеряемой информации — на аналоговые и дискретные (цифровые). Аналоговые электроизмерительные приборы, в свою очередь, могут быть электромеханическими и электронными.

1.3. Общие сведения об электромеханических

измерительных  приборах

Электромеханические приборы составляют
большую группу электроизмерительных приборов. Их основными частями являют­ся электроизмерительная цепь и измерительный
механизм.

 Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину (напряжение, мощность, частоту и т. д.) в пропорциональную ей
величину, воздействующую  на
измерительный механизм.

Измерительный механизм преобразует подводимую к нему электрическую энергию в механическую энергию перемещения подвижной
части и связанного с ней указателя
(например, стрелки).

Так измерительная цепь вольтметра состоит из обмотки измерительного механизма и
добавочного резистора. Так как сопротивление
этой цепи постоянно, то ток через измерительный механизм пропорционален измеряемому напряжению и вызывает
соответствующее отклонение стрелки вольтметра.

Поэтому измерительный механизм рассматривают как преобразователь электрической величины в механическое
перемещение и называют  электромеханическим 
преобразователем.

Основными электромеханическими измерительными
механизмами являются магнитоэлектрические, электромагнитные,
электродинамические, индукционные и электростатические.
Кроме того, существует еще значительное число систем, таких механизмов узко специализированного назначения.

ЗАПОМНИТЕ

Общими элементами электромеханических
измерительных приборов являются

● отсчетное устройство,

● подвижная часть
измерительного механизма,

●устройства для создания вра­щающего, противодействующего и успокаивающего моментов.

Вращающий момент М_вр, действующий
на подвижную часть, является функцией
измеряемой величины х (тока или напряжения) М_вр = f(x).

Подвижная часть измерительного механизма под действием М_вр
поворачивается до тех пор, пока он не уравновесится противодействующим моментом
М_пр, создаваемым с помощью растяжек
или спиральных пружин при их закручивании и на­правленным навстречу М_вр. Значение
противодействующего мо­мента пропорционально
углу поворота подвижной части а:

М_пр = k а,

 где k —
удельный противодействующий момент растяжки или пружины.

Установившееся отклонение подвижной части и
укрепленного на ней указателя характеризуется равенством

Рис 1.1.
Устройство подвижной части измерительного   механизма

На рис. 1.1. представлено устройство
подвижной части измерительного механизма, в котором противодейству­ющий момент создается спиральными   пружинами 5  и
 6,  выполненными  из оловянно-цинковой бронзы. Пружина 6 одним концом крепится к оси 2, а другим  — к поводку 4 корректора. Корректор служит для установки на нуль стрелки  невключенного прибора. Он состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным    пальцем 8, вилки 7 с поводком 4. Для
уравновешивания подвижной части
служат грузики — противовесы 10. Ось 2 заканчивается кернами,
опирающимися на подпятники 1. Жёстко с осью закреплена стрелка 3.

Для успокоения стрелки в приборах применяются
воздушные, магнитоиндукционные и жидкостные
успокоители.

В приборах со спиральными противодействующими
пружи­нами чаще для создания момента успокоения применяют воздушные успокоители. Они представляют собой
закры­тую камеру, в которой
помещается легкое алюминиевое крыло,
жестко связанное с подвижной частью измерительного механизма. При перемещении воздуха из одной части
камеры в другую через зазор (между
камерой и крылом) тормозится движение
крыла, создавая момент успокоения.

Отсчетное устройство обязательно имеет шкалу и указатель. На   шкалу нанесены отметки в виде  коротких  чёрточек, соответствующих определенным значениям измеряемой ве­личины. Интервал между соседними отметками шкалы на­зывают делением.

ЗАПОМНИТЕ

Шкалы могут быть равномерными (деления
постоянной длины) и неравномерными (деления
непостоянной длины). Наименьшее значение,
указанное на шкале, называется начальным,
наибольшее — конечным. Область между
начальным и конечным значениями называют диапазоном
показаний   прибора.

Значение измеряемой величины отсчитывается с
помощью указателя. Как правило, указатели выполняют в виде стрелок, чаще
всего клиновидных или ножевидных, жёстко
скрепленных с подвижной частью измерительного механизма.

2. Погрешности
измерений

2.1. Общие
сведения

Погрешностью
называется
отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

В электроизмерениях 
различают  несколько видов погрешностей, которые можно  подразделить на две
большие  группы: основные и дополнительные.

Основная
погрешность
определяется при нормальных условиях работы измерительного прибора, т.е. при
определенных температуре, влажности окружающей среды, давлении, частоте, форме
и значении  питающего напряжения, а так же при его рабочем положении (для 
электромеханических  приборов).

Дополнительная
погрешность
появляется при отклонении  величин,  влияющих на результат измерения, от
нормальных значений.

Нормальные условия
работы  для измерительных приборов следующие:

● температура
(20±5) ºС;

● относительная
влажность (60 ± 15) %;

● атмосферное
давление (750±30) мм. рт. ст.

При работе 
прибора от сети переменного тока напряжение питания может отличаться от
нормального (номинального) значения не боле чем на ±10% (198…242 В) при
частоте (50±1) Гц.

Основная
погрешность включает в себя  систематическую  и случайную составляющие.

Систематическая
погрешность
при повторных  измерениях одной и той же  величины одним и тем же прибором 
остается постоянной или  изменяется по определенному закону. Она легко
обнаруживается и   может быть  исключена из результата измерений.

Приведем
практические  рекомендации  по уменьшению  систематической  погрешности:

● предварительная
(перед измерением)  установка на нуль стрелки  индикатора в аналоговых 
электромеханических  приборах, которая осуществляется механическим  корректором, 
выведенным под шлиц в нижней  части индикатора, а в цифровых  и аналоговых
электронных приборах  — специальным регулировочным  потенциометром, выведенным
на лицевую панель  прибора и обозначенным символом ►0◄ или надписью «Уст.0».
Причем механическая установка нуля выполняется при выключенном приборе, а
электронная – при включенном приборе и закороченном  входе;

● предварительная
(перед измерением) калибровка  прибора. Регулировочный потенциометр обычно
имеют только электронные приборы и далеко не  все. Такой потенциометр чаще
всего выведен на лицевую панель и обозначен символом  ▼ или надписью «Калибр».
Прибор при этом должен быть выключен;

● введение
поправки (с).   

 Случайная  погрешность
при повторных измерениях изменяется случайным образом. Она резко  выделяется на
фоне систематической  погрешности,  возникает часто в результате оплошности
оператора (ошибочных отсчета или записи показаний, влияния  природных  или
техногенных факторов и др.).

Основным способом
уменьшения случайной погрешности является обработка результатов измерений
методами статистики и  теории вероятности.

Измерения
классифицируется  по определенным признакам, например по способу получения
результата  измерения. Они подразделяются на прямые и косвенные.

При прямых измерениях
искомая величина определяется непосредственно прибором: ток – амперметром,
напряжение – вольтметром и т.д.

При косвенных
измерениях искомая величина определяется  посредством выполнения  определенных
математических действием с использованием результатов измерений, например
измерения частоты осциллографом.

Специалисту
необходимо уметь быстро  уверенно оценивать  погрешность того или иного
измерения, наиболее часто встречающегося по роду его профессиональной
деятельности, поэтому далее рассмотрим качественную оценку  систематической  
погрешности прямых и косвенных измерений.

Абсолютная
погрешность измерения

∆= │А_и
— А│                        (2.1)

Так как абсолютная
погрешность не дает представления о точности измерения, используют  относительную
 действительную  погрешность  измерения ( или установки) параметра, %

γ_д
⁼   ∆ ●100/ А                      (2.2)

         γ_пр = ∆_max ●100/ А _ном             (2.3)

Для пояснения
приведенных  далее практических выводов пользователю проанализируем формулы
(2.2) и  (2.3) , построив для примера графики
зависимостей γ_д и γ_пр  от показания прибора (положения
стрелки) с односторонней шкалой (рис.2.1).

Рис. 2.1. 
График зависимостей γ_д и γ_пр  от положения стрелки

измерительного
прибора с односторонней  шкалой.

 Поделив
шкалу  прибора (от нуля до А_ном) на четыре четверти I…IV, видим,
что γ_д  максимальна  в четверти I шкалы прибора   и минимальна  в
четверти  IV.  На
основании этого утверждения можно сделать следующие практические выводы для
оператора.

1. Для  получения
наименьшей  погрешности  измерения γ_д  необходимо использовать
четверть  IV или III шкалы
прибора и не выполнять измерения, если его стрелка находится в четверти II,  а тем
более I. 

2. Относительная
приведенная погрешность γ_пр  не зависит от показаний прибора.

На основании
второго вывода ГОСТ 8.401 – 80  определяет девять классов точности приборов:
0,02; 0,05; 0,1; 0, 2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5;4,0.

В приборах самого
высокого первого класса точности γ_пр = 0,02%, а в приборах самого
низкого девятого класса точности    γ_пр  = 4%.

Класс точности 
всегда указывается на лицевой панели прибора соответствующей цифрой без знака
процентов.

Если в формулу
(2.2)  подставить абсолютную  погрешность, определенную из выражения (2.3),
получим формулу, связывающую γ_д и γ_пр  :

γ_д
= γ_пр ●А_ном/А                      (2.4.).

Значение 
абсолютной или относительной погрешности приводится в техническом паспорте в
виде конкретной цифры или формулы.

Погрешности
косвенных измерений определяются по следующей формуле:

γ_д=│k₁ ● γ_д1│+ 
│ k₂ ● γ_д2
│+ …+│ k₁●γ_дп│,  (2.5)

где к₁,
к₂, … , к_n – показатели
степени (как известно, они могут быть положительными и отрицательными, целыми и
дробными);

γ_д1, γ_д2,…
γ_дп   —
относительные действительные  погрешности результатов прямых измерений.

Необходимо
отметить, что относительная действительная и приведенная погрешности могут быть
как положительными, так  и отрицательными.

На практике
формула (2.5) чаще всего ограничивается двумя слагаемыми.

Косвенные 
измерения основываются на использовании следующих известных зависимостей:

U= I¹R¹,                             
k₁=1, k₂  = 1;

I=U/R=U¹R^-1,                    
k₁=1, k₂= -1;

R= U/I=U¹I^-1,                    
k₁=1, k₂ = -1;

P = U¹I¹,                            
k₁=1, k₂   = 1;

P= U²/R
=U²R^-1,                 k₁=1, k₂= -1;

P= I²R=I²R¹,                      
k₁=1, k₂  = 1;

Точность и
относительная погрешность измерений связаны между собой обратной зависимостью: v=1/ γ_д.

           
Примеры 
решения задач

Пример 2.1.
Измерены  два значения напряжения 50 и 400 В вольтметром с номинальным
значением 400 В с одной и той же абсолютной погрешностью 1В. Требуется
определить какого из указанных значений напряжения погрешность  измерения 
меньше.

Решение. При
определении погрешности измерений необходимо  правильно ввести  обозначения
исходных данных.

Так как измерение
напряжений выполняется  рабочим вольтметром, в данной задаче

U₁= 50 B, U₂= 400 B, ∆₁ =
∆₂ = 1B.

Вид шкалы
вольтметра в условии не указан, следовательно, используется прибор с односторонней
шкалой, у которого A_min = 0, A_max= 400 B,  поэтому

u_ном= 400В.

Погрешность
измерения определяем по формуле(2.2):

 γ_д1 =
∆/U_д1100 =
1В/50B 100%= 2%.

 γ_д2 =
∆/U_д2100 = 1 B/400B 100% =
0,25%.

Отличие
погрешностей измерения одним и тем же вольтметром напряжения 50 В и 400 В в
8 раз объясняется с помощью  рис.2.1, т.е.при измерении  U₁ = 50 B стрелка
индикатора  вольтметра будет находиться в первой четверти  шкалы (рис.2.2. а),
а при измерении U₂ = 400 B – в
четвертой четверти (рис.2.2,б).

Рис 2.2. Положения стрелки вольтметра

при измерении напряжений 50В (а) и 400 В (б)

Пример
2.2. В
результате калибровки вольтметра магнитоэлектрической системы со шкалой  0…50
В и шагом шкалы 10 В получены следующие показания образцового  вольтметра

 Требуется
определить относительную приведенную погрешность измерения и назначить класс
точности прибора.

Решение. Для
определения γ_пр  используем формулу (2.3).

Максимальная
абсолютная погрешность измерения ∆_max =50,9 — 50=
0,9 В, номинальное напряжение U_ном =50 – 0 = 50  В,
тогда  γ_пр = 100%*0,9 В/50В = 1,8%

Полученное
значение не попадает в существующие классы точности прибора, поэтому
присваиваем данному вольтметру ближайший  больший класс точности — 2,5%.

Следует отметить,
что класс точности прибора, определяя приведенную погрешность, не является
непосредственным показателем точности  измерений. Для доказательства этого
утверждения рассмотрим следующую задачу.

Пример
2.3. Для
измерения тока 4 мА имеются два миллиамперметра: первый- класса точности 1% 
с верхним пределом 20 мА и второй — класса точности 2,5% с верхним пределом
5 мА. Требуется определить, каким прибором заданный ток можно измерить с
меньшей относительной погрешностью.

Решение.
Относительные действительные  погрешности измерения определяем по  формуле
(2.4).

γ_д1 = γ_пр1
 ● I_ном1/I = 1%  ●
20 мА/4мА = 5%

γ_д2  =
γ_пр2  ● I_ном2/I  =  2,5%
 ● 5мА/4мА = 3,125%

Следовательно,
стрелка второго миллиамперметра (низкого класса точности) при измерении будет
находиться  в четвёртой четверти шкалы, а стрелка первого миллиамперметра,
имеющего класс точности  1% — в первой.

Вывод. Выбираем
второй миллиамперметр (более низкого класса точности, но с меньшим пределом
измерения).

3.ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ПРИБОРЫ

3.1. Характеристики
приборов

Для измерения тех
или иных параметров на производстве бывает необходимо выбрать прибор, оценив
его характеристики, причем не всегда на этот прибор  имеется паспорт. Поэтому
рассмотрим определение  основных метрологических  характеристик   приборов,
примеры расшифровки символов, изображаемых на их лицевых  панелях, критерии сравнительного
анализа и другие факторы.

     Для примера
возьмем изображения лицевых панелей двух микроамперметров, показанные на рис.
3.1.

Определяемые
характеристики этих приборов будем вносить в заранее подготовленную табл. 3.1^*.

Необходимые
характеристики найдем, используя теоретические сведения  в приложениях.

Определим
номинальные значения токов для обоих приборов, имеющих одностороннюю шкалу:

I_ном1 = 50-0 =
50 мкА; I_ном2 = 50-0 =
50 мкА.  

Рис.3.1.Изображения шкал микроамперметров

магнитоэлектрической и электромагнитной систем

                                                                            
Таблица 3.1.

Система прибора	Тип при- бора	Iном, мкА	yпр., %	rA, Ом	C, мкА/дел.	S, дел./мкА	UA, В	PA, мВт	Диапазон измерения  тока  D1 = Iном – Imin, мкА	Частотный диапазон Df  = Fmax – Fmin , Гц
	М265 Э412

^*Для
вольтметров составляется аналогичная таблица, в которой вместо I_ном указывается
значение U_ном, вместо r_A –
значение r_v, а вместо
напряжения

U_ном – значения
I_v.

Классы точности
приборов:

γ_пр1 = 1,5%;  
γ_пр2 = 4,0%.

Внутренние
сопротивления микроамперметров:

r_A = 2
кОм;   r_A2 = 3 кОм.

Цена
деления приборов

Чувствительность
микроамперметров:

   

Рассчитаем падение
напряжений на приборах:

U_A1 = 50*10^-6
А*2*10³ Ом = 0,1 В;

U_A2 = 50*10^-6
А*3*10³ Ом = 0,15 В;

Определим
потребляемую приборами мощность (так как мощность в табл. 3.1. должна быть
представлена в милливаттах, то результат расчета следует умножить на 10³):

P_A1 = 50*10^-6*50*10^-6А²*2*10³Ом
 =  0,005 мВт;

P_A2 = 50*10^-6*50*10^-6А²*3*10³Ом
= 0,0075 мВт;

Найдем рабочие
участки шкал обоих приборов:

I_min1 = 10 мкА,
  I_max1 = 50 мкА;

I_min2 = 20 мкА,
  I_max2 = 50 мкА.

Соответственно
диапазоны измерения  тока у приборов  следующие:

D_i1 = I_max1
– I_min1 = (50 – 10 ) =  мкА = 40 мкА;

D_i2 = I_max2
– I_min2 = (50 – 20) = мкА = 30 мкА.

Частные диапазоны
приборов определяется аналогично диапазонам измерения тока. Отличие заключается
в том, что прибор  магнитоэлектрической  системы может использоваться  только
на постоянном токе, т.е. у него D_f = 0,  информация 
о чем  указана на изображении лицевой панели прибора М265.

Частотный
диапазон  прибора электромагнитной системы

D_f2 = F_max2  –  F_min2  =  ( 100
– 0 ) Гц  = 100 Гц.

3.2. Знаки и 
символы, наносимые на  лицевой панели прибора

Приведем для
примера расшифровку всех знаков   символов, помещенных на изображениях 
лицевых  панелей приборов, показанных на рис.3.1.

Прибор
М265:

М – буквенный шифр
магнитоэлектрической  системы;

265 – номер
разработки (модели);

1983 – год выпуска;

μА –
микроамперметр;

2кΩ – внутреннее
сопротивление 2 кОм;

— — предназначен
для использования в цепях постоянного тока;

…—  графическое обозначение  магнитоэлектрической
системы, защищенной от  действия  внешних магнитных полей;

1, 5 – класс
точности;

┴ — рабочее
положение вертикальное;

¶ — измерительный
механизм  изолирован, и сопротивление  изоляции  испытано напряжением 2 кВ.

Прибор
Э412:

Э – буквенный шифр
электромагнитной системы;

412 – номер
разработки;

1989 г. – год
выпуска;

μА – микроамперметр;

100 Hz — 
частота;

3кΩ – внутреннее 
сопротивление;

≈ — предназначен
для использования в цепях  переменного и постоянного тока;

∑ —
графическое обозначение электромагнитной системы;

4,0 – класс
точности;

¶ — измерительный
механизм изолирован, и сопротивление  изоляции испытано напряжением 2кВ.

3.3.Измерительные
механизмы и приборы различных систем

3.3.1. Устройство,
принцип действия магнитоэлектрического
и электромагнитного  механизмов

Магнитоэлектрический механизм работает лишь при постоянном токе, но ввиду высоких качеств его широко применяют в соединении
с различными преобразующими устройствами для измерений
переменного тока. При соедине­нии
магнитоэлектрического механизма и полупроводникового выпрямителя полу­чают выпрямительный (детекторный) прибор; а если этот же
механизм соеди­нить с термопарами, образуется термоэлектрический прибор.

В магнитоэлектрическом механизме вращающий
момент создается взаимо­действием поля постоянного
магнита и измеряемого тока катушки. Механизмы данной
системы могут быть с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Последние обладают весьма низкой точностью и
применяются относительно редко.

По своим конструктивным особенностям
магнитоэлектрические измеритель­ные механизмы с подвижной катушкой делятся на
механизмы с внешним магни­том и механизмы с внутрирамочным магнитом.

Магнитная система механизмов с внешним
магнитом (рис. 3.2.) состоит из сильного
постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсных наконечников 3
и сердечника. Три последние части
изготовляют из легко обрабатываемой магнитомягкой
стали. В результате тщательной обработки полюсных наконечников и сердечника в воздушном зазоре между ними создается
практически равномер­ное радиальное магнитное поле.

В механизмах с внутрирамочным магнитом (рис.
3.3.) сердечником служит постоянный
магнит 1. Его охватывает кольцевой магнитопровод 3, изготовлен­ный из магнитомягкой стали. Магнитодвижущая сила
постоянного магнита неодинакова на
различных участках воздушного зазора и при равномерном зазоре создавала бы примерно синусоидальное
распределение индукции в зазоре вдоль
окружности сердечника. Но посредством накладок 2 из магнитомягкой стали удается сделать магнитное поле в большей части
зазора практически равномерным, радиальным.

В обеих конструкциях измерительных механизмов
подвижная катушка 4 уста­навливается
на растяжках или опорах и может поворачиваться относительно сердечника в пределах примерно 90°. Эта катушка
наматывается на алюминие­вый каркас. Такую подвижную
часть принято называть рамкой. Алюминиевый каркас
служит в этом механизме магнитоиндукционным успокоителем, так как он
представляет собой короткозамкнутый виток, помещенный в поле постоян­ного магнита. При перемещении подвижной части
изменяется потокосцепление каркаса,
вследствие чего в нем индуктируется эдс и возникает ток в каркасе. Ток, взаимодействуя с полем постоянного магнита,
создает силу, тормозящую колебания
рамки.

Рис 3.2.Магнитоэлектрический механизм с внешним магнитом:

1
— постоянный магнит, 2 — магнитопровод,

3 —
полюсные наконечники, 4 — подвижная
катушка

Вращающий момент в приборе определяется на
основании закона электромагнитной
силы. На каждый из проводников катушки воздействует сила

F = BIl,

здесь l —
активная длина проводника, приблизительно равная высоте катушки h. Каждый из ω витков
катушки имеет две активные стороны. Плечо приложения силы равно половине ширины d катушки, на основании чего вращающий момент,
воздействующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма, будет:

а так как hd = S – площадь катушки, то 

Следовательно, в магнитоэлектрическом
механизме вращающий момент пропорционален магнитной индукции в воздушном зазоре и измеряемому
току. Так как магнитная индукция в воздушном зазоре
распределена практически  достаточно
равномерно, то можно считать, что

Противодействующий момент М_пр создается
кручением растяжек или пружин. Они служат
вместе с тем для подвода тока в  подвижную  часть,  т.е. М_пр = k_врI . 

При установившемся отклонении ток

Угол   отклонения   подвижной   части  
прямо   пропорционален   измеряемому току
— магнитоэлектрический прибор имеет равномерную шкалу (поскольку магнитную индукцию можно считать одинаковой в пределах
рабочей части воз­душного зазора).

Применив правило левой руки, легко убедиться,
что подвижная катушка стремится принять
положение, при котором направление ее поля совпадает с направлением основного
магнитного поля, создаваемого магнитом. Направление вращающего момента изменяется при изменении направления
тока, поэтому при включении в цепь
переменного тока промышленной частоты стрелка будет оставаться на нулевом делении, так как на подвижную часть
будут воздействовать быстро  
изменяющиеся   вращающие   моменты   противоположного   направления.

Магнитоэлектрические механизмы весьма
чувствительны, так как их основное
магнитное поле возбуждается постоянным магнитом, а не измеряемым током. По этой причине для высокочувствительных нулевых
приборов (гальванометров)  обычно применяют магнитоэлектрические измерительные
механизмы.

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

Внешние магнитные поля мало влияют на показания этих приборов в
результате собственного сильного магнитного
поля и экранирующего действия магнитопровода из  магнитомягкой стали.
Недостатком системы можно считать относительно высокую стоимость механизмов.

Рис.3.3.Магнитоэлектрический  механизм с

внутрирамочным
магнитом:

1 — постоянный магнит,

2 —
накладки, 3 — магнитопровод

Электромагнитный механизм показан на рисунках 3.4, 3.5,3.6.

В приборах этой
системы перемещение подвижной части вызывается воздействием магнитного поля неподвижной
катушки на сердечник из магнитомягкого ферромагнитного материала, укрепленный
на одной оси со стрелкой.

Электромагнитные силы  стремятся переместить  
сердечник   так,   чтобы   магнитный   поток   в механизме был наибольшим. В настоящее время широко применяют три основные конструкции
электромагнитных механизмов.

В механизмах с плоской катушкой (рис. 3.4) сердечник 1 из магнитомягкого материала
втягивается в относительно узкую щель катушки 2 при наличии в ней
измеряемого тока. Для усиления магнитного поля и регулирования вращающего момента служит второй неподвижный сердечник 3.

В механизмах с круглой катушкой (рис. 3.5.) внутри катушки 1 находятся два
ферромагнитных сердечника 2 и 3. Один из них 2 неподвижен,
а второй 3 (подвижный) укреплен на
оси. При наличии в катушке измеряемого тока сер­дечники намагничиваются и
стремятся оттолкнуться друг от друга, что и создает вращающий
момент.

В механизмах с магнитопроводом (рис. 3.6.)
подвижный сердечник 1 поме­щен в зазоре магнитопровода между
когтеобразными полюсными наконечни­ками 2 и 3. Магнитный поток
возбуждается измеряемым током катушки 4. Подвижный сердечник, имеющий форму сектора, стремится
занять положение, соответствующее
максимуму энергии магнитной системы.

Подвижная часть электромагнитных   приборов
устанавливается на растяжках или на
опорах. Для  создания противодействующего момента используют круче­ние растяжек или спиральной пружины.

Электромагнитные механизмы с круглой или плоской катушкой, имеющие  слабое магнитное поле,
снабжа­ются  экранами 4  (см. рис.3.5)  для
защиты от внешних магнитных влияний.

Для   успокоения в электромагнитных  
приборах   применяются воздушные (см.
рис.3.4.), магнитоиндукционные (см. рис.3.5.) и жидкостные
успокоители. Вращающий момент этих приборов пропорционален
квадрату тока I² и измене­нию
индуктивности системы при повороте подвижной части

Следовательно, изменение
направления измеряемого тока не изменяет направления вращающего момента: при изменении направления тока происходит
одновременное изменение полярности сердечников и направления магнитного поля. В
принципе  приборы  пригодны для 
измерения  постоянного и переменного токов. Но при постоянном токе влияние гистерезиса может вызывать разницу в
показаниях прибора при возрастании и
убывании тока (доходящую примерно до 2%). При переменном токе потери в сердечнике на гистерезис и вихревые токи
несколько уменьшают отклонения
подвижной части. В лабораторных и переносных приборах при применении сердечников из пермаллоя
разница  в показаниях при постоянном и переменном токах становится
незначительной. Но большинство щитовых
приборов этой системы предназначается для измерений только переменного тока.

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

Рис. 3.4. Электромагнитный механизм с
плоской катушкой:

1 —
подвижный сердечник, 2 — катушка,

3 — 
неподвижный  сердечник, 4 —  экран

Рис.3.5.Электромагнитный механизм с круглой катушкой:

1 — катушка, 2 и 3 —
сердечники, 4 — экран

Рис. 3.6.Электромагнитный
механизм с магнитопроводом:

1 –
подвижный сердечник; 2, 3 – наконечники, 4 – обмотка

Недостатками механизмов электромагнитной системы
являются относительно большое собственное
потребление энергии, зависимость показаний от внешних магнитных полей и некоторая неравномерность шкалы,
особенно в ее начальной части.

3.3.2.Измерение
тока и  напряжения

Измерение
постоянного тока

Постоянные токи
порядка 10^-3 – 10^-2 А измеряют, как правило, приборами
непосредственной оценки – миллиамперметрами и амперметрами
магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем, а также
электронными аналоговыми и цифровыми приборами.

Для измерения
больших постоянных токов (свыше 100 А) обычно применяют амперметры
магнитоэлектрической  системы с использованием шунтов, подключаемых параллельно
измерительному механизму ИМ (рис. 3.8,а).

Сопротивление
шунта подбирается из соотношения

R_ш = R_и/ (n – 1),

где R_А –
сопротивление обмотки измерительного механизма;

n = I/I_и –
коэффициент шунтирования; 

I  —
измеряемый ток; I_и –
допустимый ток ИМ.

Рис. 3.7. Внешний вид шунта

Рис. 3.8.Измерение
силы тока и напряжения

а)
Амперметр магнитоэлектрической системы с использованием шунтов, подключаемых
параллельно измерительному механизму;

б) Схема
включения вольтметра с добавочными резисторами R_д

Рис. 3.9.Добавочный резистор, намотанный на

изолирующую
пластину

Измерение 
переменного тока

При измерении
переменных токов важно, какое значение тока измеряется: действующее,
амплитудное или среднее. Эта необходимость вызвана тем, что все приборы
градуируются в действующих значениях синусоидального, а реагируют подвижные
части некоторых измерительных механизмов на среднее значение измеряемой
величины.

Переменные токи до
100 мкА измеряют обычно цифровыми микроамперметрами. Токи выше 100 мкА измеряют
выпрямительными микроамперметрами. Для измерения переменных токов в
диапазоне 10 мА – 100А используют электромагнитные, электродинамические и
выпрямительные приборы, работающие  в частотном диапазоне до десятков килогерц,
и термоэлектрические приборы в диапазоне частот до сотен мегагерц. Большие
переменные токи измеряют теми же приборами, но с использованием измерительных
трансформаторов тока.

Измеряют
переменные токи и  косвенным способом. В этом случае последовательно в
измерительную часть включают образцовый регистр и измеряют падение напряжения
на нем.

ЗАПОМНИТЕ

При измерении тока
включение в измеряемую цепь амперметра с внутренним сопротивлением R_А или
образцового резистора изменяет режим работы цепи. Вследствие этого появляется методическая погрешность измерения тока

δ₁ = —
1/ (1 + R_{вх А}/R_А),

где R_{вх А} – входное
относительно зажимов амперметра сопротивление цепи. Чем меньше сопротивление
обмотки амперметра, тем меньше методическая погрешность измерения.

Измерение
постоянного и переменного напряжения

При измерении эдс
и напряжения на каком-либо участке электрической цепи измеритель напряжения
включают параллельно этому участку.

При измерениях
постоянных напряжений в диапазоне 1 — 1000 мкВ используют цифровые
микровольтметры  и компенсаторы постоянного тока. Значение напряжений от
десятков милливольт до сотен вольт измеряют приборами магнитоэлектрической,
электромагнитной, электродинамической систем, электронными аналоговыми и
цифровыми вольтметрами с использованием делителей напряжения и добавочных
резисторов.

Схема включения
вольтметра с добавочными резисторами R_д приведена
на    рис. 3.8,б. Сопротивление их определяется из условия

где R_v –
внутреннее сопротивление вольтметра;

n_1,2 = U_1,2/U_mv –
масштабный коэффициент.

Для измерения
постоянных напряжений до нескольких киловольт применяют в основном
электростатические вольтметры, реже приборы других систем с делителями
напряжения.

Малые переменные
напряжения (до единиц вольт) измеряют с помощью приборов выпрямительной
системы, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами.

Для измерения
переменных напряжений от единиц до сотен вольт в диапазоне частот до десятков
килогерц используют приборы электромагнитной, электродинамической и
выпрямительных систем. В диапазоне частот до десятков мегагерц напряжение
измеряют приборами электростатической и термоэлектрической систем, цифровыми
вольтметрами.

Большие значения
переменных напряжений (свыше киловольта) измеряют теми же приборами, но с
применением измерительных трансформаторов напряжения. Последние кроме
преобразования переменного напряжения обеспечивают изоляцию вторичной цепи от
первичной, находящейся под высоким напряжением.

ЗАПОМНИТЕ

При подключении
вольтметра с внутренним сопротивлением Rv к участку электрической цепи
изменяется ее режим работы. В этом случае возникает методическая погрешность
измерения напряжения

δ_v = — 1/ (1
+ R_v/R_{вх V}),

где R_{вх V} – входное
относительно зажимов вольтметра сопротивление цепи.

Чем больше
внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения.

3.3.3. Измерение электрической мощности

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

Измерение мощности в цепях постоянного
тока

В цепях постоянного тока для измерения
мощности ваттметр применяют относительно редко, в основном используют метод амперметра — вольтметра (рис. 3.10.). Определив амперметром  значение тока I и вольтметром
напряжение U, вычисляют мощность
по формуле

Р = UI.

Для уменьшения погрешности из-за влияния
внутренних со­противлений приборов схему рис. 3.10,а
следует использовать при малом
сопротивлении R, а  схему рис. 3.10,6  —  при большом сопротивлении R нагрузки.

Измерение мощности в цепях переменного
тока

Полную мощность S приемника
измеряют, как правило, методом
амперметра-вольтметра:S=UI,

 где
U и I —
действующие значения напряжения и тока.

                                  

Рис.3.10. Схемы измерения мощности ме­тодом
амперметра-вольтметра

Активную мощность приемников        Р = UIcosφ

 измеряют с помощью ваттметров на основе  электродинамического
(рис.3.11.) или ферродинамического измерительного механизма (рис.3.12.).

Рис.3.11.
Электродинамический измерительный механизм:

1, 2 –
катушки, 3 – пружины

Рис.3.12. Ферродинамический
измерительный механизм:

1,2 –
катушки, 3 – магнитопровод

Электродинамические механизмы основаны
на принципе взаимодействия проводников
с токами: два проводника с противоположно направленными токами взаимно отталкиваются, с одинаково направленными токами —
притягиваются.  В основном,   измерительный механизм этой
системы (рис.3.11) состоит из непод­вижной 1
и подвижной 2 катушек, с токами I_н и I_п.

Ток в подвижную катушку I_п подводится через две растяжки или через спиральные пружины 3, которые вместе с тем служат для
создания противодействующего момента.
Катушки прибора могут быть без стального сердечника или со стальным  сердечником и, хотя электродинамический 
принцип   используется в обоих типах
приборов, тем не менее, электродинамическими принято называть  приборы первого типа, а ферродинамическими — приборы
второго типа.

Сила,  создаваемая  взаимодействием  токов
двух катушек  прибора, пропорциональна
произведению этих токов. Кроме того, эта сила зависит от тельного положения катушек, изменяющегося по мере
перемещения подвижной катушки.

Последняя зависимость выражается как
пропорциональность изменению
взаимной индуктивности ∆М при перемещении подвижной катушки на ∆α т. е.

При одновременном изменении направления тока
в обеих катушках направление вращающего момента не изменяется. Следовательно,
как электродинамические, так и ферродинамические механизмы 
пригодны для  переменного и постоянного
токов.

В механизмах без сердечника собственное магнитное поле
слабо, так как оно создается в
неферромагнитной среде. По этой же причине для получения точного вращающего момента катушки механизма должны иметь
значительное число витков; но из-за большого числа витков сопротивление катушек
сравнительно велико, что обусловливает относительно большое собственное
потребление энергии такими механизмами. Для
защиты от внешних магнитных влияний современные электродинамические механизмы
помещают внутри двойного экрана  из ферромагнитного материала пермаллоя. Внешние магнитные поля не проникают в экранированный механизм, так как замыкаются через экраны.

Характерным свойством электродинамических
приборов (без сердечников) является
высокая точность из-за отсутствия ферромагнетиков в механизме. Для измерений на переменном токе эти приборы можно считать
наиболее точ­ными. Таким образом, электродинамические
приборы служат главным образом переносными лабораторными приборами (в
особенности ваттметрами) высокой точности (классов 0,5; 0,2 и 0,1).
Электродинамические ваттметры имеют прак­тически
равномерную шкалу, а у амперметров и вольтметров она неравномерна (сжата ее начальная часть).

Из-за плохих условий охлаждения и значительного
собственного потребления энергии
электродинамические механизмы не должны сильно перегружаться.

Приборы электродинамической системы из-за сложности изготовления дороги.

В ферродинамических механизмах неподвижная
катушка 1 снабжена стальным
магнитопроводом 3, а подвижная катушка 2 охватывает
стальной сердечник (рис. 3.12).  
Наличие   стали   создает   в   этих   механизмах   сильное   собственное магнитное поле,  следовательно, и больший вращающий
момент, что позволяет существенно снизить собственное 
потребление энергии  механизмами.  Внешние магнитные
поля на их показания практически не влияют.

Отрицательным последствием применения  
стального   сердечника является некоторое понижение точности
из-за дополнительных погрешностей, вызываемых потерями 
в сердечнике   и   нелинейностью   кривой   намагничивания   стали.   При  постоянном токе гистерезис вызывает разницу  в
показаниях  при возрастании и
убывании измеряемой величины. Наличие   стали   ограничивает   частотный  диапазон приборов  (верхний предел примерно 500
Гц).

Ферродинамические приборы изготовляют
щитовыми  и переносными для работы  на  переменном  токе.
Кроме того, ферродинамические  механизмы применяют 
в  самопишущих  приборах,   в  которых  требуются  большие  вращающие моменты.

Измерение активной мощности ваттметром в однофазных цепях
производят по схеме рис. 3.13. Токовую обмотку включают в цепь последовательно с приемником R_н (т. е. в
цепь тока I), а обмотку
напряжения — параллельно приемнику R_н на напряжение U.

Рис. 3.13. Схема включения ваттметра

Реактивную мощность Q= UIsinφ в однофазных цепях измеряют только в лабораториях при проведении каких-либо исследований
включением варметров по специальным схемам.

3.3.4. Индукционный
механизм и приборы

измерения
электрической энергии

Индукционный
механизм (рис. 3.14.) состоит из двух неподвижных магнитопроводов 1 и 2
с обмотками и подвижного алюминиевого диска 4, укрепленного на оси.

Рис.3.14.Индукционный
механизм

1, 2-
магнитопроводы с обмотками, 3- магнит,

4-подвижный
алюминиевый диск

Магнитные потоки
Ф1 и Ф2, создаваемые синусоидальными токами I1 и I2 и пронизывающие
диск, смещены в пространстве. При этих условиях в диске образуется бегущее
магнитное поле, под влиянием которого диск приходит во вращение. Магнит 3
служит для создания тормозного элемента.

 Среднее значение 
вращающего элемента 

Измерительные
приборы на базе индукционных механизмов используют главным образом в качестве
однофазных и трехфазных счетчиков энергии переменного тока. Счетчики имеют
классы точности: 1,0; 2.0 и 2,5. Промышленность выпускает однофазные счетчики
электроэнергии на токи 5 и 10 А и напряжения 127 и 220 В; трехфазные счетчики
на токи до 50А и напряжения 127, 220 и 380 В для непосредственного включения и
до 2000 А и 35 кВ для включения через измерительные трансформаторы.

Рис. 3.15.Устройство индукционного счетчика:

1,2 — электромагниты, 3 — диск, 4 — постоянный магнит

Рис.3.16. Диск и тормозной магнит счётчика

Рис.3.17. Схема включения трехфазного

двухэлементного счетчика

3.3.5.
Сравнительный анализ приборов

с
измерительными механизмами различных систем

По полученным в
разделах 3.1 и 3.2 характеристикам проведем
сравнительный анализ рассматриваемых приборов с указанием их достоинств и
недостатков.

Приведем критерии,
используемые при сравнительном анализе измерительных приборов:

● класс точности (
чем меньше γ_пр, тем прибор лучше);

● внутренне
сопротивление ( чем меньше r_A,  тем лучше
амперметр,  чем больше r_V,  тем
лучше вольтметр);

● чувствительность
( чем больше S, тем
прибор лучше);

● падение 
напряжения на амперметре ( чем меньше U_a,  тем  прибор лучше)
либо потребляемый вольтметром ток (чем меньше I_v,  тем прибор
лучше);

● потребляемая
приором мощность ( чем меньше Р, тем прибор  лучше);

● диапазон
измерения параметра (чем он больше, тем  прибор лучше);

● частотный
диапазон (чем он больше, тем прибор лучше);

● вид шкалы
(лучше  прибор с равномерной шкалой);

● наличие защиты
от внешних магнитных полей ( прибор лучше при наличии такой защиты);

● год выпуска (чем
прибор новее, тем он лучше);

● рабочее
положение (лучше прибор, работающий  в любом положении);

● по роду тока
(лучше прибор универсальный).

На основании  
приведенных критериев сравним  рассматриваемые приборы М265 и Э412.

Преимущества прибора
М265:

● равномерная
шкала;

● наличие защиты
от влияния внешних магнитных полей;

● меньшая γ_пр;

● меньшее
внутреннее сопротивление;

● меньшее падение
напряжения;

● меньшая
потребляемая мощность;

● более широкий
диапазон измерения.

Недостатки
прибора
М265:

● неуниверсальный;

● более раннего
года выпуска;

● работает только
в вертикальном положении;

● меньший
частотный диапазон.

А. Оценка
погрешностей измерений)

Для примера найдём
погрешности измерения тока 25 мкА рассматриваемыми приборами М265 и Э412, для
чего используем формулу (2.4):

γ_д1=
1,5%●50 мкА/25 мкА = 3%;  

γ_д2=
4,0% ●50 мкА/25 мкА = 8%.

Б.
Определение значения измеряемого параметра)

Для примера найдем
значения измеряемого тока по положениям стрелок приборов, показанных на
рис.3.1., для чего используем данные о цену деления  шкал этих приборов из
таб.3.1.:

I₁ = 17 мкА;
I₂ = 47 мкА.

Электромеханические
приборы весьма разнообразны по назначению, конструкции, принципу преобразования
подводимой  энергии и метрологическим характеристикам.

Специальную
систему маркировки,  необходимую для получения достаточной информации об
измерительном приборе, устанавливает ГОСТ 1845 – 59. Расшифровка условных
обозначений, наносимых на шкалах приборов, приведена в приложении .

3.3.6.  Измерение   параметров   электрических   цепей

Сопротивление R, емкость
С, индуктивность L измеряют методами
прямого и косвенного измерений.

Измерение электрического сопротивления
постоянному току

◄ Электрические сопротивления электротехнических устройств (катушек, резисторов и т.д.) постоянному току можно условно разделить на малые (до 1 Ома), средние (от 1 до 10⁵ Ом) и большие (выше 10⁵ Ом). Для измерения малых сопротивле­ний применяют метод амперметра — вольтметра и мостовой. Для измерения средних сопротивлений применяют методы амперметра
— вольтметра, непосредственной оценки (омметры),
мостовой  (одинарные мосты)   и компенсационный.

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 I_А ≈ I_R ввиду того, что вольтметр обладает гораздо большим сопротивлением по сравнению с R и поэтому справедливо равенство I_v « I_R. Схему рис.3.10,б лучше применять при измерении средних
сопротивлений, так как в этом случае напряжение U_v ≈ U_R 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 R_A < 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 R_d. Прибор
имеет выходные зажимы АВ, к которым присоединяют измеряемое сопротивление R_x. Ток в
цепи измерителя  I = U/(R_д + R_и + R_x), где R_д, R_и  и R_x  — 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 (R_x = ∞) угол отклонения α= 0, при
закороченных зажимах АВ (R_x = 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 R_х, 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 I_ни = 0,
мост находится в состоянии равновесия (признаком равновесия моста является нулевое отклонение указателя НИ). При
этом справедливы следующие
соотношения:I₁ = I₂; I₃ = I₄; R_xI₁ = R₃I₃ или  R₂I₂ = R₄I₄. Разделив
почленно два последних уравнения друг на
друга и учтя равенство токов, получим

R_x/R₂ = R₃R₄, или R_xR₄ =R₂R₃

ЗАПОМНИТЕ

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

Из  последнего  выражения  вычисляют  
искомое  сопротивление R_x:

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 R_x. 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 R_x. Измерив
падение напряжения на R_x и R_o при двух положениях переключателя, определяют U_Ro=R_oI и U_Rx=R_xI. Искомое
значение сопротивления R_x 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

3.4.
Задачи для самостоятельного решения.

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 γ_д 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.

3.4.2.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 γ_д  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.

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 γ_д 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.

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.

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 γ_д напряжения, равного 80 В, обоими приборами;

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

4. МУЛЬТИМЕТРЫ

4.1.
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 – h_21э, I_{к, 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

r_v = U_ном / 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

r_A = U / I_ном,                     
                   (4.2)

где I _{ном —} выбранный предел измерения, U –
значение напряжение, указанное на задней панели прибора.

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

r_{v =} R_уд U_ном
.                                         (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.

4.2
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, +W, —kW>>, т.е.
мультиметром можно измерять напряжение, ток и сопротивление резисторов. Причем
надпись <<+W>>
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 K_ш   = 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;

K_ш  =
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:

I_{ном min} = 60
мкА;       I_{ном max}  = 1 500 мА;

K_ш  = 60/30 =
2;      I _min  = 5* 2 =
10 мкА.  

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

Следовательно,

 I_{ном min} = 10
мкА;       I_{ном max}  = 1 500 мА.

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

I_{ном min} = 0, 6
мкА;       I_{ном max} = 1 500 мА;

K_ш = 0, 06/30
= 0, 02;   I_{ном max} = 5 * 0,
02 = 0, 1мА.

Следовательно, I_min = 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 R_min на шкале
минимального предела измерения сопротивления  <<W>> (см. рис.
4.1) найдем первое оцифрованное деление – 10. Для нахождения R_max
максимальную цифру 500 на шкале  <<kW>> умножим на максимальную цифру
множителя по килоомам – 10, т.е. R_max = 5000 кОм  = 5
МОм.

            
Следовательно, R_min = 10 Ом,

R_max = 5 МОм.

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

            Рис. 4.3. Фрагмент
шкалы мультиметра к примеру 4.2.3 

Решение.
Коэффициент шкалы K_ш = —-  =
0, 05, тогда

30

(30-25) B

C_{1, 5 B} =
————- ● 0, 05 = 0, 05 B/ дел.

5 дел

1 дел.

S_{1, 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: g_пр
= 1,5 %. Выбираем предел измерения напряжения U_ном = 30 В.

Тогда  g_д
= 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:

K_ш = 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 ÷
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, +W, —kW>>?

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, +W, —kW>>?

   
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.