Защита лабораторной работы

К защите лабораторной работы допускаются только студенты, подготовившие отчет в соответствии с приведенными выше требованиями.

Глава 1. Методы и средства измерения электрических величин

 

Средствами электрических измерений называют технические сред-ства, используемые при электрических измерениях и имеющие норми-рованные метрологические характеристики. В табл. 1.1 приведены све-дения об электрических величинах.

 

Таблица 1.1

Электрические величины

Величина	Единица измерения	Рекомендуемое обозначение	Размерность в СИ
Сила электриче-ского тока	Ампер	I	А
Электрическое на-пряжение, разность потенциалов, ЭДС	Вольт	U	В
Количество электричества	Кулон	Q	Кл
Электрическая мощность	Ватт	W	Вт
Электрическое сопротивление	Ом	R	Ом
Электрическая проводимость	Сименс	G	См
Электрическая емкость	Фарада	C	Ф
Индуктивность	Генри	L	Гн
Импеданс	Ом	Z	Ом
Частота	Герц	f	Гц

 

Различают следующие виды средств электрических измерений [1]:

1) меры:

однозначные: меры сопротивления, измерительные катушки индук-тивности и взаимной индуктивности, измерительные конденсаторы, меры напряжения;

многозначные: генераторы, калибраторы напряжения и тока, мага-зины сопротивлений, емкости и индуктивности;

2) измерительные преобразователи: шунты, делители напряжения, усилители, трансформаторы тока и напряжения.

3) электроизмерительные приборы: магнитоэлектрические, электро-магнитные, индукционные, выпрямительные, компенсаторы.

Средства измерений электрических величин должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Класс точности измерительных приборов должен быть не ниже 2,5.

2. Классы точности измерительных шунтов, добавочных резисторов, трансформаторов и преобразователей должны быть не меньше 1.

3. Пределы измерения приборов должны выбираться с учетом воз-можных наибольших длительных отклонений измеряемых величин от номинальных значений.

 

Меры

Различают следующие разновидности мер:

1. Однозначные

1.1. Меры сопротивления (измерительная катушка сопротивления)  выполняются на номинальное значение сопротивления 10^±n Ом, где n – целое число, и имеют четыре зажима, два из которых называют токовыми, а два – потенциальными. Между потенциальными зажимами сопротивление катушки соответствует номинальному значению при включении катушки в цепь с помощью токовых зажимов. Обмотку катушки сопротивления выполняют из манганина, имеющего большое удельное электрическое сопротивление при малом температурном коэффициенте сопротивления, малой термоЭДС в паре с медью и при высокой стабильности своих свойств.

1.2. Измерительные катушки индуктивности выполняют из проволоки, намотанной на каркас; катушки взаимной индуктивности имеют две обмотки, намотанные на общем каркасе.

1.3. Измерительные конденсаторы. В качестве однозначных мер электрической емкости применяют воздушные и газонаполненные конденсаторы и конденсаторы со слюдяной изоляцией.

1.4. Мера напряжения – это нормальный элемент, представляющий собой специальный химический источник электрической энергии, напряжение которого известно с большой точностью и при неизменной внешней температуре отличается большим постоянством во времени. Выпускаются нормальные элементы с насыщенным и ненасыщенным раствором электролита, отличающиеся своими характеристиками.

Многозначные

2.1. Измерительные генераторы – это источники переменного тока и напряжения, форма которых заранее известна, а частота, амплитуда и некоторые другие параметры могут регулироваться в определенных пределах и отсчитываться с гарантированной точностью. По форме выходного сигнала они подразделяются на генераторы синусоидальных, шумовых, импульсных сигналов и сигналов специальной формы.

2.2. Калибраторы напряжения и тока – это стабилизированные источники напряжения или тока, дающие возможность получать на их выходе ряд комбинированных, т.е. точно известных, значений сигналов.

2.1. Магазины меры. В качестве многозначных мер получили распространение магазины сопротивлений, емкости и индуктивности, в которых с помощью соответствующих переключателей можно устанавливать необходимое значение величины, воспроизводимой мерой.

В табл. 1.2 представлены метрологические характеристики рассмотренных мер.

 

Таблица 1.2

Метрологические характеристики электрических мер

Меры	Номинальные значения	Класс точности
Однозначные
Мера сопротивления	10-5÷1010 Ом	0,0005÷0,1
Катушки индуктивности	10-6÷1 Гн	0,05÷0,5
Катушки взаимной индуктивности	10-4÷10-2 Гн	0,01÷1
Измерительные конденсаторы	1¸10000 мкФ	0,005÷1
Меры напряжения	Установки до 1000 В 230, 400, 690 В. Установки свыше 1000 В 3; 6; 10; 15; 20; 35; 110; 150; 220; 400; 500; 750; 1150 кВ	0,0002÷ 0,02
Многозначные
Измерительные генераторы	–	0,01÷10
Калибратор напряжения и тока	10-5 до 1000 В 10-9 до 10 А	0,01÷0,05
Магазин сопротивления	10-2÷1010 Ом	0,01÷0,2
Магазин емкости	10-3÷109 пФ	0,005÷1
Магазин индуктивности	0,001÷10000 мГн с числом декад от 1 до 5	1÷5

 

Масштабные измерительные преобразователи

Масштабными называют измерительные преобразователи, предназ-наченные для изменения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измери­тельные трансформаторы тока и напряжения.

Шунты

Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. Например, такая задача возникает в случае, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока. Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно средству измерений, как показано на рис. 1.1. Если сопротивление шунта

,                                            (1.1)

где R – сопротивление средства измерений;  – коэффициент шунтирования, то ток I ₂ в п раз меньше тока I ₁.

 

 

Шунты изготавливают из манганина. В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты обычно помещают в корпус прибора, а для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Шунты могут быть многопредельными, то есть состоящими из нескольких резисторов или имеющими несколько отводов, что позволяет изменять коэффициент шунтирования. Шунты имеют классы точности от 0,02 до 0,5.

Делители напряжения

Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяют делители напряжения, которые в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное, емкостное или индуктивное сопротивление. Серийно выпускают делители напряжения (рис. 1.2), предназначенные для расширения пределов измерений компенсаторов постоянного тока. Такие делители выполняют из резисторов (сопротивление резисторов R ₁ и R ₂) на основе манганина. Они имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0,0005 до 0,01.

 

 

Для увеличения верхнего предела измерения средства измерений, например предела измерения вольтметра, имеющего внутреннее со-противление R _вн,применяют добавочные резисторы (см. рис. 1.3), включаемые последовательно с вольтметром. При этом добавочный резистор и вольтметр образуют делитель напряжения. Сопротивление добавочного резистора определяют по формуле

                       (1.2)

где U_вх – измеряемое напряжение; U_П – падение напряжения на вольтметре.

Добавочные резисторы делают из манганиновой проволоки и используют в цепях постоянного и переменного тока (до 20 кГц). Они бывают как встраиваемыми внутрь прибора, так и наружными. Калиброванные добавочные резисторы имеют классы точности от 0,01 до 1. Добавочные резисторы применяют для преобразования напряжения до 30 кВ. Значения номинального тока добавочных резисторов составляют oт 0,5 до 30 мА.

3. Измерительные усилители используютдля усиления сигналов постоянного и переменного тока, то есть для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов. На рис. 1.4 представлено под-ключение усилителя и измерительного моста.

По диапазону частот усиливаемых сигналов измерительные усилители бывают низкочастотными (20 Гц ÷ 200 кГц), высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот.

Применение электронных измерительных усилителей позволяет измерять сигналы от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью от 0,1 до 1 %. Для усиления токов и напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением используют электрометрические усилители, отличающиеся большим входным сопротивлением (до 10¹² Ом). Выпускаемые измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал величиной 10 В или 5 мА.

 

Рис. 1.4. Подключение усилителя и измерительного моста:
R ₁ ÷ R ₄ – резисторы; У – усилитель; U _вых – выходное напряжение

 

4. Измерительные трансформаторы используют для подклю-чения электроизмерительных приборов в цепь переменного тока высокого напряжения. При этом электроизмерительные приборы оказываются изолированы от цепей высокого напряжения, что обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала. Кроме того, измерительные трансформаторы позволяют расширять пределы измерения приборов, то есть измерять большие токи и напряжения с помощью сравнительно несложных приборов, предназначенных для измерения малых токов и напряжений.

Измерительные трансформа-торы подразделяют на два типа – трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Первые служат для включения вольтметров и других приборов, реагирующих на значение напряжения (например, катушек напряжения ваттметров, счетчиков, фазометров и различных реле). Вторые используются для включения амперметров и токовых катушек.

Трансформатор напряжения выполняют в виде двухобмоточного понижающего трансформатора (рис. 1.5). Для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала вторичную обмотку тщательно изолируют от первичной и заземляют. В зависимости от значения допускаемых погрешностей стационарные трансформаторы напряжения подразделяют на три класса точности: 0,5; 1 и 3, а лабораторные – на четыре класса: 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5.

Трансформатор тока выполняют в виде двухобмоточного повышающего (рис. 1.6а) или проходного трансформатора (рис. 1.6б), у которого первичной обмоткой является провод, проходящий через окно магнитопровода.

 

 

Рис. 1.6. Схема включения измерительного трансформатора тока (а)
и общий вид проходного изолятора (б): 1 – медный стержень
(первичная обмотка); 2 – вторичная обмотка; 3 – магнитопровод

 

В зависимости от значения допускаемых погрешностей трансформаторы тока подразделяют на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10 для стационарных и 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 для лабораторных.

 

1.3. Электромеханические измерительные приборы
(лабораторная работа № 1)

 

Цель работы: изучение принципа действия, схемы и конструкции электромеханических измерительных приборов.

 

Задание:

1. Изучить принципы действия, схемы и конструкции электро-механических измерительных приборов.

2. Экспериментальным путем изменить предел измерения милли-амперметра.

3. Экспериментальным путем изменить предел измерения вольт-метра.

4. Составить отчет по лабораторной работе.