Урок № 57. Назначение, виды и методы электрических измерений.
Измерение – это сравнения физической величины, которая измеряется, с
некоторым значением такой же величины, принятым за единицу измерения.
Они измеряются специальными устройствами — средствами измерения. Существуют различные методы измерений, методы оценки измерений, а также
погрешности при измерениях.
Измерения проводят прямым и косвенным путем
Прямые –это когда нужное значение измеряемой величины определяется
по шкале (дисплею) прибора.
К таким относятся измерение электроэнергии счетчиком, напряжения и
тока – амперметром и вольтметром соответственно и пр.
Косвенное — искомое значение нужной величины находят на основании
аналитической зависимости (например формулы) между необходимой величиной и величинами, полученными при помощи прямых измерений. То есть
эти измерения позволяют сократить количество проводимых измерений, а
вычислить нужные значения с помощью формул. Например,
измеряв
U и I вычисляем R —
Измерения могут проводится различными способами и, соответственно,
средствами. Соответственно такие измерения нужно оценить, для этого существуют методы непосредственной оценки и методы сравнения.
Методы непосредственной оценки и методы сравнения
Непосредственная оценка. При применении данного метода значение
нужной величины вычисляют по шкале прибора (тока — по амперметру,
напряжения — по вольтметру и пр.). Он довольно прост, но не отличается
сравнительно высокой точностью.
Сравнения. Состоит в том, что величина, которая измеряться, сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Он обеспечивает точность, большую, чем метод непосредственной оценки, но процесс измерения значительно усложняется. У метода сравнения есть несколько разновидностей:
дифференциальной, нулевой и замещения.
При нулевом методе стараются свести влияние на измерительное
устройство измеряемых величин до нуля. Пример — с помощью уравновешенного моста для измерения электрического сопротивления.
При методе замещения величину, которая подлежит измерению замещают известной величиной, которая воспроизводится мерой. При этом, изменяя известную величину, добиваются точно такого же показания прибора,
как и то, которое действовало при действии измеряемой величины. Таким образом устанавливают погрешность. При использовании дифференциального
метода разность между величиной и измеряемой величиной, воспроизводимой мерой действуют на измерительный прибор. Пример — с помощью неуравновешенного моста измерение электрического сопротивления.
Урок № 58. 59. Погрешность. Расширение пределов измерения.
Расчет шунта и добавочного резистора.
Известно, что приборов с точностью абсолютной не существует в мире, то
каждый прибор характеризуется погрешностью. Они делятся на относительные, абсолютные и приведенные.
Погрешность абсолютная А — это разность между фактическим значением шкалы прибора А и действительным значением измеряемой величины
АД:
Погрешность относительная — это отношение погрешности абсолютной
∆ к фактическому значению измеряемой величины А. Выражается она в процентах:
Погрешность приведенная — представляет собой ничто иное как отношение абсолютной погрешности ∆ к нормирующему значению АN измеряемой
величины:
Обычно нормирующее значение принято принимать равным верхнему пределу измерения для прибора.
Погрешности бывают: систематические и случайные
Погрешность систематическая. Она остается постоянной, но может и меняться по любому, но определенному закону. Значение ее всегда учитывается
путем введения соответствующих поправок, для минимизации влияние погрешностей.
Погрешность случайная. Она появляется непредсказуемо и изменяется по
случайному закону. Их нельзя исключить, но можно систематизировать и минимизировать их влияние произведя несколько измерений.
Также на появление погрешностей производит влияние и условия эксплуатации приборов. Поэтому, погрешности могут быть двух видов: основная и
дополнительная.
Погрешность основная. Она появляется на измерительных приборах, которые находятся в нормальных условиях эксплуатации (атмосферное давление,
влажность, температура внешней среды, напряжение и пр.).
Погрешность дополнительная. Она происходит тогда, когда устройство
не эксплуатируется в нормальных условиях.
Уровень точности приборов характеризуется классом точности. Для электроизмерительных приборов установлены такие классы точности как: 0,05;
0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4.
Цифры эти указывают основную приведенную погрешность γ, которая показывается в процентах. Абсолютная ∆ и относительная δ погрешности могут
быть представлены в таком виде:
Вывод, что при измерении электрических величин следует учитывать
класс точности прибора и условия окружающей среды. Для более высокой
точности измерений необходимо использовать различные методы измерений.
Для исключения влияния случайных факторов нужно провести одно и тоже
измерение несколько раз.
Расширение пределов измерения приборов.
Обмотка амперметра рассчитана на небольшие токи. Для увеличения пределов измерения амперметра применяют шунты. Рисунок 11.9 поясняет вывод формулы сопротивления шунта. Обозначения на рисунке: Rm — сопротивление шунта; RA — сопротивление амперметра; I — измеряемый ток; /ш —
ток, протекающий через шунт; IА — максимально допустимый ток амперметра; п = П1А — коэффициент расширения пределов измерения амперметром.
В соответствии с рис. 11.9 имеем
Выведенная для Rm формула позволяет по известному сопротивлению амперметра и заданному коэффициенту расширения пределов измерения подсчитать сопротивление шунта.
Рис. 11.9
Для расширения пределов измерения вольтметра применяют добавочные
сопротивления, которые включают последовательно с обмоткой вольтметра
(рис.11.10). Обозначения на рисунке:
Rдоб - добавочное сопротивление; Rv — сопротивление вольтметра; U — измеряемое напряжение; Uv - максимально допустимое напряжение вольтметра; Iv — ток, протекающий через вольтметр; m = U/Uv — коэффициент
расширения пределов измерения вольтметром.
Рис. 11.10
В соответствии с рис. 11.10 получим
Последняя формула позволяет по заданному коэффициенту расширения
пределов измерения и известному сопротивлению вольтметра найти добавочное сопротивление.
Помимо шунтов и добавочных сопротивлений в схемах переменного тока
для расширения пределов измерения применяются измерительные трансформаторы, которые одновременно обеспечивают безопасность операторов при
измерениях в высоковольтных цепях.
Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в
ветвь, где измеряется ток, а вторичная обмотка подсоединяется к зажимам
амперметра.
Первичная обмотка трансформатора тока содержит один или несколько
витков, вторичная обмотка — большое число витков. Для обеспечения безопасности один конец вторичной обмотки заземлен. Шкала амперметров,
включаемых через трансформатор тока, рассчитана на 5 А (реже на 1 А).
Пределы измерений трансформаторами тока расширяются в к раз, где к —
коэффициент трансформации.
Трансформатор напряжения изменяет пределы измерения вольтметра
также в k раз. Многовитковая первичная обмотка трансформатора напряжения подключается параллельно участку, напряжение на котором измеряется,
а вторичная обмотка — к зажимам вольтметра. Число витков вторичной обмотки меньше, чем первичной.