Электрические измерения и приборы

Электрические измерения и приборы.

Виды и методы электрических измерений. Основные понятия метрологии. Классификация погрешностей. Класс точности измерительных приборов.

Классификация электроизмерительных приборов. Измерения в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты. Измерение тока. Измерения напряжения. Измерение мощности. Учет производства и потребления электрической энергии. Измерение параметров электрических цепей. Измерение неэлектрических величин электрическими методами. Использование цифровых приборов для измерения различных величин.

[1], с. 146 – 178; [2], с. 89 – 113.

6. Электрические измерения и электроизмерительные приборы.. 2

6.1. Виды и методы электрических измерений. 2

6.1.1. Основные понятия метрологии. 2

6.1.2. Погрешности измерений. Номинальные величины и постоянные приборов. Условные обозначения электроизмерительных приборов. 3

6.1.3. Классификация электроизмерительных приборов. 6

6.2. Измерения в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты.. 10

6.2.1. Измерение тока. 10

6.2.2. Измерения напряжения. 12

6.2.3. Измерение мощности. 13

6.2.4. Учет производства и потребления электрической энергии. 15

6.2.5. Измерение параметров электрических цепей. 17

6.3. Измерение неэлектрических величин электрическими методами. 23

6.4. Использование цифровых приборов для измерения различных величин. 26

6. Электрические измерения и электроизмерительные приборы

6.1. Виды и методы электрических измерений

6.1.1. Основные понятия метрологии

6.1.2. Погрешности измерений. Номинальные величины и постоянные приборов. Условные обозначения электроизмерительных приборов.

6.1.2.1. Погрешности измерений и электроизмерительных приборов.

Показания электроизмерительных приборов несколько отличаются от действительных значений измеряемых величин. Это вызвано непостоянством параметров измерительной цепи (изменение температуры, индуктивности и т. п.), несовершенством конструкции измерительного механизма (наличие трения и т. д.) и влиянием внешних факторов (внешние магнитные и электрические поля, изме­нение температуры окружающей среды и т. д.).

Разность между измеренным А _и и действительным А _д значениями контролируемой величины называется абсолютной погрешностью измерения:

Δ А = А _и─ А _д.

Если не учитывать значения измеряемой величины, то абсолютная погрешность не дает представления о степени точности измерения. Действительно, предположим, что абсолютная погрешность при измерении напряжения составляет D U = 1 В. Если указанная погрешность получена при измерении напряжения в 100 В, то измерение произведено с достаточной степенью точности. Если же погрешность D U = 1 В получена при измерении напряжения в 2 В, то степень точности недостаточна. Поэтому погрешность измерения принято оценивать не абсолютной, а относительной погрешностью.

Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значе­нию измеряемой величины, выраженное в процентах:

. (7.3)

Поскольку действительное значение измеряемой величины при измерении не известно, для определения Δ U и γ можно воспользоваться классом точности прибора, представляющим собой обобщенную характеристику средств измерений, определяемую предельными допустимыми погрешностями.

Амперметры, вольтметры и ваттметры подразделяются на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, обозначающая класс точности, определяет наибольшую положи­тельную или отрицательную основную приведенную погрешность, которую имеет данный прибор.

Под основной приведенной погрешностью прибора пони­мают абсолютную погрешность, вы­раженную в процентах по отношению к номинальной величине прибора:

(7.4)

Например, прибор класса точности 0,5 имеет γ_np= ±0,5%. Погрешность γ_пр называется основной, так как она гарантирована в нормальных условиях, под которыми понимают температуру окружающей среды 20 °С, отсутствие внешних магнитных полей, соответствующее положение прибора и т. д. При других условиях возникают дополнительные погрешности. Погрешность γ_пр называется приведенной, потому что абсолютная погрешность независимо от значения измеряемой величины выражается в процентах по отношению к постоянной величине А _ном.

Сравнивая (7.3) и (7.4), нетрудно получить

. (7.5)

Из (7.5) следует, что относительная погрешность измерения зависит от действительного значения измеряемой величины и возрастает при ее уменьшении. Вследствие этого надо стараться по возможности не пользоваться при измерении начальной частью шкалы прибора. В случае необходимости измере­ния малых величин следует применять другие приборы.

Пример 7.1. Номинальное напряжение вольтметра U _ном= 150 В, класс точности 1,5. С помощью вольтметра измерено напряжение U = 50 В.

Определить абсолютную и относительную величину погрешности измерения, а также действительное значение напряжения.

Решение. Абсолютная погрешность измерения

.

Действительное значение напряжения может лежать в пределах

U _д = U _и ─ Δ U = (50 ± 2,25) В.

Относительная погрешность измерения

6.1.2.2. Номинальные величины приборов.

Наибольшие значения напряжений, токов и мощностей, которые могут быть измерены перечисленными приборами называются номинальными напряжениями U _ном, токами I _ном и мощностями P _ном соответственно вольтметров, амперметров и ваттметров.

Номинальная мощность ваттметра в отличие от его номинальных напряжения и тока указывается не всегда. Для ваттметра номинальное напряжение представляет собой наибольшее напряжение, на которое может быть включена обмотка напряжения; номинальным током является наибольший ток, на который рассчитана последовательная обмотка.

Если номинальная мощность ваттметра не дана, то ее можно подсчитать по номинальному напряжению и току:

P _ном= U _ном I _ном .

6.1.2.4. Постоянные приборов

Постоянная (цена деления) прибора представляет собой значение измеряемой величины, вызывающее отклонение подвижной части прибора на одно деление шкалы. Постоянные вольтметра, амперметра и ваттметра могут быть определены следующим образом:

C _U = U _ном / N,вольт на одно деление;

C _I = I _ном / N,ампер на одно деление;

C _P = U _ном I _ном / N,ватт на одно деление;

где N — число делений шкалы соответственно вольтметра, амперметра и ваттметра.

Пример 7.2. Ваттметр имеет номинальное напряжение U _ном= 150В, номинальный ток: I _ном = 5 А, число делений шкалы N = 150.

Определить номинальную мощность и постоянную ваттметра, а также его показание, если при измерении мощности подвижная часть отклонилась на N = 60 делений.

Решение. Номинальная мощность ваттметра P _ном = U _ном I _ном = 150 · 5 = 750 Вт.

Постоянная ваттметра C _P = P _ном / N = 750/150 = 5 Вт/дел.

Показание ваттметра при отклонении его подвижной части на N = 60 делений

P = C _P N = 5 · 60 = 300 Вт.

6.1.2.5. Чувствительность приборов

Под чувствительностью приборов понимают число делений шкалы, приходящееся на единицу измеряемой величины. Чувствительность вольтметра, амперметра и ваттметра может быть опреде­лена следующим образом:

S _U = N / U _ном , делений на вольт;

S _I = N / I _ном , делений на ампер;

, делений на ватт.

Очевидно, что S = 1/ С.

6.1.3. Классификация электроизмерительных приборов

6.2. Измерения в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты

На практике применяют различные методы измерения электрических величин. Условно их можно разделить на прямые, косвенные и совокупные. Кроме того, они делятся на методы непосред­ственной оценки и на методы сравнения.

Наибольшее распространение получил метод непосредственной оценки. При этом числовое значение измеряемой величины определяется непосредственно по показаниям прибора, например величину тока по показаниям амперметра, напряжения – по показаниям вольтметра, сопротивления – по показаниям омметра и т.д. Это прямые измерения. Если измеряемая величина определяется по данным измерения других электрических величин путем вычисления этой величины, то такое изме­рение называется косвенным. Например, определение сопротивления по показаниям амперметра и вольтметра.

Метод сравнения широко используется для точных измерений. Он заключается в сравнении измеряемой величины с образцовой мерой такой же физической природы. Метод сравнения осуществ­ляется с помощью мостовых или компенсационных схем.

6.2.1. Измерение тока

6.2.2. Измерения напряжения

6.2.3. Измерение мощности

6.2.4. Учет производства и потребления электрической энергии

6.2.5. Измерение параметров электрических цепей

6.3. Измерение неэлектрических величин электрическими методами

Характерной чертой измерительных приборов со стрелочным указателем является некоторая субъективность в измерениях при определении положения стрелки на шкале прибора. Цифровые измерительные приборы (ЦИП) с цифровыми индикаторами лишены этого недостатка. Они широко применяются для измерения частоты, интервалов времени, напряжения и т.д.

ЦИП преобразуют измеряемую величину в дискретные или квантовые значения, осуществляют цифровое кодирование и выдачу результатов измерений в цифровом виде. К преимуществам ЦИП можно от­нести: достаточно широкий диапазон измеряемых величин с высокой точностью измерений, возможность представления результатов измерения в цифровом виде, запись их цифропечатающим устройством, а также ввод в ЦВМ с последующей обработкой получаемой инфор­мации и дальнейшим ее использованием.

6.4. Использование цифровых приборов для измерения различных величин