foto1
foto1
foto1
foto1
foto1

Знання - це скарб, а навчання - ключ до нього.

Навчання - світло, а не навчання тьма.

Знання за гроші не купиш.

Знання - це сила, а незнання - робоча сила?

Хорошого спеціаліста робота сама шукає.

Електротехніка

Тема: Електротехнічні вимірювання та прилади.

Мета :

-визначити методи вимірювання та похибки при вимірюваннях;

-з’ясувати які є вимірювальніприлади та їх принцип дії;

-акцентувати на важливість дотримання правил  безпечної праці;

-розвинути просторову уяву про вимірювальні прилади;

-виховати наполегливість, акуратність та послідовність у роботі.

Завдання:

1.Ознайомитись з основними метрологічними поняття та похибками вимірювання.

2.Розглянути класифікація вимірювальних приладів

3.Навчитись вимірювати струм, напругу, опір, потужність та електричну енергію.

 

1.Основні метрологічні поняття.

Електричні вимірювання відіграють у техніці важливу роль. За їх допомогою контролюється робота окремих машин, агрегатів та електроустановок. Тільки вимірюючи різні величини і порівнюючи їх між собою і з вихідними даними, можна вести технологічний  процес найраціональніше.

Виміряти яку-небудь електричну величину – це значить порівняти її з однорідною величиною, яку умовно прийнято за одиницю.

Вимірювання – це знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Щоб провести вимірювання, тобто порівняти величину яку ми вимірюємо з одиницею вимірювання, необхідно мати цю одиницю – міру.

Міра – це засіб вимірювання, який призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру.

При вимірюванні використовуються не тільки міри, але і вимірювальні прилади, з допомогою яких виконується процес порівняння величини що вимірюється із одиницею вимірювання.

Вимірювальний прилад – засіб вимірювання, який призначений для відтворення сигналу вимірювальної інформації в формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігача .

 Методи вимірювань поділяються на прямі і непрямі.

Непрямим називається такий метод, при якому шукана величина безпосередньо не вимірюється, а обчислюється на основі вимірювання інших вели­чин. Наприклад вимірювання опору провіднику за допомогою амперметра і вольтметра, а  опір обчислюють за законом Ома.

 Прямі методи поділяються на методи безпосередньої оцінки і методи порівняння.

 Прилади безпосередньої оцінки ( амперметри, вольтметри, омметри, ваттметри і т.д.) дозволяють визначити числове значення вимірювальної величини за шкалою.

Прилади порівняння ( мости, компенсатори) використовують для порівняння вимірюваної величини із мірою. Їх використовують для проведення більш точних вимірювань.

До методів порівняння належать: нульовий метод; диференціальний метод; метод заміщення.

При нульовому методі дія вимірюваної величини зрівноважу­ється зустрічною дією відомої величини того самого роду. Прикладом може бути вимірювання е.р.с. компенсацією її відомою напругою.

До методів порівняння належать: нульовий метод; диференціальний метод; метод заміщення.

 Диференціальний метод передбачає вимірювання різниці між відомою і шуканою величинами.

За методом заміщення шукану величину знаходять заміщенням її відомою величиною такого значення, при якому це заміщення не викликає зміни показів вимірювальних приладів.

Показники приладу – це значення величини що вимірюється, що визначається відліком поділок та перевідним множником (наприклад, ціною поділки).

Відлік – число, яке показує шкала вимірювання приладу ( по шкалі, цифровому табло).

Ціна поділки - це значення найменшої поділки шкали вимірю­вального приладу. Щоб визначити ціну поділки, треба знайти два найближчих штрихи шкали, біля яких написані значення величини. Потім від більшого значення відняти менше й отримане число розділити на число проміжок, що знаходяться між ними.

 Похибки при вимірюванні.

Вимірювання ніколи не може бути абсолютно точним, і результат вимірювання завжди в більшій чи меншій мірі відрізняється від справжнього значення вимірюваної вели­чини.

Абсолютна похибка – це різниця між виміряним та дійсним значенням величини що вимірюється:

ΔА = Авим – А, де Авим,А – значення що вимірюється та дійсне значення; ΔА – абсолютна похибка.

Абсолютну похибку визначають в одиницях величини, що вимірюється. Абсолютну похибку взяту із знаком мінус, називають поправкою.

Відносна похибка β дорівнює відношенню абсолютної похибки ΔА до дійсного значення вимірюваної величини і виражається в процентах:  β = (ΔА / Адійс )100%.

Зведена похибка вимірювального пристрою – це відношення абсолютної похибки до номінального значення. Номінальне значення для пристрою із односторонньою шкалою дорівнює верхньому краю вимірювання, для приладу з двохсторонньою шкалою ( із нулем по середині) – арифметичній сумі верхніх країв вимірювання:  

γзв = (ΔА / Аном)100%.

Найбільше значення зведеної поправки в робочому діапазоні шкали вимірювального приладу називають основною зведеною похибкою .

 Засоби вимірювання, у–яких переважає адитивна складова похибки, характеризуються граничне допусти­мим значенням зведеної похибки, поданої у відсотках. У цьому випадку клас точності позначається у вигляді числа з десятковою комою, наприклад 1,5; 0,5; 0,02.

 Таким чином, якщо клас точності деякого засобу вимірювання позначено, наприклад, 0,5, то це означає, що граничне допустиме значення зведеної похибки γгр.д, вира­жене у відсотках, дорівнює 0,5, тобто 

γ гр = Δгр 100% /Хном = 0,5

  де Хном – номінальне значення вимірюваної величини. Знаючи клас точності, можна визначати граничне допу­стимі значення абсолютних та відносних похибок вимірювання.

Наприклад, потрібно визначити абсолютну та відносну похибку результату вимірювання струму 68,6 мА за допо­могою амперметра класу 0,2 з номінальним значенням 75 мА.

 Оскільки клас точності амперметра – це зведена похиб­ка у відсотках, то абсолютне значення похибки визначається:Δ = γ  Ін / 100%  = 0,2 75 100 = ± 0,15 мА

 Відносна похибка вимірювання δ =Δ/І100%=±0,15мА/68,6мА*100%=±0,22%

 Таким чином, абсолютна похибка результату вимірю­вання струму 68,6мА не перевищує ±0,15 мА, а відносна похибка не перевищує ±0,22%. Результат вимірювання можна записати у такому вигляді: I=(68,60±0,15) мА.

 Засоби вимірювання, в яких переважає мультиплікативна похибка, що характеризуються граничним допус­тимим значенням відносної похибки, поданої у відсотках. Клас точності в такому разі позначається у кружечку цифрою з десятковою комою, наприклад 0,1.

 Визначимо для прикладу абсолютну та відносну похиб­ки результату вимірювання напруги 0,786 В цифровим вольтметром класу 0,2. Відносну похибку вимірювання легко визначити, оскільки клас точності 0,2 – це гранично допустиме значення відносної похибки у відсотках, тоб­то δ=0,02 %.

Абсолютна похибка вимірювання   Δ = δ  U / 100%  = 0,02  0,786/ 100 = ± 0,00016 В

 Результат вимірювання напруги цифровим вольтметром доцільно подати у вигляді U=(0,78600 ± 0,00016)В.

2. Класифікація вимірювальних приладів

За принципом дії електровимірювальні прилади класифікують:

-Магнітоелектричні - принцип дії грунтується на взіемодії магнітного поля постійного магніта з рухомою рамкою по якій проходить струм. Ці прилади бувають з рухомою рамкою або з рухомим магнітом

-Електромагнітні - принцип дії грунтується на взаемодії катушки з стумом із рухомим осердям

-Теплові принцип дії грунтується на зміні провідника від нагріву при проходжені струму.

-Електродинамічні принцип дії грунвуеться на взаємодії двух провідників( катушок) зі струмом

-Феродинамічні принцип дії грунтується взаємодії катушки з магнітопроводом(феромагнітом)

-Електростатичні принцип дії оснований на статичній взаемодії двох пластин.

Таблиця 1.  Умовні позначення основних систем вимірювальних приладів

з/п

Найменування системи і 

перетворювача

Умовна  позначка

Звичайний 

вимірювальний 

механізм

Логометричний 

вимірювальний 

механізм

1

2

3

4

1

Магнітоелектричний прилад 
з рухомою  рамкою

2

Магнітоелектричний прилад 
з рухомим магнітом

3

Електромагнітний прилад

4

Електромагнітний 
поляризований прилад

 

5

Електродинамічний прилад

6

Феродинамічний прилад

7

Індукційний прилад

8

Електростатичний прилад

 

9

Вібраційний прилад 
(язичковий)

 

10

Тепловий прилад 

(із дротом, що нагрівається)

 

11

Біметалевий прилад

 

12

Термоелектричні перетворювачі з неізольованою 
й ізольованою термопарами

 

13

Перетворювач з напівпровідниковим випрямлячем

 

14

Перетворювач з електромеханічним випрямлячем

 

15

Електронний перетворювач

 

16

Вібраційно-імпульсний 
перетворювач

 

Таблиця 2  Умовні позначення приладів, що вимірюють електричні величини

Вид величини, що вимірюється

Назва приладів

Умовні позначки

Струм

Міліамперметр, амперметр, 

кілоамперметр

Напруга

Мілівольтметр, вольтметр, 

кіловольтметр

Електрична 
потужність

Ватметр, кіловатметр

Електрична 

енергія

Лічильники активної 
і реактивної енергії

Зсув фаз

Фазометр

           

Частота

Частотомір

Електричний опір

Омметр, мегомметр

 Таблиця 3 – Умовні позначення умов експлуатації вимірювальних приладів

з/п

Особливості електровимірювальних 

приладів

Умовна позначка

1

Прилад постійного струму

2

Прилад однофазного змінного струму

3

Прилад трифазного струму 
для несиметричного навантаження фаз

4

Прилад трифазного струму з двохелементним вимірювальним механізмом

5

Захист від зовнішніх магнітних полів, 

наприклад, 2 мТл

6

Захист від зовнішніх електричних полів, наприклад, 10 кВ/м 

7

Клас точності при нормуванні похибки 
у відсотках від діапазону виміру, 
наприклад 1,5

1,5

8

Клас точності при нормуванні похибки 
у відсотках від довжини шкали, 
наприклад, 1,5

9

Горизонтальне положення шкали

10

Вертикальне положення шкали

11

Похиле положення шкали під визначеним кутом,  наприклад, 60º

12

Напрямок орієнтування приладу 
в земному магнітному полі

13

Вимірювальне коло ізольоване від корпуса і випробуване напругою, наприклад, 1 кВ

14

Випробуванню міцності ізоляції не підлягає

15

Обережно! Міцність ізоляції вимірювального кола відносно корпуса не відповідає нормам (знак виконується червоним кольором) 

По ступені точності електровимірювальні примади поділяють на:

-Точні (лабораторні прилади) –1-3клас – 0,05; 0,1 ; 0,2

-Зразкові (включаються при вимірювані) 4-5 клас – 0,5 ; 1; 1,5

-Індикаторні (постійно включені в схему) 6-9 клас- 2,5; 4; 6

За ступенем захищеності від зовнішніх полів прилади поділяються на чотири категорії, які позначаються римськими цифрами І, ІІ, III, IV. Додаткова похибка від зовнішніх полів для цих категорій відповідно не повинна перевищувати 0,5; 1,0; 2,5; 5%.

Залежно від умов експлуатації прилади поділяються на три групи:

група А – прилади, призначені для роботи в сухих опалюваних приміщеннях;

група Б – для роботи в закритих неопалюваних приміщеннях;

група В – для роботи в польових і морських умовах.

За видом вимірювальних величин прилади класифікують

 При використані приладів необхідно дотримуватись правил з техніки безпеки:

- Забороняється перевіряти наявність струму в електричному колі пальцями рук «на дотик».

-Для вимірювання ел.величин використовувати відповідні прилади.

-Дотримуватись полярності підключення

-Вимірювальна величина не повинна перевищувати допустиме значення вимірювального приладу.

3.Вимірювання струму, напруги,  опору, потужності та електричної енергії .

Вимірювання струмів в електричних колах проводять за допомогою амперметрів, включаючи їх послідовно.

Для вимірювання струму, який є більшим від номінального значення амперметра, в колах постійного струму використовують шунти, а в колах змінного струму – вимірювальні трансформатори струму.

 amper1amper

 Шунт – це опір, який включається послідовно в коло що вимірюється, а амперметр підключається до нього паралельно.

Опір шунта: rш= rА / (n – 1),

де rА – опір амперметра, Ом; n = I / IA - коефіцієнт шунтування, що показує у скільки разів збільшується межа виміряння амперметра із включеним шунтом; I – струм, що вимірюється, А; IA – струм, що проходить через амперметр, А.

{youtube}9eKwojpwXSI{/youtube}

Вимірювання напруги виконують за допомогою вольтметру, який підключають паралельно до тієї ділянки кола на якій необхідно провести вимірювання.

Для розширення меж вимірювання вольтметра на постійному струмі використовують додаткові опори, на змінному струмі – додатковий опір та вимірювальні трансформатори напруги.

voltvolt1

Додаткові опори підключають послідовно із вольтметром: rд= rв (m – 1),

де rд– додатковий опір, Ом; rв – опір вольтметра, Ом; m – число, що показує у скільки разів необхідно збільшити межу вимірювання вольтметра.

Найпростішим безшкальним приладом  для виявлення напруги є неоновий проб­ник. За допомогою цього приладу можна виявляти наявність напруги в електричному колі та на окремих його ділянках, а також визначати провід, який перебуває під напругою.

 

Принцип дії пробника ґрунтується на проходженні через нього електричного струму. Під час користування пробни­ком його ручку (ізоляційний корпус) затискують великим і середнім пальцями руки, а вказівним - натискують на верхній металевий контакт. Тіло людини відіграє роль «за­землення» , коли нижнім металевим контактом (щупом) тор­каються до струмопровідного елемента електричного кола. Щоб обмежити значення сили струму, що проходить через неонову лампу, та запобігти ураження людини електричним струмом, перед лампою монтують резистор (опір). Не­доліком такого інструмента є те що він лише фіксує наявність напруги в електричному колі, проте не дає можливості виміряти її значення. 

 Вимірювання опору. Найбільш поширений спосіб – спосіб амперметра та вольтметра, що базується на основі використання закону Ома для ділянки кола: Rx= U / I,

де Rx– опір, що вимірюється, Ом; U – падіння напруги на опорі що вимірюється, В; I – струм, що проходить через цей опір, А.

Якщо не потрібна велика точність вимірювання, то можна скористатись показами амперметра та вольтметра і розрахувати опір за вище згаданою формулою. Для вимірювання малих опорів з великою точністю використовують формулу: Rx= U /( I – (U / rв)),

де U – напруга, що вимірюється вольтметром, В; I – струм, що вимірюється амперметром, А; rв– опір вольтметра, Ом.

Схему  можна використовувати для визначення дійсного значення великого опору; тоді Rx= (U – Irа) / I,

де U – напруга виміряна вольтметром, В; I – струм виміряний амперметром, А; rа– опір амперметра, Ом.

Значно точніше опір може бути виміряний за допомогою мостів постійного струму.

Найпростіша схема моста представлена на рис.

В одне із плечей моста включають опір, що вимірюється та, змінюючи опір будь – якого плеча, досягають відсутності струму у вимірювальній діагоналі – індикатор нуля повинен показувати нуль. Тоді Rx= R1 R3 / R2 .

Потужність кола постійного кола можна визначити :

- за допомогою амперметра та вольтметра: P = UI, де U – покази вольтметра, що включений на ділянці де визначається потужність, В; I – покази амперметра на тій же ділянці кола, А.

- за допомогою ватметра.

vat1vat

Активну потужність в колах змінного струму вимірюють також ватметром. Для розширення меж вимірювання використовуються вимірювальні трансформатори струму та напруги.

В трьохфазному трьох провідному колі при рівномірному навантаженні для вимірювання активної потужності використовують один ватметр, який підключений в одну із фаз. Для визначення потужності всього трьох фазного кола необхідно покази ватметра помножити на три, тобто:

Р = 3Р1 = 3 Uф Iф cos φ.

В трьох фазному трьох провідному колі при рівномірному чи нерівномірному навантаженні активну потужність всього кола вимірюють за допомогою двох ватметрів:

Р = Р1 ±Р2,

де Р12 – покази першого та другого ватметрів, Вт:

Р1 = UАС IА cosφ1; Р2 = UВС IВ cos φ2,

де γ1 – фазовий здвиг між векторами UАС та IА ; φ2 – фазовий здвиг між векторами UВС та IВ.

Для рівномірного навантаження:

Р1 = UЛ IЛ cos ( 30˚-φ); Р2 = UЛ IЛ cos ( 30˚+ φ),

деφ– фазовий здвиг між напругою та струмом у фазі.

В трьох фазному чотирьох провідному колі для вимірювання активної потужності використовують метод трьох ватметрів:

Р = Р1 + Р2 + Р3, де Р1, Р2 3 – показники кожного ватметра, Вт.

Показ ватметра визначають по відліку ( по поділках шкали), і множать на ціну поділки ватметра.

Ціна поділки ватметра:Cw = Uном Iном / amax ,

де Uном - номінальне значення напруги, В; Iном - номінальне значення струму, А; amax – максимальне число поділок ватметра.

Вимірювання електричної енергії.

Вимірювання електричної енергії однофазного змінного струму виконують за допомогою електричних лічильників з індукційними вимірювальними механізмами.

lich

W = CN,

де W – енергія, яка дійсно витрачена в мережі, кВт ч; С – дійсна постійна лічильника; N – число обертів диска лічильника.

Дійсна постійна лічильника – це кількість енергії, яка пройшла через лічильник за час одного оберту диска.

Енергія, врахована лічильником,

W1 = Cном N,

де Cном– номінальна постійна лічильника, тобто кількість енергії, що враховується лічильним механізмом за один оберт диска.

Для визначення енергії, що була використана за якийсь проміжок часу, необхідно із показів його в кінці вимірювання відняти покази які були на початку.

Знаючи постійні С та Сном , можна визначити відносну похибку лічильника:

β = (W1– W) / W = [(Cном- С) / С] 100%.

 Поправочний коефіцієнт лічильника К – це відношення дійсно використаної енергії до енергії врахованої лічильником:

К = W / W1 = СN / ( CномN) = C / Cном.

Для вимірювання електричної енергії  використовують прилади індукційної системи.

Принцип дії при­ладу індукційної системи ґрунтується на явищі взаємодії між вихро­вими струмами, що проходять у рухомій частині приладу, і магнітними потоками, які створюються в його нерухомій частині. У результаті взаємодії між вихровими струмами і магнітними потоками на рухому частину діє обертаючий момент, і вона обертається.

З самого принципу дії випливає, що прилади індукційної системи можуть бути використані тільки в колах змінного струму, оскільки в колах постійного струму вихрові струми не виникатимуть.