Метрология и измерительная техника

ПСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

В.М.Коробов

МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Методические указания к лабораторным работам

(для студентов всех форм обучения электромеханического факультета

и факультета информатики)

 

 

Псков

Издательство ППИ

УДК 621.3

ББК 31.2

С 60

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом

Псковского государственного политехнического института

Рецензент

· Федоров А.А., ст.преподаватель кафедры электроэнергетики

В.М.Коробов. Метрология и измерительная техника. Методические указания к лабораторным работам. Для студентов всех форм обучения электромеханического факультета и факультета информатики. Псковский государственный политехнический институт. – Псков: Изд-во ППИ, 2011 – 43с.

 

В методических указаниях приведены основные теоретические положения, описания лабораторных работ, методика их проведения, расчетно-графические задачи и контрольные вопросы.

 

Лабораторные работы выполняются на компьютерах с использованием специальной программы «Виртуальная лаборатория электротехники».

 

Методические указания к лабораторным работам «Метрология и измерительная техника» предназначены для студентов всех форм обучения электромеханического факультета и факультета информатики.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Общие правила выполнения лабораторных работ 4

Лабораторная работа № 1 6

Исследование методов измерения больших и малых сопротивлений (метод амперметра и вольтметра) 6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

Исследование методов измерения активной мощности в трёхфазной трёхпроводной сети

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.

Исследование методов измерения реактивной мощности в трёхфазной сети

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.

Исследование измерительных трансформаторов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.

Расчет погрешностей при измерениях косвенным методом

Литература

 

Введение

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Выполнение лабораторных работ, изложенных в методических указаниях, является важной составной частью курса «Метрология, стандартизация и сертификация» и «Информационно-измерительная техника». Эти работы способствуют закреплению и углублению знаний, приобретенных на лекционных занятиях. В данном пособии рассмотрены основные методы измерения электрических величин в цепях постоянного, однофазного переменного и трехфазного переменного тока, оценки погрешностей измерений. Предложены варианты расчетно-графических задач и контрольных вопросов. Студенты получают возможность ознакомиться с применением вычислительной техники для моделирования режимов работы электрических цепей и схем измерений.

 

Лабораторная работа № 1

Исследование методов измерения больших и малых сопротивлений (метод амперметра и вольтметра)

Цель работы

1. Изучение методов и средств измерения сопротивлений.

2. Ознакомление с методикой измерения сопротивлений приборами

непосредственной оценки.

 

Описание лабораторной установки

В данной лабораторной работе измерение сопротивлений осуществляется методами непосредственной оценки. С этой целью на виртуальном лабораторном стенде (рис.1.3) смоделированы управляемый выпрямитель, измерительные прибора магнитоэлектрической системы и органы управления.

 

Рис.1.3. Общий вид виртуального лабораторного стенда

 

Подготовка к работе

1. Для схем рис.1.1 и рис.1.2 записать выражения для определения величины сопротивления по показаниям амперметра и вольтметра и мощности, рассеиваемой сопротивлением при известных номинальном токе и номинальном напряжении

2. Вывести выражения для определения относительных погрешностей измерения сопротивлений для схем рис.1.1 и 1.2, если известны значения сопротивлений вольтметра амперметра и действительные значения сопротивлений

3. Рассчитать относительные погрешности измерения сопротивлений для заданных в таблице 1.1 вариантов.

Таблица 1.1

Заданный параметр	Ед.измерения	Номер варианта (бригады)
		0,001	0,001	0,002	0,002	0,004	0,003
(рис.1.1)
(рис.1.2)		0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	0,9

Рабочее задание

1. Внимательно изучить общий вид виртуального лабораторного стенда.

2. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему для измерения большого сопротивления (см. рис.1.1). В схеме использовать приборы: вольтметр с пределом измерения и миллиамперметр с пределом измерения Произвести измерения при пяти значениях напряжения. Результаты измерений занести в таблицу 1.2.

3. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать ошибочную схему для измерения большого сопротивления (см. рис.1.2). В схеме использовать те же приборы, что и в предыдущем пункте. Произвести измерения при пяти значениях напряжения. Результаты измерений занести в таблицу 1.2.

4. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему для измерения малого сопротивления (см. рис.1.2). В схеме использовать амперметр с пределом измерения и милливольтметр с пределом измерения . Измерения произвести при пяти значениях напряжения. Результаты измерений занести в таблицу 1.2.

5. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать ошибочную схему для измерения малого сопротивления (см. рис.1.1). В схеме использовать те же приборы, что и в предыдущем пункте. Произвести измерения при пяти значениях напряжения. Результаты измерений занести в таблицу 1.2.

 

Таблица 1.2

№ п/п

Большое сопротивление

Малое сопротивление

Схема рис.1.1

Схема рис.1.2

Схема рис.1.2

Схема рис.1.1

1.

…

5.

 

6. На основании опытных данных рассчитать величины измеренных сопротивлений. Вычислить среднее арифметическое значение сопротивления.

7. Зная действительные значения сопротивлений (вариант из таблицы 1.1), определить абсолютные и относительные погрешности их измерений с помощью схем рис.1.1 и 1.2.

8. Сделать выводы по полученным результатам.

 

Вопросы к защите работы

1. Особенности измерения малых сопротивлений.

2. Особенности измерения больших сопротивлений.

3. Пояснить причины возникновения погрешности в методе “амперметра и

вольтметра” при измерении сопротивлений.

4. Определить относительную погрешность измерения сопротивления по схеме рис. 1.1, если ; ; .

5. Определить относительную погрешность измерения сопротивления по схеме рис. 1.2, если ; ; .

Лабораторная работа № 2

Цель работы

1. Изучение методов измерения активной мощности в цепях переменного тока.

2. Изучение методов измерения активной мощности в цепях трёхфазного переменного тока.

3. Изучение методов и средств измерения угла сдвига фаз и коэффициента мощности в однофазных и трёхфазных цепях переменного тока.

 

Подготовка к работе

1. Начертить схему для измерения активной мощности однофазной цепи переменного тока с помощью ваттметра для случая, когда сопротивление нагрузки много больше сопротивления токовой цепи ваттметра. Определить показание ваттметра для заданного в таблице 2.1 варианта, если известны значения напряжения , сопротивление нагрузки и коэффициента мощности нагрузки .

2. Начертить схему для измерения активной мощности трёхфазной симметричной системы методом одного ваттметра при включении нагрузки

звездой с доступной нулевой точкой. Определить показание ваттметра, активную мощность всей системы и построить в масштабе векторную диаграмму для заданных в таблице 2.1 значений линейного напряжения ,

сопротивления резистора и ёмкости конденсатора , соединённых последовательно в каждой фазе.

3. Начертить схему для измерения активной мощности трёхфазной симметричной системы методом одного ваттметра при включении нагрузки звездой с недоступной нулевой точкой. Для заданных в таблице значений , и , соединенных последовательно в каждой фазе, построить в масштабе векторную диаграмму.

4. Рассчитать показания ваттметров W1 и W2 (метод двух ваттметров) для трёх вариантов нагрузки:

1 вариант – только ,

2 вариант – только ,

3 вариант – и соединены последовательно.

Значения , , ,приведены в таблице 2.1. Для каждого из вариантов построить в масштабе векторную диаграмму и, зная показания ваттметров, определить активную мощность всей трёхфазной системы.

5. Рассчитать показания каждого из ваттметров W1 и W2 (метод двух ваттметров) и определить активную мощность трёхфазной системы для случая несимметричной нагрузки, когда в фазе А включён только , в фазе В – только , а в фазе С – и , соединенные последовательно. Необходимые данные для расчёта приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1

Заданный параметр	Ед. измер.	Номер варианта (бригады)
	-	0.8	1.0	0.9	1.0	0.8	0.9

 

Рабочее задание

1. Внимательно изучить общий вид виртуального лабораторного стенда.

2. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему (см. рис. 2.1, 2.2, 2.4) для измерения активной мощности трёхфазной системы методами одного, двух и трёх ваттметров. По показаниям приборов комплекта К - 50 определить значения напряжения, тока, мощности в каждой фазе трёхфазной системы и значения мощности и , измеряемые ваттметрами, для различных характеров нагрузки (). Данные измерений занести в таблицу 2.2.

3. По результатам измерений рассчитать значения активной и полной мощности трёхфазной системы. Расчёт активной мощности произвести для

методов измерения одним , двумя и тремя ваттметрами. Результаты вычислений занести в таблицу 2.2.

Принимая значения активной мощности трёхфазной системы, измеренные методом трёх ваттметров, за действительные, определить абсолютную и относительную погрешности измерения активной мощности

двумя другими методами.

4. По рассчитанным значениям и определить значения коэффициента мощности трёхфазной системы и угла сдвига фаз .

5. По данным таблицы 2.2 рассчитать значения реактивной мощности трёхфазной системы для различных характеров нагрузки.

 

Таблица 2.2

Нагрузка

измерено

вычислено

Ua

Ia

Pa

Ub

Ib

Pb

Uc

Ic

Pc

P1

P2

P1w

P2w

P3w

Q3w

S

cosφ

В

А

Вт

В

А

Вт

В

А

Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

вар

ВА

-

R симметр.

С симметр.

R-C симметр.

R-C не симметр.

L симметр.

R-L симметр.

R-L не симметр.

 

6. Проанализировать полученные данные и составить отчёт по работе.

7. Построить совмещённую векторную диаграмму токов и напряжений для случая несимметричной нагрузки.

 

Вопросы к защите работы

1. Каковы особенности измерения коэффициента мощности в симметричных и несимметричных трёхфазных цепях переменного тока?

2. При каком условии показания ваттметров в схеме измерения активной мощности в трёхфазной цепи методом двух ваттметров равны между собой?

3. При каком условии показание одного из ваттметров в схеме измерения активной мощности в трёхфазной цепи методом двух ваттметров равно нулю?

4. В симметричной трёхфазной цепи переменного тока при измерении активной мощности методом двух ваттметров показания приборов равны и . Чему равно значение коэффициента мощности цепи?

5. С какой целью производится разметка зажимов ваттметров?

6. В чём состоит особенность трёхфазных трёхэлементных ваттметров?

7. Каковы особенности включения однофазных ваттметров и элементов ваттметров в трёхфазные цепи по схемам с замещенными напряжениями?

8. Как можно определить характер нагрузки цепи симметричного трёхфазного тока по показаниям приборов при измерении активной мощности методом двух ваттметров?

 

 

Лабораторная работа № 3

Цель работы

1. Изучение методов измерения реактивной мощности в цепях переменного тока.

2. Изучение методов измерения реактивной мощности в цепях трёхфазного переменного тока.

 

Подготовка к работе

1. Начертить схему для измерения реактивной мощности трёхфазной трёхпроводной симметричной системы методом одного ваттметра при включении нагрузки звездой и последовательном соединении и в каждой фазе. Рассчитать показание ваттметра для заданных значений , и согласно таблице 3.1, определить реактивную мощность трёхфазной системы и построить в масштабе векторную диаграмму.

2. Начертить схему для измерения реактивной мощности несимметричной трёхфазной нагрузки методом двух ваттметров. Рассчитать показания каждого из ваттметров и определить реактивную мощность трёхфазной системы для нагрузки, когда в фазе А включён только , в фазе В – только , а в фазе С – и , соединенные последовательно. Необходимые данные для расчёта приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Заданный параметр	Ед. измер.	Номер варианта (бригады)
	-	0.8	1.0	0.9	1.0	0.8	0.9

Рабочее задание

1. Внимательно изучить общий вид виртуального лабораторного стенда.

2. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему (см. рис. 3.1) для измерения реактивной мощности трёхфазной системы методом одного ваттметра для различных характеров симметричной нагрузки (). По показаниям ваттметра W определить значение реактивной мощности трёхфазной системы . Данные занести в таблицу 3.2.

2. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему (см. рис. 3.1) для измерения реактивной мощности трёхфазной системы методом двух ваттметров для различных характеров симметричной и несимметричной нагрузки (). По показаниям ваттметров W1 и W2 определить значение реактивной мощности трёхфазной системы методом двух ваттметров . Результаты занести в таблицу 3.2.

3. По показаниям приборов комплекта К-50 вычислить для различных характеров симметричной и несимметричной нагрузки и, приняв эти значения за действительные, определить абсолютную и относительную погрешности измерения реактивной мощности трёхфазной системы методами одного и двух ваттметров.

 

Таблица 3.2

нагрузка

измерено

вычислено

Ua

Ia

Pa

Ub

Ib

Pb

Uc

Ic

Pc

P1

P2

Q1w

Q2w

Q3w

В

А

Вт

В

А

Вт

В

А

Вт

Вт

Вт

вар

вар

вар

R симметр.

С симметр.

R-C симметр.

R-C не симметр.

L симметр.

R-L симметр.

R-L не симметр.

 

4. Сделать выводы по работе.

 

Вопросы к защите работы

1. Каковы особенности включения однофазных ваттметров и элементов ваттметров в трёхфазные цепи по схемам с замещенными напряжениями?

2. В цепи симметричного трёхфазного тока при измерении реактивной мощности методом двух ваттметров показания приборов равны и . Чему равна реактивная мощность цепи?

3. Что позволяет использовать ваттметры для измерения реактивной мощности трёхфазных электроприёмников?

4. Начертите векторную диаграмму для трёхфазного электроприёмника с активно-индуктивным характером нагрузки и поясните работу ваттметра по схеме рис. 3.1.

5. Начертите векторную диаграмму для трёхфазного электроприёмника с активно-ёмкостным характером нагрузки и поясните работу ваттметра по схеме рис. 3.1.

6. Начертите векторную диаграмму для трёхфазного электроприёмника с активным характером нагрузки и поясните работу ваттметра по схеме рис.3.1.

7. Начертите векторную диаграмму для трёхфазного электроприёмника с ёмкостным характером нагрузки и поясните работу ваттметра по схеме рис.3.1.

8. Начертите векторную диаграмму для трёхфазного электроприёмника с индуктивным характером нагрузки и поясните работу ваттметра по схеме рис. 3.1.

 

Лабораторная работа № 4

Цель работы

1. Ознакомление с устройством, принципом действия, конструкцией и разметкой зажимов измерительных трансформаторов тока и напряжения.

2. Изучение схем включения измерительных приборов с использованием измерительных трансформаторов.

3. Исследование методов оценки погрешностей измерительных трансформаторов.

 

Подготовка к работе

1. Изучить устройство, принцип действия и конструкцию измерительных трансформаторов тока и напряжения.

2. Записать выражения для определения номинального и действительного коэффициентов трансформации трансформаторов тока и напряжения.

Указать зависимость между номинальным коэффициентом трансформации и соотношением числа витков первичной и вторичной , обмоток трансформаторов тока и напряжения.

3. Записать выражения для расчёта относительной токовой погрешности трансформатора тока и погрешности напряжения трансформатора напряжения, считая известными значения номинального и действительного коэффициентов трансформации.

4. Построить векторную диаграмму трансформатора тока. Пользуясь векторной диаграммой, записать выражения для определения токовой и угловой погрешностей трансформаторов тока.

5. Для заданных в таблице 4.1 параметров трансформатора тока: числа витков первичной и вторичной обмоток и , номинального коэффициента трансформации , намагничивающего тока и угла () между векторами м.д.с. () и () построить графики зависимостей и для значений тока, равных .

6. Построить векторную диаграмму трансформатора напряжения. Пользуясь векторной диаграммой, указать причины возникновения погрешностей напряжения и угловых погрешностей трансформаторов напряжения и привести типичные графики погрешностей трансформаторов напряжения в зависимости от значения мощности во вторичной цепи.

 

Таблица 4.1

Заданный параметр	Ед. измер.	Номер варианта (бригады)
()	вит. вит. - А град.	1/5 0.01	2/5 0.02	5/5 0.05	10/5 0.1	20/5 0.2	50/5 0.5

 

6. Показать необходимость разметки зажимов измерительных трансформаторов и привести схемы, применяемые для разметки зажимов измерительных трансформаторов тока и напряжения методом баллистического толчка на постоянном токе.

7. Указать классы точности измерительных трансформаторов тока и напряжения. Допустимые отклонения, какие параметры они характеризуют?

Рабочее задание

1. Внимательно изучить общий вид виртуального лабораторного стенда.

2. Ознакомиться с используемыми в работе трансформаторами тока и напряжения и записать их номинальные данные (, ).

3. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему для разметки зажимов трансформатора тока методом баллистического толчка на постоянном токе.

В схеме использовать трансформатор тока ТА, амперметр A1 и милливольтметр mV, расположенные на стенде.

4. Зашунтировать трансформатор напряжения. В моменты замыкания и размыкания SВ1 по направлению отклонения стрелки милливольтметра mV определить расположение измерительных зажимов И₁ и И₂ трансформатора тока.

5. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему для разметки зажимов трансформатора напряжения методом баллистического толчка на постоянном токе. В схеме использовать трансформатор напряжения типа УТН - 1 (коэффициент трансформации ) и вольтметр V1, установленный на стенде.

6. Установить максимально возможное напряжение на выходе АТ и по направлению отклонения стрелки вольтметра в моменты замыкания и размыкания SВ1 определить расположение зажимов a – x вторичной обмотки трансформатора напряжения.

7. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему для определения действительного коэффициента трансформации трансформатора тока. В схеме использовать трансформатор тока ТА, амперметр комплекта К-50 с пределом измерения 1 А и цифровой амперметр переменного тока A2.

8. Изменением величины входного напряжения с помощью АТ установить значение тока в первичной обмотке трансформатора тока, равное 1 А. Измерив значение тока во вторичной обмотке, определить значение действительного коэффициента трансформации трансформатора тока.

9. С помощью интерактивных коммутационных элементов смоделировать схему для измерения тока, напряжения и мощности в цепи через измерительные трансформаторы. В схеме использовать трансформатор тока с коэффициентом трансформации , трансформатор напряжения с коэффициентом трансформации , цифровой амперметр A2, вольтметр V2, установленный на стенде, ваттметр W с пределами измерения 5А и 150 В. В качестве нагрузки использовать элементы R-C-L цепей, расположенных на стенде.

10. Произвести измерения напряжения, тока, мощности приборами измерительного комплекта К - 50, включёнными непосредственно в измерительную цепь, и приборами, включёнными через измерительные трансформаторы. Измерения провести для пяти видов сопротивлений нагрузки: R, R-С, С, R-L, L и пяти значений тока в пределах от 0 до 1 А для

каждого вида нагрузки. Результаты измерений занести в таблицу 4.2.

11. Используя данные результатов измерений, рассчитать значения действительных коэффициентов трансформации трансформаторов тока и напряжения, относительные токовую погрешность трансформатора тока и погрешность напряжения трансформатора напряжения, значения полного сопротивления нагрузки и коэффициента мощности . Результаты измерений занести в таблицу 4.2.

12. Принимая значения напряжения, тока, мощности, измеренные приборами комплекта К - 50, за действительные значения измеряемых величин, рассчитать абсолютные и относительные погрешности измерения напряжения , тока , , мощности , приборами, включёнными через измерительные трансформаторы. Результаты измерений занести в таблицу 4.2.

13. По данным таблицы 4.2 построить графики зависимостей ), для каждого вида нагрузки.

14. Сделать выводы и составить отчёт по требуемой форме.

 

Таблица 4.2