Измерение электрических величин с помощью измерительного комплекта к-540

СОДЕРЖАНИЕ

1. Основные технические средства электрических измерений
2. Погрешности электроизмерительных приборов
3. Измерение электрических величин

Измерение электрических величин с помощью измерительного комплекта к-540

Особенности подключения измерительного комплекта к-540

6. Содержание отчета

Цель работы: знакомство с основными техническими средствами, используемыми при проведении электрических измерений и имеющими нормированные метрологические характеристики. Изучение основных характеристик и оценка погрешности электроизмерительных приборов.

 

Литература

1. Иванов И.И. и др. Электротехника. – СПб.: Лань, 2006, с. 246-269.

2. Электротехника и электроника, т.3. / Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: Энергоатомиздат, 1996, С. 6-15;

3. Касаткин А.С., Немцов В.М. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 2000, С. 338-356.

 

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Свойства, присущие объектам материального мира, могут быть охарактеризованы физическими величинами.

Физическая величина - это измеримое свойство или характеристика физического тела, состояния или процесса, поддающаяся количественной оценке.

Например, электрическое напряжение - характеризует работу электрического поля по перемещению электрических зарядов; магнитная индукция -характеризует силовое воздействие магнитного поля и др.

Количественное определение (измерение) любой физической величины независимо от способа измерения сводится к экспериментальному нахождению отношения этой величины к её значению, принятому за единицу. Измерить какую-либо величину – это значит найти опытным путём отношение данной величины к соответствующей единице измерения.

 

Единица измерения - это значение физической величины, принятое условно (обычно по Международному соглашению) за основание для сравнения с ним значения величин того же рода при их количественной оценке.

 

Измерение физической величины заключается в сравнении этой величины с некоторым её значением, принятым за единицу. Результат измерения физической величины «А» представляется в следующем виде:

А = n∙ [А1],

n [-] - отвлечённое число (целое или дробное) - численное значение измеряемой величины;

[А1] - единица измерения физической величины «А».

Единица измерения есть число размерное, а потому и результат измерения есть также всегда число размерное.

Приведённое соотношение является основным уравнением измерений, а его правая часть называется результат измерения.

Результат измерения физической величины - это именованное число, содержащее две части:

- отвлечённое число, представляющее отношение измеряемой величины к единице измерения;

- наименование единицы измерения.

Например, при измерении напряжения в осветительной сети получили результат: U = 220 [B].

Измерением называют сравнение измеряемой физической величины с её значением, принятым за единицу, выполняемое опытным путём с помощью специальных технических средств.

В процессе измерения получают количественную информацию об измеряемой величине, т.е. получают численное значение физической величины, выраженное в соответствующих единицах измерения.

 

Следовательно, для выполнения измерения необходимы мера и прибор сравнения.

В настоящее время большинство технических измерений выполняются показывающими приборами с непосредственным отсчётом численного значения измеряемой величины по шкале или циферблату без видимого применения меры. Однако при градуировке таких приборов применяются эталонные приборы, которые были предварительно проградуированы с использованием соответствующей меры. Измерения, проводимые с использованием приборов непосредственного отсчёта, выполняются проще, быстрее и дешевле, однако приборы сравнения обладают большей точностью.

От точности измерительного прибора зависят погрешности выполняемых измерений и расчётов, которые не должны превышать некоторого допустимого значения, определяемого требованиями практики или техническими условиями задания. В настоящее время эти требования к точности технических измерений со стороны промышленных предприятий очень высоки и постоянно возрастают.

 

Различают два основных метода измерений: прямые и косвенные.

1. При прямых измерениях -результат получается из опытных данных измерения физической величины. К ним относятся большинство измерений, осуществляемых либо с помощью приборов, градуированных заранее в определенных единицах (например, амперметр, вольтметр и др.), либо путем непосредственного сравнения измеряемой физической величины с её мерой (например, измерение длины посредством линейки; времени - посредством часов, секундомера и др.).

2. При косвенных измерениях - результат получается расчётным путём на основании опытных данных прямых измерений нескольких физических величин, связанных с измеряемой искомой величиной известной функциональной зависимостью.

Косвенный метод измерения используется в тех случаях, когда прямые измерения физической величины оказываются невозможными или очень сложными (например, определение ёмкости конденсатора или комплексного соротивления электрической цепи переменного тока).

 

Из всех видов технических измерений электрические измерения имеют особое значение, так как электрические и магнитные величины, как правило, непосредственно органолептическим путём не воспринимаются. Поэтому при измерении электрических величин практически всегда используются специальные технические средства –

электрические измерительные приборы.

 

Электрическим измерительным прибором называют специальное техническое средство для нахождения опытным путём значений электрической величины и представления их в форме, удобной для непосредственного восприятия и оценки.

В процессе измерения с помощью электроизмерительного прибора производится сравнение измеряемой электрической величины с соответствующей единицей измерения.

 

Для измерения основных электрических величин:
силы тока I [A], напряжения U [B], мощности Р [Вт], коэффициента мощности cos φ [-], сдвига фаз φ (град), частоты f [Гц] и др. служат электроизмерительные приборы различного типа, которые классифицируются:

R- по принципу действия (система прибора): электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и др.;

R- по роду измеряемой величины (по назначению): амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры и др.;

R- по роду измеряемого тока: приборы постоянного тока, переменного тока, комбинированные и др.;

R- по условиям эксплуатации, способу установки, способу защиты и др.

R- по классу точности - все электроизмерительные приборы делятся на

восемь стандартизованных классов точности с возрастающей погрешностью:

0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0;

NB. Электроизмерительные приборы класса точности 0,05; 0,1; 0,2 относятся к образцовым приборам и применяются для проверки других приборов;

Электроизмерительные приборы класса точности 0,5 относятся к лабораторным приборам;

Электроизмерительные приборы класса точности 1,0 и вышеотносятся к техническим приборам.

 

С помощью электроизмерительных приборов (ЭИП) и присоединяемых к ним дополнительных устройств - преобразователей можно измерять и неэлектрические величины, например, температуру, давление, влажность и др..

 

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Номинальное значение прибора - это наибольшее значение физической величины,

Амперметр (А)

- служит для измерения силы тока I [A].

- обладает очень малым внутренним сопротивлением

(R _A ≈ 0),

- включается в электрическую цепь последовательно

(в "разрыв" электрической цепи).

 

Предел измерений амперметра I _ном [А] указывается на шкале прибора или на лицевой панели рядом с клеммами.

Цена деления шкалы амперметра C = I _ном / N [А/дел],

N [ дел] - число делений шкалы прибора.

 

Вольтметр (V)

- служит для измерения напряжения U [B].

- обладает очень большим внутренним сопротивлением

(R _V ≈ ∞, I _V ≈ 0),

- включается в электрическую цепь параллельно

(на зажимы цепи, измеряемого участка или элемента цепи).

 

Предел измерений вольтметра U _ном [В] указывается на шкале прибора или на лицевой панели рядом с клеммами.

Цена деления шкалы вольтметра C = U _ном / N [В/дел],

N [ дел] - число делений шкалы прибора.

 

Ваттметр (W)

- служит для измерения активной мощности P [Вт]

- имеет две обмотки и включается в электрическую цепь

по смешанной схеме.

 

*I - I - амперметровая (токовая обмотка)

– служит для измерения тока и включается в электрическую

цепь последовательно - в разрыв цепи.

 

Предел измерений ваттметра по току I _{ном w} [А] указывается на лицевой панели ваттметра рядом с клеммами.

 

*U - U - вольтметровая (обмотка напряжения)

– служит для измерения напряжения и включается в электрическую цепь параллельно - на зажимы цепи, измеряемого участка или элемента цепи.

Предел измерений ваттметра по напряжению U _{ном w} [В]указывается на лицевой панели ваттметра рядом с клеммами или переключателем пределов измерения.

 

 

0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

 

По известному классу точности, указанному на шкале прибора, можно легко вычислить возможные наибольшие инструментальные (приборные) погрешности выполненного измерения:

- абсолютная погрешность: ΔА _мах = (А _ном × Кл) / 100 [А; В; Вт],

- относительная погрешность: δ _мах = (A _ном × Кл) / А _и [%].

 

*** NB. Основные формулы, используемые при измерениях

с помощью электроизмерительных приборов:

C = A _ном / N = A _и / n- цена деления шкалы измерительного прибора;

А _и = С × n- значение измеряемой электрической величины;

δ = (Кл × A _ном) / А _и [%] - относительная погрешность измерения.

 

В начало страницы

 

3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

При проведении лабораторных работ на стенде выполнять электрические измерения необходимо в следующем порядке:

è 1. Определить необходимый тип электроизмерительного прибора (ЭИП) по назначению и роду измеряемого тока.

 

è 2. Выбрать электроизмерительный прибор с требуемым пределом измерений А _ном .

 

См. также п. 8.

 

è 4. Установить прибор в требуемом положении, указанном на шкале прибора.

 

è 5. Установить, если это необходимо, стрелку прибора на нулевую отметку с помощью корректора.

 

è 6. Включить прибор в исследуемую электрическую цепь.

 

è 7. После проверки монтажа электрической цепи лаборантом или преподавателем объяснить методику выполнения работы и после получения разрешения включить стенд.

В случае, когда измеряемая величина, например, напряжение, неизвестна, то для её измерения сначала используют прибор с наибольшим пределом измерений и если прибор не «зашкаливает», то последовательно переходят к приборам с меньшим пределом измерений и производят окончательный выбор прибора по условию получения наименьшей относительной погрешности.

 

Аналогичным образом поступают при использовании многопредельного прибора, последовательно снижая с помощью переключателя его пределы измерений с наибольшего до значения, выбранного по условию получения наименьшей допустимой относительной погрешности.

è 8. Установить заданный режим электрической цепи и снять показание прибора в делениях шкалы n, т.е. произвести отсчет числа делений шкалы n, указываемых стрелкой прибора, после чего вычислить результат измерения в единицах измеряемой величины:

А _и = С × n [А; В; Вт].

 

Из приведённой формулы следует, что при известном (заданном) значении измеряемой величины А _и [А; В; Вт] и показанию прибора n (дел) цену деления шкалы прибора можно определить как отношение: C = A _и / n.

 

В начало страницы

 

 

4. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКТА К-540

При работе на стендах в электротехнической лаборатории наряду с обычными электроизмерительными приборами часто используется комбинированный электроизмерительный комплект К-540.

Измерительный комплект К-540 рассчитан на работу в трёхфазных и однофазных цепях и содержит три измерительных прибора:

- два прибора с независимыми переключаемыми пределами измерений:

вольтметр (15 – 600 В) и амперметр (0,1 – 50 А),

- третий прибор – ваттметр, предел измерений которого зависит от выбранных пределов измерений вольтметра и амперметра.

Рис. 1. Электрические принципиальная и монтажная схемы

И корректной записи.

 

1. Для ваттметра с паспортными данными

I _ном = 3 A, U _ном = 250 B, число делений шкалыприбора = N дел., Кл = 1,5:

а) Вычислить измеряемую мощность P _и [Вт] и относительную погрешность ваттметра δ для следующих показаний прибора n:

 

n(дел) (% шкалы)	0,05 N 5 %	0,1 N 10 %	0,25 N 25 %	0,5 N 50 %	0,7 N 70 %	0,8 N 80 %	0,9 N 90 %	n = N 100 %
P и (Вт)
δ (%)

 

б) Построить график распределения относительной погрешности по шкале прибора δ = f (n).

в) Пояснить в какой части шкалы рекомендуется выполнять измерения электрических величин.

г) Выделить на графике область шкалы измерительного прибора, в которой относительная погрешность измерения δ % близка к классу точности прибора.

 

2. Определить в какой части шкалы измерительного прибора относительная погрешность δ в 2 раза и более превышает класс точности. Почему этот результат не зависит от предела измерений измерительного прибора?

 

3. В какой части шкалы электроизмерительного прибора не рекомендуется выполнять измерения и почему?

 

4. Как и почему выбирают номинальное значение (предел измерений) многопредельного прибора А _ном по заданному (известному) значению измеряемой величины А _и?

 

5. Какие из приборов комплекта К-540 имеют независимые пределы измерений? Как и почему надо переключать предел измерений этих приборов

а) - если прибор "зашкаливает"?

б) - если показания прибора находятся в начальной части шкалы?

 

6. Из четырех предложенных вольтметров (технические данные приборов указаны в таблице) выбрать наиболее точный прибор (с возможной наименьшей относительной погрешностью δ%) для измерения напряжения на ламповом реостате мощностью Р = 400 Вт при потребляемом токе I = 2 A.

 

Вольтметры	V1	V2	V3	V4
Класс точности (Кл)	1,0	1,0	1,0	1,5
Предел измерения (U ном)
Относительная погрешностьδ(%)
Наиболее точный прибор

7. Определить приведённую погрешность γ и класс точности поверяемого вольтметра с номинальным значением U _ном = 150 B по приведенным в таблице результатам его поверки эталонным вольтметром U _э:

U и (B)			31,5	49,2
U э (B)
γ (%)
	Класс точности Кл =....

 

8. Что означает значок «точка» в начале (в конце) шкалы измерительного прибора?

 

9. Что означают значки астериск (*) - «звёздочки» на клеммах ваттметра? Могут ли быть показания ваттметра отрицательными?

 

10. При сохранении заданного расположения ваттметра и резисторов R₁ – R₂ – R₃ начертить 6 электрических принципиальных схем и 6 монтажных схем включения ваттметра для измерения электрической мощности резисторов:

 

 

1. R₁ ;

2. R₂ ;

3. R₃;

4. R₁ + R ₂;

5. R₂ + R₃ ;

6. R₁ + R₂ + R₃ .

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Основные технические средства электрических измерений
2. Погрешности электроизмерительных приборов
3. Измерение электрических величин

Измерение электрических величин с помощью измерительного комплекта к-540