Методы измерения тока и напряжения

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3

 

Глава 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ..........................................................................4

 

1. Метод непосредственной оценки....................................................................4

 

2. Метод сравнения...............................................................................................5

 

Глава 2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

(ЭЛЕКТОРМЕХАНИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ

И ВОЛЬТМЕТРЫ)...................................................................................6

 

2.1 Магнитоэлектрические  приборы.....................................................................9

 

2.2 Электромагнитные приборы..........................................................................14

 

2.3 Электродинамические приборы.....................................................................16

 

2.4 Ферродинамические приборы........................................................................19

 

2.5 Электростатические приборы........................................................................19

 

2.6 Термоэлектрические приборы........................................................................20

 

2.7 Выпрямительные приборы.............................................................................22

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................25

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

В практической жизни человек  всюду имеет дело с измерениями. Измерения являются одним из важнейших  путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли  бы существовать без развернутой  системы измерений, определяющих как  все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.

Метрология является главными инструментами обеспечения качества продукции, работ и услуг —  важного аспекта коммерческой деятельности.

Метрология — это наука  об измерениях, способах обеспечения  их единства и путях приобретения нужной точности.

Измерения и мероприятия  по обеспечению их единства и точности объединяются единым понятием “метрологическое обеспечение”, которое традиционно  определяют как деятельность по установлению и применению научных и организационных  основ, технических средств, правил и норм для достижения единства и  требуемой точности различных способов определения значений физических величин.

Единство измерений как  одно из слагаемых метрологического обеспечения - это такое состояние  измерений, при котором результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы  можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Среди всех видов измерительной  техники главная роль принадлежит  технике электрических измерений  в силу ее универсальности, автоматизации  и компьютеризации, передачи измерительной  информации на любые расстояния. Электрическими измерениями охватываются измерения  всех электрических величин, магнитных  величин и практически любых  неэлектрических величин.

Основными направлениями  качественной стороны развития электроизмерительной техники являются:

-повышение точности измерения;

-автоматизация процессов измерения;

-повышение быстродействия и надежности измерительных приборов;

-уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

 

 

 

 

Глава 1. Методы измерения

 

 

Перед измерением тока (напряжения) нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и сопротивлении цепи, в которой производится измерение. Эти предварительные сведения позволят выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор.

Для измерения тока и напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения.

 

1.1 Метод непосредственной оценки

 

Рисунок 1 Схема измерения  методом непосредственной оценки: а) тока; б) напряжения

 

Метод непосредственной оценки осуществляют с помощью прямопоказывающих приборов - амперметров и вольтметров со шкалами, градуированными в единицах измеряемой величины. Амперметр включают последовательно с нагрузкой (в разрыв цепи); вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, падение напряжения на котором нужно измерить (рис.1). Включенный в цепь прибор оказывает на ее режим определенное влияние, для уменьшения которого необходимо строго выполнять следующие условия:

-внутреннее сопротивление амперметра R_A должно быть много меньше сопротивления нагрузки R_н;

-внутреннее сопротивление вольтметра R_V должно быть много больше сопротивления нагрузки R_н.

Невыполнение этих условий  приводит к систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадет со значениями отношений R_A/R_н и R_н/R_V. Условие R_V>R_н особенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивлением в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры с входным сопротивлением до сотен мегаом. С повышением частоты погрешность измерений тока увеличивается.

 

1.2 Метод сравнения

 

Метод сравнения обеспечивает более высокую точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов - компенсаторов, отличающихся тем свойством, что в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется, т.е. входное сопротивление практически бесконечно. Это свойство позволяет применять компенсаторы для измерения ЭДС. Метод сравнения реализуется также в цифровых вольтметрах дискретного действия и аналоговых компенсационных вольтметрах, благодаря чему погрешность измерения составляет десятые, сотые и даже тысячные доли процента.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры)

 

 

Электромеханические измерительные приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно преобразуется в показания отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей:

-неподвижной, соединенной с корпусом прибора;

-подвижной, механической  или оптической связанной с отсчетным устройством.

Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам называется ценой деления.

 

 

Рисунок 2 Способы установки подвижной части прибора: а - на оси; б - на растяжках; в - на подвесе

 

Указатели делятся на стрелочные  и оптические.  Оптические  указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочным. Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запресованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (Рис.2,а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках или подвесах (Рис.2,б,в).

Электромеханический измерительный  прибор содержит следующие узлы:

-узел, создающий вращающий момент;

-узел, создающий противодействующий момент;

-успокоитель.

Электромагнитная энергия W_эм поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент, и вызывает поворот подвижной части прибора. Вращающий момент М_в можно выразить уравнением Лангранжа второго рода:

 

                                                                                               (1)

 

Под воздействием вращающего момента подвижная часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент М_П, направленный навстречу вращающему моменту. Противодействующий момент можно получить за счет механических или электрических сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте подвижной части. Механический противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а:

 

                                         ,                                                              (2)

 

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

 

Во втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины в соответствии с формулой

 

 

Движение подвижной части  прибора прекращается в некотором положении а₀, когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными друг другу: М_в = М_п (Рис.3). Подставляя значение М_в и М_п из формул 1 и 2, можно получить выражение для угла поворота подвижной части прибора в виде

 

                                                 .                                                 (3)

 

Если противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии, движение прекращается в момент достижения равенства двух моментов М₁ и М₂ противоположного направления. В общем виде на основе формулы (1) выражения для моментов можно записать так: и , где х₁ и х₂ - электрические измеряемые величины. Успокоитель предназначается для убыстрения процесса затухания колебаний подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения

 

                                               ,                                                      (4)

 

где Р - коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя;

da/dt - угловая скорость перемещения подвижной части.

Наиболее распространены воздушные жидкостные и магнитоиндукционные успокоители (Рис.4), с помощью которых время успокоения сокращается до 3-4с. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую, приборы разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая.

 

 

Рисунок 4 Успокоители: а - воздушный; б – магнитоиндукционный

 

2.1 Магнитоэлектрические приборы

 

Магнитоэлектрические приборы  применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный - и для измерений в цепях переменного тока.

Узел для создания вращающего момента состоит из сильного постоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый  ток (рис.5,а).

Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра.

Катушка в форме прямоугольной  рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т.е. в радиальном магнитном поле.

 

 

Рисунок 5 Магнитоэлектрический прибор 1 - корректор; 2 - противодействующие пружины; 3 - подвижная катушка; 4 – полюсные наконечники; 5 - стрелка; 6 – сердечник

 

Принцип действия магнитоэлектрических приборов заключается во взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил F (рис.5,б), создающая вращающий момент. Энергия магнитоэлектрической системы является суммой энергии поля магнита W_п.м., энергии катушки с током и энергии взаимодействия поля магнита и катушки с током YI, где Y - потокосцепление, численно равное произведению числа силовых магнитных линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при ее повороте на угол α, на число витков n ее обмотки:

 

                                                       ,                                               (5)