2. Электрические измерения.

Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Средство измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Метрологическая характеристика средства измерений – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность.

На практике наиболее распространены следующие метрологические характеристики средств измерений.

Диапазон измерений средства измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Диапазон показаний средства измерений – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.

Чувствительность средства измерений – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

По назначению средства измерений подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Выделяют также масштабные и передающие преобразователи.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

По типу отсчетного механизма все измерительные приборы (ИП) подразделяют на две группы: аналоговые (АИП) и цифровые (ЦИП). В АИП показания являются непрерывной функцией изменения входной измеряемой величины. Электромеханические ИП основаны на преобразовании электрической энергии входного сигнала в механическую энергию, чаще всего, угловое перемещение подвижного отсчетного устройства. Эти приборы для своей работы забирают некоторую энергию от измеряемой цепи. Включение таких приборов в исследуемую электрическую цепь изменяет режим ее работы и, как результат, обуславливает появление погрешности взаимодействия прибора в измеряемой цепи, т.е. появляется методическая погрешность измерения.

В ЦИП измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, который выводится на цифровой индикатор (дисплей). Современные ЦИП построены с использованием или микроконтроллера, или микропроцессора, что существенно повышает производительность и точность ЦИП. Эти приборы могут иметь дополнительные функции для обработки результатов измерения, автоматического выбора пределов измерения, распознавания полярности постоянного напряжения и т.д., а некоторые из них могут быть задействованными в автоматизированных измерительных установках и системах. В практике электрических измерений все шире используются цифровые методы и средства преобразования, хранения, обработки, передачи и представления информации. Цифровые приборы вытесняют аналоговые средства при измерении самых различных физических величин. Среди цифровых средств измерений можно выделить две большие группы: измерительные приборы и измерительные преобразователи. К первой группе обычно относят автономные ИП, предназначенные в основном для статических однократных измерений, обычно выполняемых вручную оператором (пользователем). Ко второй группе относят цифровые преобразователи, используемые в составе информационно-измерительных систем, измерительно-вычислительных систем и т.д. Преобразователи обладают высоким быстродействием.

Основные понятия об электромеханических измерительных приборах (ЭМИП). ЭМИП относятся к аналоговым ИП. Функционирование ЭМИП основано на использовании измерительных механизмов (ИM), в которых реализуются различные физические принципы. ИМ обеспечивает преобразование значения измеряемой величины в пропорциональное изменение показания отсчетного устройства, например, стрелки прибора. В этих ИМ вызывающему поворот стрелки моменту вращения, функционально связанному с измеряемой величиной (чаще всего с током в измерительной катушке), противодействует момент сопротивления закручивающейся пружины.

В зависимости от используемого в приборе ИМ различают следующие ЭМИП: а) магнитоэлектрические; б) выпрямительные; в) термоэлектрические; г) электромагнитные; д) электродинамические; е) электростатические; ж) индукционные.

В зависимости от принципа исполнения ИМ, схемы его использования в ИП реализуются приборы для измерения тока, напряжения, мощности, электрической энергии и т. д.

Особенности работы электроизмерительных приборов в цепях постоянного и синусоидального (тока) напряжения.

Особенности измерения в цепях постоянного тока. Напряжение постоянного тока от долей милливольта до сотен вольт можно измерять аналоговыми стрелочными вольтметрами с магнитоэлектрическим измерительным механизмом ИМ_(МЭ). Они имеют достаточно высокую точность (класс точности до 0,05). Входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра, которое определяется значением добавочного сопротивления, включаемого последовательно с измерительной рамкой прибора, не превышает десятков кОм. Это ограничивает их применение при измерениях в высокоомных цепях, например, в электронных, так как приводит к появлению методической погрешности.

Измерение напряжений от сотен вольт до 1,5 кВ осуществляется магнитоэлектрическими вольтметрами с добавочными резисторами. Также можно использовать цифровые мультиметры (ЦМ), переведенные в режим измерений постоянного напряжения (режим DCV), которые обладают внутренним сопротивлением порядка 1 МОм.

Для измерения больших постоянных токов может также использоваться ИМ_(МЭ), однако его подключают параллельно либо встроенному в прибор малоомному токовому шунту, либо внешнему шунту. В последнем случае шунт имеет метрологические характеристики (класс точности), а падение напряжения на нем при протекании номинального тока составляет 75 мV.

Особенности измерения в цепях синусоидального (тока) напряжения. Измерение синусоидальных напряжений (токов) может выполняться аналоговыми и цифровыми приборами. В большинстве случаев, если нет специальных указаний, вывод информации о величине тока (напряжения) в приборах осуществляется в действующих значениях синусоидально изменяющихся величин, определяемой выражением

, (10.1)

которое связано с амплитудой I_m синусоидального тока i(t) выражением .

Для измерения синусоидального напряжения широко используются цифровые мультиметры, в которых предусмотрен режим измерения переменного напряжения (АСV). Показания ЦМ в режиме измерения синусоидального напряжения (ACV) соответствуют действующему значению этого напряжения.

Для расширения диапазона измерения используют измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Измерение мощности и энергии.

Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени.

Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность

, (10.2)

где U, I – действующие значения напряжения и тока; φ – угол сдвига фаз.

Реактивная мощность

. (10.3)

Полная мощность

. (10.4)

Так, мощность измеряется в пределах 1 Вт... 10 ГВт (в цепях постоянного и однофазного переменного тока) с погрешностью ±(0,01...0,1) %. Реактивная мощность от единиц ВАр до МВАр измеряется с погрешностью ±(0,1-0,5) %.

Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами измерения номинальных токов (1 нА...10 кА) и напряжений (1 мкВ...1 MB), погрешность измерения составляет ±(0,1...2,5)%.

Измерение реактивной энергии представляет интерес только для промышленных трехфазных цепей.

Измерение мощности в цепях постоянного тока. При косвенном измерении мощности используют метод амперметра и вольтметра и компенсационный метод.

При прямом измерении активная мощность измеряется электромеханическими (электродинамической и ферродинамической систем), цифровыми и электронными ваттметрами.

Электродинамические ваттметры (рисунок 10.13) применяются как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0,1...2,5) в цепях постоянного и переменного тока с частотой до нескольких тысяч герц.

Рисунок 10.13 – Схема включения электродинамического ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения

В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры, в которых осуществляется автоматический выбор пределов измерений, самокалибровка и предусмотрен внешний интерфейс. Для измерения мощности в высокочастотных цепях также используются специальные и электронные ваттметры.

Измерение энергии в однофазных и трехфазных цепях. Энергия измеряется электромеханическими и электронными счетчиками электрической энергии. Электронные счетчики электрической энергии обладают лучшими метрологическими характеристиками, большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии.

Измерение фазы и частоты. Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в определенный момент времени t.

Различают косвенное и прямое изменения угла сдвига фаз.

Косвенное измерение угла сдвига фаз между напряжением U и током I в нагрузке в однофазных цепях осуществляют с помощью трех приборов – вольтметра, амперметра и ваттметра. Угол φ определяется расчетным путем из найденного значения : . Также косвенно можно определить фазу, используя осциллографический метод измерения фазы, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени. Этот способ применим в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5...  10%).

Прямое измерение угла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров.

Методы измерения частоты.

Прямое измерение частоты проводят, используя электромеханические, электронные и цифровые частотомеры. Также может быть использован мостовой метод измерения частоты, основанный на использовании частотнозависимых мостов переменного тока, питаемых напряжением измеряемой частоты.

Косвенное измерение частоты осуществляется с помощью осциллографов.