Теоретическое обоснование

Понятие о метрологических характеристиках измерительных приборов.

Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: ток, напряжение, мощность, магнитный поток и т. д. Измерения осуществляются электроизмерительными приборами (ИП). Они находят применение также для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и т, д.]. В этом случае неэлектрические величины преобразуются в пропорциональные им электрические величины.

По типу отсчетного механизма все ИП подразделяют на две группы: аналоговые (АИП) и цифровые (ЦИП). В АИП показания являются непрерывной функцией изменения входной измеряемой величины. Эти приборы используются либо для статических, либо для динамических измерений. Примером последних, например, является осциллограф. Для статических измерений применяются приборы, построенные на основе использования электромеханических измерительных механизмов (ИМ), электронные измерительные приборы (ЭИП), а также цифровые измерительные приборы (ЦИП). 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 некоторых электронных приборах электромеханический ИП используют в качестве выходного отсчетного устройства. В этом случае энергия для работы ИП поступает от вспомогательного источника энергии, например, от батареи или от питающей прибор электрической сети. Эти приборы создают заметно меньшую методическую погрешность. 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.

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. ИП можно рассматривать как некоторое электромеханическое вычислительное устройство, у которого на отсчетное устройство выводится результат обработки входной величины по формуле, которая является аналитическим описанием физики работы ИМ. 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. Необходимо иметь в виду, что имеются ИИ типа логометров. В логометрах эта пружина отсутствует, а стрелка поворачивается под воздействием двух токов, каждый из которых протекает по своей рамке, причем одна рамка создает момент вращения в направлении отсчета измеряемой величины, а другая рамка создает противодействующий момент. Стрелка устанавливается в том месте шкалы прибора, где эти два момента становятся равными. У логометров с противодействующей пружиной имеется корректор, позволяющий устанавливать стрелку на обесточенном приборе в нулевое положение.

В зависимости от используемого в приборе ИМ различают следующие ЭМИП:

а) магнитоэлектрические;

б) выпрямительные;

в) термоэлектрические;

г) электромагнитные;

д) электродинамические;

е) электростатические;

ж) индукционные.

Конструкции ЭМИП различных систем изложены в учебной литературе. В зависимости от принципа исполнения ИМ, схемы его использования в ИП реализуются приборы для измерения тока, напряжения, мощности, электрической энергии и т. д.

Для правильного применения ИП важны его технические особенности. Эти особенности указываются на шкале условными обозначениями.

Цифровые средства измерений.

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.

Особенности работы электроизмерительных приборов в цепях постоянного, синусоидального и несинусоидального напряжений (токов)

1. Общие сведения по измерению параметров электрических сигналов

На практике электрические измерения производятся в широком диапазоне значений измеряемых величин и рабочих частот. В электрических цепях форма измеряемых электрических величин может существенно отличаться от классических форм функций времени: а) от формы неизменного во времени (постоянного) тока (напряжения); б) от формы синусоидального тока (напряжения). С несинусоидальными электрическими сигналами часто имеют дело при производстве измерений в преобразовательной и электродной технике, при переходных процессах, в электрических цепях переменного тока, в которых имеется хотя бы один элемент с нелинейной вольтамперной характеристикой. Поэтому имеет принципиальное значение выбор необходимой измерительной аппаратуры, четкое представление их принципа работы и с какими параметрами измеряемых величин следует интерпретировать их показания. Отметим, что при измерениях в цепях с несинусоидальными электрическими величинами измерение одной и той же величины приборами разных систем может дать несовпадающие результаты. При непонимании принципов работы приборов полученные результаты могут привести к неверным выводам. Поэтому в некоторых случаях, когда указываются режимы работы электрической цепи, то указываются типы приборов, с помощью которых эти измерения выполнены.

2. 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). Следует отметить, что входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра, которое определяется значением добавочного сопротивления, включаемого последовательно с измерительной рамкой прибора, не превышает десятков килоом. Это ограничивает их применение при измерениях в высокоомных цепях, например, в электронных, так как приводит к появлению методической погрешности.

Для измерения напряжения постоянного тока в высокоомных цепях целесообразно использовать электронные аналоговые приборы, в которых в качестве отсчетного устройства используется ИМ_(МЭ), однако широкое распространение получило использование, например, цифровых мультиметров, переведенных в режим измерений постоянного напряжения (режим DCV).

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. При применении ЦМ используется режим их работы по постоянному току (А₌), а в цепь включается так же, как и амперметры, т. е. последовательно с нагрузкой. При этом ток не должен превышать указанного на пульте управления ЦМ.

В практике измерений больших постоянных токов находят применение мультиметры с клещами, однако конструкции этих клещей отличаются от рассмотренных выше тем, что в них встроены датчики Холла, параметры которых зависят от интенсивности постоянного магнитного поля, создаваемого проводником с постоянным током. Описание этих клещей в лабораторной работе не рассматривается. Эти же клещевые мультиметры способны выполнять измерение и переменных токов.

3. Особенности измерения в цепях синусоидального и несинусоидального (тока) напряжения

Измерение синусоидальных напряжений (токов) может выполняться аналоговыми приборами, в которых используются измерительные механизмы следующих систем: ИМ_(МЭ) с выпрямителем, например, типа тестер; ИМ_(ТЭ); ИМ_(ЭМ); аналоговыми электронными вольтметрами со стрелочным указателем на основе ИМ_(МЭ). В настоящее время широко используются ЦМ, в которых предусмотрен режим измерения переменного напряжения (АСV).

В большинстве случаев, если нет специальных указаний, вывод информации о величине тока (напряжения) в приборах осуществляется в действующих значениях синусоидально изменяющихся величин.

При этом необходимо иметь в виду следующее (далее формулы приведены применительно к измерению тока):

1) ИМ_(ЭМ) с выпрямителем реагирует:

– либо при однополупериодном выпрямлении на среднее значение переменного тока за полпериода

, (1.1)

– либо после двухполупериодного выпрямления на среднее значение переменного тока по модулю

. (1.2)

При этом необходимо учесть, что для несинусоидального тока его среднее значение (1.2) зависит от фазового сдвига гармонических составляющих разложения функции i(t).

Для синусоидального тока его действующее и среднее значения связаны коэффициентом формы

. (1.3)

2) ИМ_(ЭМ) и ИМ_(ЭД) реагирует на действующее (среднеквадратичное) значение переменного тока, при этом необходимо иметь в виду:

– при измерении синусоидального тока i(t) показание прибора определяется действующим значением синусоидального тока, определяемого выражением

, (1.4)

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

; (1.5)

– при измерении несинусоидального тока i(t) показание прибора определяется действующим значением I несинусоидального тока согласно выражению

, (1.6)

где постоянная составляющая I₀ разложения несинусоидального тока определяется выражением

, (1.7)

где I₁, I₂, … – действующие значения первой, второй и т.д. гармоник несинусоидального тока i(t).

3) Показания ЦМ в режиме измерения синусоидального напряжения (ACV) соответствуют действующему значению этого напряжения. При измерении несинусоидального напряжения ЦМ обычно показывает действующее значение несинусоидального напряжения, структура выражения которого соответствует выражению (1.6), но при этом не учитывается постоянное составляющая U₀.

4. Измерению мощности. Общие сведения

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока чаше всего производится электродинамическими или ферродинамическими ваттметрами, работа которых основана на использовании ИМ_(ЭД).

Электродинамические ваттметры выпускаются в виде переносных лабораторных многопредельных приборов. Их класс точности 0,1 – 0,5.

Ферродинамические ваттметры обычно используются в качестве щитовых приборов с классом точности 1,5 или 2,5.

Ваттметры имеют две обмотки: токовую и напряжения. Направление отклонения стрелки прибора зависит от подключения обмоток ваттметра, поэтому их зажимы имеют специальную маркировку, обеспечивающую правильное подключение прибора. Зажимы, обозначенные знаком * (звездочка), соединяются с проводами, идущими от источника питания. Зажимы, не имеющие этого обозначения, подключаются к нагрузке.

Частотный диапазон этих приборов ограничен, обычно он указывается на шкале прибора. Как правило, они используются при измерении мощности в цепях промышленной частоты.

При подведении к обмоткам ваттметра напряжения на нагрузке и протекающего тока через нагрузку показания прибора определяются выражениями:

– в цепях постоянного тока P = U·I;

– в цепях синусоидального тока P = U·I·cosφ, где φ – угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока,

– в цепях несинусоидального тока

P = U₀·I₀+ U₁·I₁·cosφ₁ + U₂·I₂·cosφ₂+….,

где φ_k – угол сдвига фаз между напряжением и током k-ой гармоники.

Если к ваттметру будет подведено напряжение одной выделенной гармоники из спектра гармоник напряжения на нагрузке, то при условии, что в токе будет присутствовать ток этой гармоники, прибор покажет потребляемую нагрузкой мощность только этой гармоники.

Отметим, что на основе ИМ_(ЭД) может быть реализован варметр для измерения реактивной мощности.

В практике электрических измерений все большее применение находят электронные и цифровые приборы для измерения мощности.