Методическая разработка Электрические измерения и приборы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методическая разработка

по ОП.03 Электротехника и электроника

на тему

 «Электрические измерения и приборы»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2021

 

Цель занятия:

1.     Изучить тему Электрические измерения и приборы

 

Время:  2 часа

 

Место: кабинет Электротехники и электроники

 

Учебно - материальное обеспечение:

Плакаты, презентации, лабораторное оборудование.

 

Распределение времени занятия:

Вступительная часть                                                                      5 мин;

Проверка подготовки обучающихся к занятию                             5 мин;

Учебные вопросы занятия                                                              25 мин;

Домашнее задание                                                                         5 мин;

Заключение                                                                                    5 мин.

 

Содержание занятия

 

Вступительная часть

 

–        принять рапорт дежурного по группе;

–        проверить наличие студентов и их готовность к занятию;

–        ответить на вопросы, которые возникли при подготовке к занятию на самостоятельной работе;

–        провести опрос по ранее изученному материалу:

–        Опрос рекомендуется провести устно, задавая вопросы и вызывая одного-двух студентов для ответа,

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Электрические измерительные приборы – необходимые элементы электрических цепей при контроле режимов работы электрооборудования, учете электроэнергии, при экспериментальном исследовании электрических цепей, при получении достоверной информации для систем автоматического управления.

Электрические измерительные приборы измеряют как электрические величины (ток, напряжение, мощность, , частоту, электрическую энергию и т.д.), так и неэлектрические величины (температуру, давление и др).

Электрические измерительные приборы отличаются высокой чувствительностью, простотой конструкциий и надежностью. Показания электрических измерительных приборов относительно просто передавать на дальние расстояния (телеизмерения) при автоматизации и управлении технологическими процессами.

Недостатком электрических измерительных приборов является невозможность их применения во взрывоопасных и пожароопасных помещениях.

 

9.1 Системы электрических измерительных приборов

Электрический измерительный прибор состоит из подвижной и неподвижной частей. По перемещению подвижной части измеряют значения измеряемых величин.

В зависимости от принципа действия различают системы: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, тепловую, индукционную и др.

Таблица 9.1 – Системы электрических измерительных приборов

и их условные обозначения

N п/п	Система прибора	Обозначение
1 2   3   4 5	Магнитоэлектрическая Электромагнитная   Электродинамическая   Тепловая Индукционная

В таблице 9.1 приведены условные обозначения наиболее широко применяемых систем приборов. Эти обозначения и другие важнейшие характеристики приборов указываются на лицевой панели электрических измерительных приборов (рис. 9.1).

Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии поля постоянного магнита и подвижной катушки.

На рисунке 9.2 схематически показана основная часть магнитоэлектрического измерительного механизма: подвижная катушка, расположенная в сильном равномерном радиальном магнитном поле.

Рис.9.1. Шкала измерительного прибора 

 

Подвижная катушка из тонкого медного или алюминиевого провода намотана на каркас (или без него). На оси подвижной части прибора укреплена стрелка, конец которой перемещается по шкале электрического измерительного прибора.

При протекании по катушке электрического тока, согласно закону Ампера, возникают силы F, стремящиеся повернуть катушку. При равенстве вращающего  и противодействующего моментов  катушка останавливается.

Рис. 9.2. Подвижная катушка в радиальном магнитном поле  

 

Для создания противодействующего момента  и одновременно для подвода тока в катушку служат две спирали.

Общее выражение для вращающего момента имеет вид:

                                                                                         (9.1)

где W – энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном  механизме;

 – угол поворота подвижной части.

Энергия электромагнитного поля W равна работе A по перемещению активной части провода катушки в постоянном магнитном поле с                   индукцией B.

Согласно закону Ампера, сила F, действующая на активную часть провода катушки при протекании по ней тока I, равна

                                                                                            (9.2)

где  – угол между направлением тока в активной части провода и индукцией магнитного поля;

l – длина активной части катушки.

В нашем случае . Следовательно, работа по перемещению двух активных частей провода катушки, перпендикулярных плоскости чертежа (рис. 9.2), равна

                                                                      (9.3)

где  – длина траектории активной части провода;

 – радиус траектории;

 – угол поворота катушки.

Подставляя (9.3) в (9.1) получаем

Так как противодействующий момент М_пр создается упругими элементами, то для установившегося режима

 или

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств

упругого элемента.

Следовательно, угол поворота катушки а пропорционален току I

                                                                                (9.4)

где S – чувствительность измерительного механизма.

Как видно из (9.4), при перемене направления тока в катушке меняется на обратное и направление отклонения подвижной части и указателя (стрелки).

Для получения отклонения указателя в нужную сторону необходимо при включении прибора соблюдать указанную на приборе полярность.

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая чувствительность к измеряемой величине, высокая точность (класс точности до 0,05, малое потребление мощности, малая чувствительность к внешним магнитным полям). Недостаток – возможность применения только в цепях постоянного тока.

В приборах электромагнитной системы в неподвижной катушке, по которой протекает измеряемый ток, создается магнитное поле, в которое втягивается, поворачиваясь на оси, ферромагнитный сердечник, намагничиваемый этим же полем. Причем втягивание происходит как при постоянном, так и при переменном магнитном поле, а угол поворота а пропорционален квадрату силы измеряемого тока. Поэтому:

а) приборы электромагнитной системы могут применяться в цепях постоянного и переменного тока;

б)         шкала прибора неравномерна, сильно сжата в начальной части.

Достоинства электрических измерительных приборов электромагнитной системы: простота и надежность конструкции, небольшое потребление мощности.

Недостатки: невысокая чувствительность к измеряемой величине, относительно низкая точность (класс точности до 1,0), большая чувствительность к внешним магнитным полям.

Вращающий момент электромагнитного измерительного механизма:

Если противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения:

                                     и .                                 (9.5)

9.2 Основные характеристики электрических измерительных приборов

9.2.1 Статическая характеристика. Статическая характеристика измерительного прибора – зависимость выходного сигнала у от входного сигнала х в статическом режиме работы указанного прибора.

Статическая характеристика в общем случае описывается нелинейным уравнением

Так, например, для электронных измерительных приборов магнитоэлектрической системы статической характеристикой будет являться уравнение (9.3), в котором входным сигналом будет являться электрический ток I, а выходным – угол поворота катушки а:

Поскольку , то статическая характеристика электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы линейная.

9.2.2 Погрешность. Абсолютная погрешность прибора в данной точке диапазона измерения равна

                                                                                               (9.6)

где x – показание прибора;

x_u – истинное значение измеряемой величины.

Однако в связи с тем, что истинное значение чаще всего неизвестно, на практике вместо него используется действительное значение х_д, в качестве которого применяют либо среднее арифметическое значение ряда измерений, либо показания образцового прибора.

Очевидно, что абсолютная погрешность прибора выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина.

Абсолютная погрешность прибора не характеризует в полной мере точность измерения, поэтому при измерениях определяется также относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению измеряемой величины

                                                                                            (9.7)

или в процентах

                                                                                      (9.8)

Приведенная погрешность  электрического измерительного прибора равна отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению x_N, которое принимается равным верхнему пределу измерений (если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы) или диапазону измерения (если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений):

или в процентах

                                                                                       (9.9)

Погрешность электроизмерительного прибора зависит от условий проведения измерений. Различают основную и дополнительную погрешности.

Основная погрешность – это погрешность, существующая при нормальных условиях, которые указаны в нормативных документах, регламентирующих правила испытания и эксплуатации электроизмерительных приборов.

Под нормальными условиями, например, могут пониматься:

-    температура окружающей среды (+20 ±2) ^ºС;

-    положение прибора горизонтальное, с отклонением от горизонтального не превышающим ± 2 ^ºС;

-    относительная влажность (65 ±15)%;

-    практическое отсутствие внешних магнитных и электрических полей;

-    частота питающей сети (50 ± 1) Гц и так далее.

Дополнительная погрешность возникает при отклонении условий испытания и эксплуатации прибора от нормальных.

Например, приведенная погрешность электронно-измерительных приборов при нормальных условиях не превышает 1%. Если же температура окружающей среды лежит вне указанного в нормальных условиях диапазона, то приведенная погрешность может превышать 1%.

9.2.3 Класс точности. Класс точности электронных измерительных приборов - обобщенная метрологическая характеристика, определяемая пределами допустимых основной и дополнительной погрешностей.

Класс точности К стрелочных и самопишущих приборов, как правило, обозначается одним числом, равным максимально допустимому значению основной приведенной погрешности, выраженной в процентах:

                                                 .                                           (9.10)

Электронные измерительные приборы делятся на 8 классов точности: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0.

Пример: Милливольтметр со шкалой до 50 мВ имеет класс точности К =0,5. Определить максимальную абсолютную погрешность электронного измерительного прибора.

Решение:

Из (9.10) следует, что максимальная абсолютная погрешность при измерениях во всем диапазоне равна

 мВ.

9.2.4 Вариация. Вариация показаний электроизмерительного прибора – это наибольшая разность его показаний при одном и том же значении измеряемой величины.

Основной причиной вариации является трение в опорах подвижной части прибора.

Вариацию определяют, сравнивая показания электроизмерительного прибора, считанные один раз после установки требуемого значения измеряемой величины подходом снизу (со стороны меньших значений), а другой раз – подходом сверху (со стороны больших значений).

9.2.5 Цена деления. Цена деления электроизмерительных приборов численно равна изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указателя (стрелки) на одно деление.

При равномерной шкале цена деления равна отношению предела измерения электроизмерительного прибора x_т к числу делений             шкалы п:

                                                                                                 (9.11)

9.2.6 Предел измерения. Предел измерения электроизмерительного прибора – значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы. Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерения (многопредельные приборы). При измерениях такими приборами на различных пределах цена деления будет различна.

9.2.7 Чувствительность. Чувствительность S электроизмерительного прибора – это отношение изменения сигнала на выходе электроизмерительного прибора  к вызвавшему его изменению измеряемой величины :

                                                                                               (9.12)

В общем случае чувствительностьj

                                                                                   (9.13)

Следовательно, при нелинейной статической характеристике чувствительность зависит от х, а при линейной статической характеристике –она постоянна.

У электроизмерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, то есть длина всех делений одинакова.

 

 

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

-      подвести итоги занятия;

-      напомнить тему, цели и учебные вопросы;

-      объявить оценки;

-      ответить на вопросы;

-      отметить активность и дисциплину на занятии;

-      дать задание на самоподготовку.

 

Список используемой литературы

1.       Славинский, А. К. Электротехника с основами электроники : учебное пособие / А. К. Славинский, И. С. Туревский. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 448 с.

2.       Маркелов, С. Н. Электротехника и электроника : учебное пособие / С.Н. Маркелов, Б.Я. Сазанов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 267 с.