Методы и средства измерения электрических величин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

По дисциплине: "Учет и контроль электроэнергии"

Кафедра "Систем электроснабжения предприятий"

Специальность: 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника

Реферат

На тему: "Методы и средства измерения электрических величин"

Выполнил: Горин Д.А. Группа ЭЭМз-61

Проверил работу: ст.преп. Шевцов Д.А.

Новосибирск

2016



Содержание

Введение

1. Цепи постоянного тока

1.1 Измерение тока

1.2 Измерение постоянного напряжения

1.3 Измерение мощности в цепях постоянного тока

1.4 Измерение активного сопротивления

2. Цепи переменного тока

2.1 Измерение действующего значения тока

2.2 Измерение действующего значения напряжения

2.3 Мощность в цепи переменного тока и коэффициент мощности

2.4 Измерение разности фаз сигналов

3. Краткие сведения о погрешностях измерений

3.1 Погрешность измерений

3.2 Основные источники погрешностей

3.3 Оценка конечных результатов измерений

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Задача измерения электрических величин в электротехнике многопланова. Следовательно, разработчику аппаратуры или исследователю необходимо:

1) определить совокупность физических явлений, которые можно использовать для получения оценок этих величин;

2) нужно проанализировать преимущества и проблемы практической реализации того или иного метода измерений;

3) выбрать конкретный способ измерений и соответствующие средства измерений, которые позволят наилучшим образом решить задачу;

Разнообразие измерительных приборов - как универсальных, так и специализированных, обеспечивающих получение результата с известной погрешностью в различных условиях их применения, вызывает трудности при построении измерительных схем даже у опытных специалистов. Для тех же, кто впервые знакомиться с этой проблемой, важно понять основные принципы функционирования измерительных приборов и знать особенности их применения. Большинство таких приборов, получили названия в соответствии с известными названиями измеряемых величин - амперметр, вольтметр, ваттметр, омметр, хотя есть и осциллограф и авометр - универсальный прибор, обеспечивающий измерение токов, напряжений и сопротивлений [1].

1. Цепи постоянного тока

Постоянным электрическим током называют упорядоченное направленное движение электрических частиц. Из этого следует знать, что электрические цепи, в которых величина тока не изменяется по времени, называют цепями постоянного тока.

1.1 Измерение тока

Ток - величина непосредственно измеряема. Единица измерения в системе СИ - Ампер [A].

Метод измерения величины постоянного тока является первым и наиболее распространенным до настоящего времени. Этот метод измерения делится на прямой и косвенный. Прямым методом считается измерение величины постоянного тока путем оценки степени взаимодействия магнитного поля, создаваемого проводником, по которому протекает ток, и магнитное поле с известной индукцией.

Косвенный метод измерения тока основан на измерении падения напряжения на образцовом сопротивлении, включаемом в разрыв цепи. Очевидно, что в этом случае свойства цепи несколько изменяются. В целях обеспечения минимального влияния на величину протекающего в цепи тока величина образцового сопротивления должна выбираться малой.

Амперметр - прибор, измеряющий силу тока. Существует несколько видов данного прибора. Рассмотрим некоторые из них.

Амперметр с датчиком на основе эффекта Холла

Эффект Холла - явление возникновения разности потенциалов на краях поперечного сечения проводника с протекающим в нем током, наблюдающееся при помещении этого проводника в магнитное поле.

Данный эффект был открыт в 1879 г. американским физиком Эдвином Г. Холлом в тонких пластинках золота. Открытие основано на отклонении траектории движения носителей заряда от прямолинейной за счет воздействия на них силы Лоренца. Следовательно, в результате такого движения заряженных частиц у одной боковой грани проводника скапливаются положительно зараженные частицы, а у противоположной грани - отрицательно заряженные и возникает разность потенциалов, которую называют холловским напряжением. На рисунке 1.1 изображен датчик Холла, с помощью которого проводится измерение тока I в проводнике.

Рисунок 1.1 - измерение тока I в проводнике с помощью датчика Холла

Поскольку протекание тока через проводник сопровождается возникновением магнитного поля ([B] ~ I), установив рядом с проводником датчик на основе эффекта Холла (часто говорят - "датчик Холла"), по величине холловского напряжения Uн можно судить о напряженности магнитного поля и, следовательно, о величине тока в проводнике I. Важным преимуществом амперметра c датчиком на основе эффекта Холла является малая величина внутреннего сопротивления такого прибора, которое определяется собственным сопротивлением отрезка проводника, по которому протекает ток I .

Цифровой амперметр

Развитие микроэлектроники привело к широкому распространению измерительных приборов с цифровой индикацией результата измерений. Эти приборы получили название цифровых измерительных приборов. На рисунке 1.2 показано изображение мини цифрового амперметра постоянного тока 10А.

Рисунок 1.2 - мини цифровой амперметр

Они, как правило, содержат преобразователь измеряемой величины в аналоговый электрический сигнал, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий преобразование величины напряжения на его входе в двоичный цифровой код, соответствующий этой величине, и цифро-знаковый дисплей, на котором отображаются результаты измерений.

Структурная схема простейшего цифрового амперметра, реализующего косвенный метод измерения тока, представлена на рисунке 1.3. В качестве преобразователя измеряемой величины в аналоговый электрический сигнал используется высокоточный низкоомный резистор R0 , величина которого составляет доли Ома, а максимальная рассеиваемая мощность выбрана такой, чтобы при протекании через него максимально допустимого измеряемого тока сопротивление нагревалось незначительно. Выполнение условие ограниченного нагрева резистора необходимо для обеспечения постоянства погрешности измерений тока.

Рисунок 1.3 - структурная схема цифрового амперметра: 1 - усилитель,

2 - АЦП, 3 - цифровой индикатор, 4 - источник питания

Также следует помнить, что сопротивление резистора и емкость конденсатора зависят от температуры окружающей среды. Если температура резистора неизменна, . Если резистор R0 нагревается от температуры до некоторой температуры T, , где - температурный коэффициент сопротивления [], определяемый материалом, из которого изготовлен резистор. Очевидно, что во втором случае возникнет дополнительная погрешность оценки величины тока, протекающего через резистор. Прибор такого типа нуждается в применении внешнего дополнительного источника электрической энергии - батареи, аккумулятора или электросети.

1.2 Измерение постоянного напряжения

Напряжение является величиной непосредственно измеряемой. Единица измерения в системе СИ - Вольт [В]. Также, следует знать, что под напряжением между двумя точками цепи понимают разность потенциалов между этими точками. Напряжение измеряют с помощью устройства Вольтметра. Вольтметр бывает нескольких типов:

1) Электростатический вольтметр;

2) Стрелочный вольтметр магнитоэлектрического типа;

3) Цифровой вольтметр.

В данной работе рассмотрим стрелочный и цифровой вольтметр.

Стрелочный вольтметр магнитоэлектрического типа

Принцип действия такого прибора основан на использовании закона Ома. К точкам электрической цепи, разность потенциалов между которыми должна быть измерена, подключаются последовательно соединенные образцовое сопротивление (которое обычно называют добавочным) и магнитоэлектрический измеритель тока. Данный вольтметр показан на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Стрелочный вольтметр магнитоэлектрического типа

Величина тока в измерительной цепи определяется выражением

,

где сопротивление обмоточного провода рамки и токоведущих шин магнитоэлектрического механизма. Поскольку угол отклонения его стрелки пропорционален величине тока , << , можно считать, что , т.е. угол отклонения стрелки будет пропорционален измеряемому напряжению.

Величину определяют из условия обеспечения отклонения стрелки до последнего деления шкалы при измерении величины, взятой из стандартного ряда значений (0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 100 В).

Нужно отметить, что прибор такого типа всегда влияет на режим работы основной цепи, к которой он подключается.

Для уменьшения степени его влияния величина должна быть на несколько порядков больше эквивалентного сопротивления участка основной цепи.

Как правило, это условие уверенно выполняется, если ток , обеспечивающий отклонение стрелки прибора до последнего деления шкалы, составляет несколько десятков мкА. Величину

[кОм/В] называют чувствительностью прибора. Она определяет величину добавочного сопротивления на каждый вольт измеряемого напряжения . Чувствительность серийно выпускаемых вольтметров часто составляет 20 кОм/В.

Стрелочные приборы такого типа получили наибольшее распространение в измерительной практике из-за своей простоты и надежности. Как правило, резистор монтируется в корпусе магнитоэлектрического механизма и измерительная головка может быть непосредственно подключена к электрической цепи.

Для расширения диапазона измеряемых напряжений часто используют резистивный делитель напряжения. Схема подключения резистивного делителя показана на рисунке 1.5.



Рисунок 1.5 - схема подключения резистивного делителя

Из схемы следует, что если выход делителя не нагружен, то коэффициент передачи K определяется выражением:

.

На практике часто используют понятие коэффициента деления n, определяемого, как n=1/K. При подключении к выходу делителя вольтметра с эквивалентным сопротивлением , можно считать, что

,

и, выбрав соответствующие значения и , выполнить измерение напряжения вольтметром, верхнее значение рабочего диапазона которого меньше .

Цифровой вольтметр

На рисунке 1.6 приведена структурная схема цифрового вольтметра.



Рисунок 1.6 - структурная схема цифрового вольтметра:

1) аттенюатор;

2) усилитель;

3) АЦП(Аналого-цифровой преобразователь);

4) цифровой индикатор;

5) источник питания.

Входной аттенюатор такого прибора обеспечивает высокоточное масштабирование напряжения, подаваемого на его вход. Сигнал с выхода аттенюатора поступает на вход АЦП, а измеренная величина напряжения индицируется на цифровом индикаторе. Во многих цифровых вольтметрах реализуется функция индикации соответствия полярности измеряемого напряжения и полярности измерительных входов - в случае, если такого соответствия не наблюдается, на цифровом индикаторе перед результатом измерений отображается знак "-" [2].

Как и любой другой цифровой прибор, такой вольтметр требует применения внешнего дополнительного источника электрической энергии.

1.3 Измерение мощности в цепях постоянного тока

Активная мощность, которая выделяется на участке цепи постоянного тока, может быть оценена в результате измерения количества тепла, выделяемого этим участком цепи. Прямые колориметрические измерения оказываются длительными и трудоемкими, поэтому для измерения мощности используют её зависимость от величин тока и напряжения: P=I*U.

Используя эту формулу, можно рассчитать мощность, выделяющуюся на участке цепи при протекании через него постоянного тока, предварительно измерив величину тока амперметром и с помощью вольтметра определив падение напряжения на этом участке цепи.

Электродинамический стрелочный ваттметр

В цепях постоянного тока для измерения мощности широко применяются электродинамические стрелочные приборы. Данный прибор показан на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Электродинамический стрелочный ваттметр

Данный прибор содержит две катушки - неподвижную(1), выполненную из медного обмоточного провода большого сечения с общим числом витков , сопротивление которой можно считать пренебрежимо малым, и подвижную(2) из витков тонкого провода с сопротивлением r. Подвижная катушка выполняется в виде прямоугольной рамки со сторонами a и b и к ней прикрепляется стрелка прибора(3). При протекании тока через неподвижную катушку в ней создается магнитный поток Ц, пронизывающий витки подвижной катушки. Если через подвижную катушку будет протекать ток , то к каждой стороне b рамки будет приложена сила Ампера, возникнет вращающий момент и рамка повернется на угол.

Также, включив электродинамический измеритель в цепь постоянного тока, как будет показано на рисунке 1.8,можно обеспечить измерение мощности P, выделяющейся на сопротивлении нагрузки R при протекании через него тока I.

Рисунок 1.8 - схема подключения электродинамического измерителя для измерения мощности

Точками на данной схеме отмечены начальные выводы обмоток катушек - подвижной, имеющей сопротивление , и неподвижной, имеющей сопротивление . Такое соединение катушек обеспечивает отклонение стрелки измерителя в правильном направлении.

1.4 Измерение активного сопротивления

Величина расчетная. Ее непосредственные измерения невозможны, поскольку сопротивление является коэффициентом взаимной пропорциональности величин протекающего через него тока и напряжения на нем. Единица измерения в системе СИ - Ом [Ом]. Для определения величины активного сопротивления используют два основных метода: метод измерения величины тока и метод компарирования.

Омметры с последовательным и параллельным включением измеряемого сопротивления

Данные приборы, показанные на рисунке 1.9, реализуют метод измерения величины тока, протекающего через активное сопротивление , величина которого должна быть определена. В каждом из таких приборов есть источник ЭДС E и магнитоэлектрический механизм PA, с помощью которого измеряется величина тока, протекающего через .

Рисунок 1.9 - Схемы электрические принципиальные и вид шкал омметров: с последовательным включением измеряемого сопротивления(а), с параллельным включением измеряемого сопротивления(б)

В получившем наибольшее распространение омметре с последовательным включением (рис.1.9, а) резистор , часто обозначаемый на панели прибора надписью "установка нуля", служит для компенсации вариаций величины E. Измеряемый стрелочным прибором PA ток имеет величину , где I - ток, протекающий через резистор :

Коэффициент деления n для схемы резистивного шунта находится из выражения

.

Поэтому

,

и, так как мало, выбрав , можно считать, что

,

причем n?1. Отсюда видно, что шкала омметра будет выражено нелинейной. При стрелка PA отклоняется максимально. Закоротив перед началом измерений входные клеммы омметра и, меняя величину резистора , устанавливают стрелку PA на ноль шкалы. При этом значение n таково,

,

где k характеризует изменение ЭДС относительно расчетного значения , для которого определялось значение

.

Омметр с параллельным включением (рис.1.9, б) используют для измерения малых сопротивлений . В этой схеме

и, следовательно, при . Поэтому при тарировке такого омметра, которую проводят при короткозамкнутых клеммах, стрелку PA необходимо установить в начало шкалы. Кнопка S используется для подключения источника питания E только на время измерения сопротивления для предотвращения разряда источника питания [3].

2. Цепи переменного тока

2.1 Измерение действующего значения тока

Электродинамический стрелочный амперметр

Появление в середине 20 века полупроводниковых диодов обеспечило массовое применение магнитоэлектрических приборов для измерения действующего значения тока. На рисунке 2.1 представлены две схемы включения магнитоэлектрического прибора в цепь переменного тока - однополупериодная (а) и двухполупериодная (б).

Рисунок 2.1 - схема включения магнитоэлектрического прибора в цепь переменного тока

Для первой схемы средний момент отклонения подвижной части измерительного прибора M равен

,

где Т - период сигнала, - среднее значение измеряемого тока (ток через прибор PA1 и диод VD1 протекает только в течении половины периода гармонического сигнала



При двухполупериодном выпрямлении тока (в первой половине периода ток протекает по цепи VD1-PA1-VD4, во второй - по цепи VD3-PA1-VD2)

Из полученных выражений видно, что в обоих случаях отклонение подвижной части измерительного механизма PA пропорционально среднему измеряемому току, но в случае использования двухполупериодной схемы выпрямления чувствительность измерителя окажется вдвое выше. При измерениях в цепях переменного тока обычно нужно знать действующий ток в цепи . Поскольку его величина через коэффициент формы кривой тока связана со средним значением (), градуировку шкалы прибора выполняют для известной формы кривой (для рассматриваемого случая

.

Источниками погрешностей измерений в приборах со схемами выпрямления является, прежде всего, зависимость вольт-амперных характеристик выпрямительных диодов от температуры.

Электродинамический стрелочный амперметр

Прибор обеспечивает измерение действующего значения переменного тока. На рисунке 2.2 представлены схемы включения электродинамического измерителя для измерения тока до 1000 мА (рисунок 2.2, а) и для измерения более 1А (рисунок 2.2, б). Поскольку вращающий момент при последовательном соединении катушек измерителя пропорционален квадрату действующего значения тока, то шкала такого амперметра нелинейна.

Рисунок 2.2 - Миллиамперметр (а) и амперметр (б) на основе электродинамического измерителя

Различие схем включения измерителя объясняется тем, что подвижная катушка должна быть легкой и выполняется из провода малого сечения, поэтому и максимальная величина тока, протекающего через нее, как правило, не превышает 1А.

Эти измерители могут работать как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока, поскольку разность фаз токов в обеих катушках равна нулю. Угол поворота б стрелки миллиамперметра составляет

,

а угол поворота стрелки амперметра находится из выражения

Где - коэффициент, определяемый конструкцией электродинамического измерителя, а и . Несмотря на то, что электродинамические приборы являются одними из самых точных средств прямого измерения токов и напряжений в цепях переменного тока (магнитные потоки создаются в воздухе, что гарантирует отсутствие вихревых токов, отсутствие явления гистерезиса и т.п.), их использование ограничено из-за высокой стоимости [4].

2.2 Измерение действующего значения напряжения

Электродинамический стрелочный вольтметр

Основой вольтметра является электродинамический измеритель, обмотки которого включены последовательно - рис. 2.3.

Рисунок 2.3 - электродинамический стрелочный вольтметр

Угол поворота б стрелки вольтметра определяется выражением

где - добавочное сопротивление, которое велико по сравнению с реактивным сопротивлением обмоток электродинамического измерителя, U - действующее значение напряжения. Таким образом, так же, как и в цепях постоянного тока, принцип измерения величины действующего напряжения основан на применении закона Ома.

Магнитоэлектрический стрелочный вольтметр

Основой таких вольтметров является магнитоэлектрический стрелочный измерительный прибор, подключаемый к выходу двухполупериодного выпрямителя - рисунок 2.4

Рисунок 2.4 - магнитоэлектрический стрелочный вольтметр с термо- и частотной компенсацией

Поскольку эквивалентное сопротивление выпрямителя уменьшается на 0,1…1,0 % при повышении температуры окружающей среды на 10, пред- принимаются специальные меры для компенсации этой зависимости с целью сохранения точности измерений прибора в рабочем диапазоне температур. Это явление оказывает наибольшее влияние на результаты измерений малых напряжений, поскольку в этом случае величина добавочного сопротивления, как правило, соизмерима с эквивалентным сопротивлением выпрямителя. Для минимизации температурной зависимости результатов измерений часто используют последовательное соединение сопротивления , выполненного из манганина (сплава на основе 85 % меди, 11,5…13,5 % марганца и никеля), характеризующегося малым изменением электрического сопротивления при комнатных температурах, и сопротивления , выполненного из меди, удельное сопротивление которой возрастает с увеличением температуры. При увеличении частоты увеличивается компонента тока, протекающего через емкости p-n переходов диодов выпрямителя, что приводит к занижению показаний прибора. Для компенсации частотных искажений используют шунтирующую емкость , подключаемую к части резистора - рисунок 2.4 [4].



2.3 Мощность в цепи переменного тока и коэффициент мощности

В отличии от сетей постоянного тока, где мощность имеет выражение

и не изменяется во времени, в сетях переменного тока это не так. Мощность в цепи переменного тока также является переменной величиной. На любом участке цепи в любой момент времени t она определяется как произведение мгновенных значений напряжения и тока. Рассмотрим все 4 параметра:

1. Активная мощность: обозначение P, единица измерения: Ватт

2. Реактивная мощность: обозначение Q, единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)

3. Полная мощность: обозначение S, единица измерения: ВА (Вольт Ампер)

4. Коэффициент мощности: обозначение k или , единица измерения: безразмерная величина

Активная мощность,P

В цепи с чисто активным сопротивлением она равна:

Если принять, что

и , тогда выйдет:



Исходя из выражений выше - активная энергия состоит из двух частей - постоянной и переменной

,

которая меняется с двойной частотой. Среднее её значение

.

На рисунке 2.5 можно увидеть график зависимости .

Рисунок 2.5 - График

Реактивная мощность, Q

Реактивная мощность это величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока.

В цепи, где есть реактивное сопротивление (для примера возьмем индуктивное) значение мгновенной мощности равно:

Соответственно

и

в итоге получим:

Данное выражение показывает, что реактивная энергия содержит только переменную часть, которая изменяется с двойной частотой, а ее среднее значение равно нулю. На рисунке 2.6 показан график

Рисунок 2.6 - График

Полная мощность S на примере простой R-L цепи



Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому полная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

На рисунке 2.7 представлены графики изменения мгновенных значений u, i. Из графика видно, что коэффициент является фазовым сдвигом между током и напряжением.

Рисунок 2.7 - графики изменения мгновенных значений u,i



Уравнение для полной мощности S примет следующий вид:

,

Подставим вместо

и заменим амплитудные значения на действующие:

Значение S рассматривается как сумма двух величин

,

Где

и

являются мгновенными активными и реактивными мощностями на участках R-L. На рисунке 2.8 показан график p,q,s величин.

Рисунок 2.8 - графики активной, реактивной и полной мощности

Как видим из графика, наличие индуктивной составляющей повлекло за собой появление отрицательной части в полной мощности (заштрихованная часть графика), что снижает ее среднее значение. Это происходит из-за фазового сдвига, в какой-то момент времени ток и напряжение находятся в противофазе, поэтому появляется отрицательное значение S. ток напряжение мощность сопротивление

Итоговые выражения для действующих значений:

Активная составляющая сети выражается в ваттах (Вт), а реактивная в вольт-амперах реактивных (вар).

Полная мощность сети S, обусловлена номинальными данными генератора. Для генератора она обусловлена выражением:

Для нормальной работы генератора ток в обмотках и напряжение на зажимах не должны превышать номинальные значения , . Для генератора значения P и S одинаковы, однако все-таки на практике условились S выражать в вольт-амперах (ВА).

Также энергию сети можно выразить через каждую составляющую отдельно:

Где S, P, Q - соответственно активное, реактивное и полное сопротивление сети. Они образуют треугольник мощностей, показанный на рисунке 2.9:

Рисунок 2.9 - треугольник мощностей с преобладающей индуктивной нагрузкой

В заключении можно сказать, что в отличии от цепей постоянного тока, цепи переменного напряжения имеют три вида мощности - активная, реактивная, полная. Активная энергия, как и в цепях постоянного тока, выполняет полезную работу. Реактивная - не выполняет ничего полезного, а только снижает КПД сети, греет провода, грузит генератор. Полная - сумма активной и реактивной, она равна мощности сети. Индуктивная составляющая реактивной энергии может быть скомпенсирована емкостной. На практике в промышленности это реализовано в виде конденсаторных установок.

Коэффициент мощности,

Коэффициентом мощности или cos ц электрической сети называется отношение активной мощности к полной мощности нагрузки расчетного участка. Рассчитывается по формуле

· cos ц - коэффициент мощности;

· Р - активная мощность Вт;

· S - полная мощность ВА.

Коэффициент мощности можно определить как расчетным путем, так и измерить специальными приборами. Только в том случае, когда нагрузка имеет исключительно активный характер, cos ц равен единице. В основном же, активная мощность меньше полной и поэтому коэффициент мощности меньше единицы.

Следует учитывать, что низкий коэффициент мощности потребителя приводит:

· к необходимости увеличения полной мощности трансформаторов и электрических станций, а также к увеличению сечения питающих линий электропередач;

· к понижению коэффициента полезного действия вырабатывающих и трансформирующих элементов цепи;

· к увеличению потерь мощности и напряжения в проводах. При одних и тех же значениях мощности и напряжения уменьшение коэффициента мощности сопровождается увеличением тока в проводах, вследствие чего возрастают потери на нагрев, что, в свою очередь, приводит к падению напряжения в сети;

Чем меньше коэффициент мощности сети, тем менее загружена сеть активной мощностью и тем меньше коэффициент полезного действия использования сети. В связи с этим необходимо, чтобы как можно большую часть в полной мощности составляла именно активная мощность, а не реактивная, в этом случае коэффициент мощности будет ближе к единице.

Чтобы лучше понять данный вопрос, давайте рассмотрим причины низкого коэффициента мощности:

· Недогрузка асинхронных электродвигателей. Потребляемая активная мощность уменьшается пропорционально нагрузке, а реактивная мощность изменяется меньше;

· Неправильный выбор типа электродвигателя. Двигатели быстроходные и большой мощности имеют более высокий коэффициент мощности, чем тихоходные и маломощные;

· Повышение напряжения в сети. Ведет к увеличению намагничивающего тока индуктивных потребителей реактивной составляющей полного тока;

Для увеличения коэффициента мощности можно:

· изменить мощность и тип устанавливаемых электродвигателей;

· увеличить загрузку электродвигателей в процессе работы;

· уменьшить время работы в холостом режиме оборудования потребляющего индуктивную мощность;

· установить установку компенсации реактивной мощности с конденсаторами производства "Нюкон" [5].



2.4 Измерение разности фаз сигналов

Оценку разности фаз между двумя сигналами

и

,

которая имеет вид

,

можно получить, используя метод наблюдения сигналов с помощью осциллографа. Поскольку величины и определены только для моделей сигналов, разность фаз , являющуюся величиной относительной, находят, приняв один из наблюдаемых сигналов - например, А - опорный - рисунок 2.5.

Рисунок 2.10 - осциллографический метод измерения разности фаз

Так как полный период колебания составляет величину , то

где T - величина временного интервала, соответствующая периоду колебаний, а - интервал времени между отсчетами сигналов А (опорного) и В (измеряемого). Каждый из этих двух отсчетов характеризуется одинаковыми значениями аргументов гармонических функций сигналов А и В. Если осциллограмма сигнала В находится правее осциллограммы сигнала А, это значит, что аргумент гармонической функции сигнала В достигает такого же значения, что и аргумент сигнала А, позже. В этом случае говорят, что сигнал В опережает по фазе сигнала А и рассчитанный фазовый сдвиг отрицателен. В противном случае (сигнал В' на рисунке 2.5) величину следует брать с положительным знаком, так как сигнал В' отстает по фазе от сигнала А.

Измерение разности фаз фазометром

Принцип работы прибора основан на преобразовании фазового сдвига в напряжение (или ток) и последующем измерении этого напряжения (тока) с помощью стрелочного или цифрового измерителя. На рисунке 2.6 представлена функциональная схема простейшего фазометра, реализующего преобразование фазового сдвига в интервал времени.

Рисунок 2.11 - Функциональная схема и временные диаграммы работы фазометра с измерительным прибором стрелочного типа

На выходах компараторов входных сигналов формируются последовательности прямоугольных импульсов, которые поступают на вход разностного формирователя. Среднее значение напряжения этого сигнала, измеряемого выпрямительным вольтметром, пропорционально величине фазового сдвига

.

Поэтому шкала такого прибора, проградуированная в градусах, линейна. Фазометры такого типа позволяют измерять величины фазовых сдвигов в диапазоне значений 0… с погрешностью 0,1…1, [6].



3. Краткие сведения о погрешностях измерений

3.1 Погрешность измерений

Погрешностью измерений называют отличие измеренной величины от ее истинного значения.

Погрешность абсолютная выражается разностью между измеренным значением величины и ее истинным значением

.

Она выражается в единицах измеряемой величины (например, при измерении напряжения - [В]). Отсутствие знака погрешности означает, что истинное значение находится в пределах относительно измеренного значения .

Погрешность относительная - отношение абсолютной погрешности к истинному значению:

.

Поскольку истинное значение при проведении измерений остается неизвестным, то при расчетах вместо используют измеренное значение и считают, что

.

В большинстве случаев относительную погрешность выражают в процентах.



3.2 Основные источники погрешностей

Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Ее причиной может быть не учитываемое взаимное влияние объекта измерений - электрической цепи и измерительных приборов. Так, на рисунке 3.1 представлены две схемы включения амперметра и вольтметра в цепь постоянного тока.

Рисунок 3.1 - схемы включения амперметра и вольтметра

Включение приборов по схеме рис. 3.1(а) обеспечивает наиболее точное измерение величины тока ,

протекающего через резистор , а включение по схеме рис. 3.1(б) - наиболее точное измерение падения напряжения на этом резисторе. Вместе с тем, в первом случае вольтметр измерит сумму падений напряжения на резисторе

R и внутреннем сопротивлении амперметра ,

а во втором случае амперметр измерит величину суммы токов, протекающих через резистор R и внутреннее сопротивление вольтметра . Вычисленные на основании совместных показаний приборов оценки сопротивления R будут различны и будут отличаться от его истинного значения:

Найдем относительные методические погрешности измерений :

Поскольку >> , схема, приведенная на рис. 3.1(a), обеспечит меньшие погрешности при измерении больших сопротивлений R, а схема, приведенная на рис. 3.1(б) - при измерении малых сопротивлений. В остальных случаях следует поочередно использовать обе схемы для обеспечения точного измерения величин и .

Погрешность квантования - имеет место в средствах измерения или методах, использующих эту процедуру - цифровых измерительных приборах, аппроксимационных методах измерений и т.п.

Погрешность средства измерения - составляющая погрешности измерений, обусловленная несовершенством средства измерений (прибора).

Погрешность наблюдения - погрешность, возникающая при наблюдении положения стрелки стрелочного прибора, визуального определения параметров осциллограммы и т.д. Зависит, прежде всего, от квалификации оператора. Её составляющие - погрешность считывания, погрешность интерполяции (неточное определение дробной части деления шкалы) и др.

3.3 Оценка конечных результатов измерений

В результате обработки серии измеренных значений различают следующие три вида погрешностей. На рисунке 3.2 представлены различные погрешности результатов измерений.

Рисунок 3.2 - различные погрешности результатов измерений

Погрешность грубая (промах) - погрешность измерений, значительно превосходящая по значению ожидаемую при данных условиях измерений. Основной источник таких погрешностей - ошибки оператора или дефекты измерительного прибора. Наличие этих погрешностей выявляется при обработке результатов измерений показанных на рисунке 3.2(а), после чего эти результаты исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Погрешность систематическая - обусловлена несовершенством средства измерений и метода измерений (рис. 3.2,б).

Погрешность случайная - причиной возникновения этой погрешности являются непредвиденные изменения параметров исследуемой цепи, средства измерений, окружающей среды (рис. 3.2,в) [7].



Заключение

В ходе изучения и написания реферата были рассмотрены измерения в цепях постоянного и переменного тока. Рассмотрены множество разновидностей приборов измеряющих электрические величины. Были приведены структурные схемы, схемы включения приборов в цепях переменных и постоянных токов, схемы электрические принципиальные и т.п. В конце данной работы были рассмотрены виды погрешностей, их источники и оценки.



Список используемой литературы

1. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс) / Дьяченко К.П., Зорин Д.И., Новицкий П.В. и др. Под ред. Е.Г. Шрамкова. - М.: Высш. школа, 1972. - 520 с.

2. Электрические измерения: Учебник для вузов. / Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душин Е.М. и др. - Л.: Энергия, 1980. - 392 с.

3. Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов / Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Душин Е.М. и др. Под ред. Е.М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.

4. Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков. Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 288 с.

5. Жаворонков М.А. Электротехника и электроника. - М.: Издательский центр "Академия", 2005 г.

6. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. - М.: Мир, 1990. - 535 с.

7. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. - М.: Издательство стандартов, 1991. - 176 с.

Размещено на Allbest.ru

...