Методи вимірювання. Будова, принцип дії та характеристики приладів електромагнітної системи. Робота електронно-променевого осцилографу у режимах внутрішньої та зовнішньої синхронізації

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Методи вимірювання

Метод вимірювання - прийом або сукупність прийомів порівняння вимірюваної фізичної величини з її одиницею відповідно до реалізованого принципу вимірювань.

Під принципом вимірювання розуміється фізичне явище або ефект, що покладено за основу виміру тим або іншим типом засобів вимірювання. Наприклад, застосування ефекту Доплера для вимірювання швидкості, сили тяжкості при вимірюванні маси зважуванням.

Метод вимірювань зазвичай обумовлений пристроєм засобів вимірювань.

Розрізняють наступні основні методи вимірювань: порівняння з мірою, безпосередньої оцінки, нульовий, диференціальний, контактний і безконтактний.

Метод порівняння з мірою - це метод в якому вимірювану величину порівнюють з еталонною величиною. Наприклад, вимірювання маси на важільних вагах із зрівноважуванням

Безпосередній метод - метод вимірювання, де значення величини визначається безпосередньо по відліковому пристрою приладу, щовимірюється. Наприклад, вимір розміру за допомогою штангенциркуля або мікрометра. Нульовий метод вимірювання - метод порівняння з мірою, у якому результуючий ефект впливу вимірюваної величини і заходи доводять до нуля. Наприклад, вимірювання опору за допомогою моста опорів.

Диференціальний метод вимірювань - метод вимірювання, в якому вимірювану величину порівнюють з однорідною величиною,з відомим значенням, вона незначно відрізняється від вимірюваної величини, при якому вимірюється різниця між цими значеннями. В цьому випадку відносна похибка Ах вимірюваної величини х буде дорівнює



де 1 - відносна (віднесена до номінального значення заходів хі - похибка калібрування заходи; " - інструментальна похибка приладу (а = х - хі).

При малих а вплив і на точність результату вимірювання може бути зведена до нуля. Цей метод знайшов широке поширення в повірці.

Контактний метод вимірювання - метод, полягає в тому, що в контакт з об'єктом вимірювання приводиться чутливий елемент приладу. Наприклад, контроль температури термометром.

Безконтактний метод вимірювання -навпаки чутливий елемент приладу не контактує з об'єктом вимірювання. Наприклад, вимірювання температури пірометром.

Метод вимірювання заміщенням - метод порівняння з мірою, у якому вимірювану величину замінюють відомою величиною, що відтворюється мірою. Наприклад, на чашку ваг, призначену для зважування маси, встановлюють повний комплект гир і врівноважують ваги довільним вантажем. Потім на чашку з гирями поміщають масу, що потрібно зважити і знімають частину гир для відновлення рівноваги. Сумарне значення маси знятих гир відповідає значенню зваженої маси (спосіб Д. І. Менделєєва).

Метод вимірювань доповненням - порівняння з мірою, де вимірювана величина доповнюється мірою іншої величини з таким розрахунком, щоб на прилад впливала сума, рівна заздалегідь заданому значенню.

Вибір того чи іншого методу вимірювань визначається призначенням їх результатів та вимогами до точності.

Для оцінки ступеня наближення результатів вимірювання до істинного значення вимірюваної величини використовуються методи теорії ймовірностей і математичної статистики.

Використання методів, розроблених в рамках теорії ймовірностей і математичної статистики, дозволяє з певною вірогідністю оцінити межі похибок, за межі яких вони не виходять, що дає можливість для кожного конкретного випадку вибрати засоби і методи вимірювання, що забезпечують отримання результату, похибки якого не перевищують заданих меж необхідної ступенем довіри до результатів вимірювань (вірогідністю).

2. Будова, принцип дії та характеристики приладів електромагнітної системи

Прилад електромагнітної системи - це прилад, в якому обертаючий момент виникає в результаті взаємодії поля електромагніта з феромагнітним сердечником.

Електромеханічний прилад містить у собі (рис. 1):

електромагнітний фізичний обертаючий

Рис. 1 - Загальна структурна схема електромеханічного приладу

ВП - вхідний перетворювач (поділювач напруги, шунти, діоди і т.д.);

ВМ - вимірювальний механізм, що складається з рухомої і нерухомої частини;

ПВ - відліковий пристрій (шкала із числовими позначками).

Х - вхідна (вимірювана) величина;

Y1 - перетворена величина;

Y2 - величина, перетворена в механічну (кутове переміщення рухомої частини)

Існують три конструкції електромагнітних вимірювальних механізмів: із плоскою котушкою (рис. 2, а), із круглою котушкою (рис. 2, б) і із замкнутим магнітопроводом (рис. 2, в). Із перечислених механізмів останній є найдосконалішим.

Будова механізму із плоскою котушкою:

- неферомагнітний каркас із котушкою з товстого дроту;

- феромагнітний сердечник (пластина);

- вісь із опорами.

Будова механізму із круглою котушкою: 2 - рухомий сердечник;

- стрілка;

6 - нерухомий сердечник.

Будова механізму із замкнутим магнітопроводом:

Рис. 2

- котушка;

- рухомий сердечник з магнітом'якої сталі або пермалоя;

- нерухомий магнітопровід; 4, 5 - полюсні наконечники.

Принцип дії електромагнітних вимірювальних приладів розглянемо на прикладі механізму із плоскою котушкою (рис. 3, а). Вимірюваний струмстворює намагнічуючу силу, що протікає через котушку 1, і ця сила притягує всередину котушки феромагнітний сердечник 2, що викликає поворот стрілки приладу.

Протидіючі пружини використовують для створення протидії Для зупинення коливань рухомої частини в електромагнітних вимірювальних механізмах в основному використовують рідинні або повітряні заспокоювачі.

Із рівняння шкали видно, що кут відхилення стрілки залежить від квадрата струму, тому приладами електромагнітної системи можна вимірювати як постійний струм, так і змінний.

Електромагнітні вимірювальні механізми використовують в амперметрах і вольтметрах.

Переваги

· Простота конструкції.

· Витримують як короткочасні, так і тривалі навантаження.

· Можуть вимірювати більші струми, тому що котушки нерухомі та їх можна намотати провідником великого січення.

· Можуть працювати в колах постійного і змінного струму.

Недоліки

· Нерівномірність шкали і відносно низька чутливість при вимірюваннях малих струмів.

· Низький частотний діапазон вимірювань.

· Велике власне споживання енергії.

· Залежність показників приладу від впливу зовнішніх магнітних полів.

Випускаються у промислових масштабах:

o щитові однограничні амперметри класів точності 1,0; 1,5; 2,5 на струми до 300 А з вбудованими трансформаторами струму;

o переносні вольтметри класу точності 0,5 з верхньою межею вимірювань від 1,5 до 600 В;

o переносні амперметри класу точності 0,5 з верхньою межею вимірювань від 10мА до 10А на частоти до 1500 Гц;

o щитові вольтметри класів точності 1,0; 1,5; 2,5 з верхніми межами вимірювань від 0,5 до 600 В безпосереднього включення і до 450 кВ із трансформаторами напруги на різні фіксовані частоти від 50 до 1000 Гц.

Логометр електромагнітної системи

Широкого використання на змінному струмі набули електромагнітні логометри які бувають двохмоментні й трьохмоментні.

Двохмоментний логометр електромагнітної системи (рис. 3), складається із двох сердечників і двох нерухомих котушок, що кріпляться на одній осі. При збільшенні кута повороту і зміні положення сердечників щодо котушокзі струмами,індуктивність однієї котушки зростає, а іншої спадає. Обертаючі моменти, що діють на сердечники,спрямовуються в різні боки.

Рис. 3 - Будова двохмоментного магнітоелектричного логометра

Електромагнітні вимірювальні логометричні механізми використовуються в фазометрах і частотомірах, але менш поширені, ніж логометри магнітоелектричної й електродинамічної систем.

3. Робота електронно-променевого осцилографу у режимах внутрішньої та зовнішньої синхронізації

Передбачено в осцилографі режими синхронізації генератора розгортки:

- «Зовнішня» синхронізація;

-«Внутрішня» синхронізація;

- Синхронізація «від мережі».

Один з цих режимів вибирається вручну установкою перемикача «Джерело синхронізуючої напруги» на передній панелі осцилографа в відповідне положення.

Внутрішня синхронізація використовується найчастіше,коли на вхід вузла синхронізації надходить досліджувана напруга з виходу попереднього підсилювача КВО, тобто з внутрішнього вузла осцилографа. При внутрішньої синхронізації на осцилограф достатньо подавати тільки дані досліджуваної напруги.

Зовнішня синхронізація використовується рідше, де на вхід вузла синхронізації надходить напруга,що подана на спеціальний вхід«Вхідзовн. синхрон. »осцилографа. При зовнішньої синхронізації на осцилограф потрібно подати дві напруги: перша - досліджувана, а друга - синхронізуюча розгортку. Тобто напруга розгортки стає синхронізована з другою напругою, а на екрані спостерігають форму першої - досліджуваної. Сталий зображення на екрані вийде коли вони самі будуть між собою синхронні.

Режим зовнішньої синхронізації використовується, наприклад, коли:

- Потрібно переконатися в синхронності деяких двох напруг;

- Досліджувана напруга крім сигналу містить шум (в цьому випадку при внутрішньої синхронізації зображення буде нестійким), а деякий синхронне з ним напруга шуму не містить;

- Потрібно виміряти тимчасової зрушення одного напруги щодо іншого і т.п.

Іноді використовується синхронізація «від мережі», Тобто від мережі живлення «220 В, 50 Гц», при якій на вхід вузла синхронізації надходить напруга від джерела живлення осцилографа, що є частиною поданого на це джерело зовнішньої напруги харчування «220 В, 50 Гц». По суті це режим зовнішньої синхронізації, але небезпечна напруга «220 В, 50 Гц» від мережі живлення на вхід «Вхідзовн. синхрон. »подавати не потрібно, так як воно вже введено всередину осцилографа по дроту живлення. Природно, цей режим синхронізації неможливий, якщо осцилограф харчується від вбудованого в нього акумулятора. Режим синхронізації «від мережі» використовується, наприклад, для перевірки, чи не містить досліджувана напруга наводку від мережі живлення і т.п.

4. Методи одного ватметра для вимірювання активної та реактивної потужності у трифазному колі

Вимірювання потужності ватметром в колах постійного струму здійснюють рідко.

Вимірювання потужності в трифазних колах. Потужність трифазної системи дорівнює сумі потужностей, споживаних навантаженнями кожної фази:

P = Pa + Pb + Pc.

У випадку рівномірного навантаження загальна активна потужність дорівнює потроєній потужності однієї з фаз:

Р = 3Рф = 3Io-Uo-cosq,

де Рф і иф - фазні струм і напруга.

Якщо фазні значення струму й напруги виразити через лінійні, то матимемо:

Р = V3U * I ¦ cosj,

де I і U - лінійні струм і напруга.

Вимірювання активної потужності. Для вимірювання активної потужності трифазної системи застосовують різні способи:

Спосіб одного ватметра застосовують для вимірювання потужності при симетричному навантаженні в чотирипровідній або трипровідній лінії, якщо доступна для підключення нейтральна (нульова) точка навантаження (рис. 4). При цьому загальна потужність дорівнює потроєному показанню ватметра:

Рис. 4

Спосіб одного ватметра із створенням штучної нульової точки застосовують для вимірювання потужності при симетричному навантаженні в тих випадках, коли нульова (нейтральна) точка електроприймача недоступна або взагалі відсутня (наприклад, у з'єднанні «трикутником»). При цьому в одну з фаз вмикають струмову обмотку ватметра, а нульову (нейтральну) точку одержують вмиканням двох однакових опорів Rd між двома іншими фазами (рис. 4). У цьому випадку загальна потужність дорівнює потроєному показанню ватметра.

5. Практичні задачі

Частотомір має клас точності 0,1 та діапазон вимірювання від 45 Гц до 55 Гц. Побудувати графіки його абсолютної та відносної похибки, якщо виміряне значення становить = 47,5 Гц.

Для визначення похибки під час користування електровимірювальним приладом необхідно знати його клас точності, виражений у відсотках, і максимальне значення величини, яку можна виміряти приладом.

Результати вимірювань:

де A -- дійсне значення фізичної величини; а -- результат вимірювань; ?а -- похибки.

А = 47,5 Гц, Е = 0,1

ас =

?а = А-ас = 47,5-50 = -2,5 Гц

Відносна похибка визначається за формулою:

де a -- значення величини, результат вимірювань; ?a -- абсолютна похибка вимірювань.

Рис. 5

Обрахувати методичну похибку підключення, якщо опір ватметру за напругою склав RV= 20кОм, опір ватметру за струмом складав R1 = 10 мОм, а загальний опір ланцюга складав R= 250 Ом. Обґрунтувати вибір та навести схему підключення ватметра.

U = IRІRV / (RІ + RV)

R = RІ (R0 + RV) / (Rи + RV);

м = (R - RІ) 100 % / RІ = = 1,24995 %

Проведено n = 10 вимірювань потужності, отримано наступні значення:

400 Вт; 399 Вт; 398 Вт; 399 Вт; 401 Вт;

399 Вт; 399 Вт; 400 Вт; 399 Вт; 399 Вт.

Межа вимірювання ватметру за струмом становила Іmax = 5 А, а за напругою - Umax = 150 В, клас точності ватметру 0,5. Обрахувати і записати результат вимірювання.

Потужність визначається за формулою Р = U*I

Обробивши отримані значення потужності маємо 4 основних показники:

Р1 = 400 Вт, Р2 = 399 Вт, Р3 = 398 Вт, та Р4 = 401 Вт.

Знаходимо значення напруги за силою струму:

U1 = Р1/Imax = 400/5 = 80 В

U2 = Р2/Imax = 399/5 = 79,8 В

U3 = Р3/Imax = 398/5 = 79,6 В

U4 = Р4/Imax = 401/5 = 80,2 В

Знайдемо відносну похибку 4 показів

= = 0,5 0,9375 %

= = 0,5 0,9398 %

= = 0,5 0,9422 %

= = 0,5 0,9351 %

Найбільша відносна похибка при вимірюванні потужності 398 Вт - 0,9422%. Найточнішим було вимірювання потужності з значенням 401 Вт, у нього найменша похибка 0,9351%

Повіряється вольтметр із класом точності 0,25 та межею вимірювання Umax = 300 В. повірка проводилась у 5 точках шкали через кожні 50 В, при цьому зразковий прилад показав відповідно наступні значення

50,02 В; 99,87 В; 150,92 В; 200,10 В; 249,99 В; 300,03В.

Визначити придатність приладу, що повіряється.

Без відхилень ми мали б отримати значення 50В, 100В, 150В, 200В, 250В, 300В.

Знаходимо середнє значення відхилення напруги для отриманих значень:

= 50-50,02 = -0,02 В

= 100 - 99,87 = 0,13 В

= 150 - 150,92 = -0,92 В

= 200-200,1 = -0,1 В

= 250-249,99 = 0,01 В

= 300 - 300,03 = -0,03 В

Знаходимо середнє значення похибки у відхиленнях

= - 0,155 В

Знайдемо похибку для приладу за класом точності:

= = 0,125

Прилад,що повіряється не є придатним для роботи оскільки похибка 0,155 більша за похибку 0,125, а отже прилад не проходить повірку.

Обрахувати опори додаткових резисторів для розширення межі вимірювання вольтметру, якщо опір вольтметру становить 40 Ом, а додаткові межі мають становити відповідно 10 В, 250 В, 500 В, при цьому робочий струм вольтметру становить І0 = 2 мА.

Визначимо робочу напругу вольтметра згідно закону Ома:

U0 = R0 * І0 = 40000 Ом *0,002 А = 80 В

Обчислюємо опори додаткових резисторів:

R1 = U1 / I = 10/0.002 = 5*103Ом

R2 = U2/ I = 250/0.002 = 125*103Ом

R3 = U3 / I = 500/0.002 = 250*103Ом

У вимірювальне коло було ввімкнуто ВТН та ВТС.

Покази амперметру, що підключений до первинного кола, становили I1 = 24 A, покази ватметру, що підключено до вторинного кола, становили P2 = 250 Вт, а покази вольтметру, що підключено до вторинного кола, становили U2 = 76 В.

Обрахувати параметри первинного та вторинного кіл та коефіцієнт трансформації за струмом та напругою, якщо навантаження первинного кола становило R1 = 10 Ом.

Знаходимо силу струму із співвідношення потужності та напруги:

І2 = Р2/U2 = 250 / 76 = 3,29 А

Коефіцієнт трансформації за струмом визначаємо за формулою:

КІ = І1 / І2 = 24/3,29 = 7,29

Визначаємо напругу первинного кола:

U1 = R1 *I1 = 10 * 24 = 240 B

Коефіцієнт трансформації за напругою визначаємо за формулою:

KU = U1/U2 = 240/76 = 3,15

Потужність первинного кола визначаємо за формулою

Р1 = KI*KU*P2 = 7,29 * 3,15 * 250 = 5740,9 Вт

При підключенні двоелементного лічильника до трифазного кола було сплутано його вхід С та В за напругою. Визначити в якій бік буде обертатися диск лічильника та які він дасть покази за час t = 85 с., якщо напруга кола UA = UB = UC = 100 В, струм IA = IB = IC = 5 А, а кути зсуву фаз цА = 65є, цС = 50є.

P1= IС·UBС· cos( IС;UBС) = IС·UBС· cos ( 65є+50є+ц) = - IС·UBС· cos (65є+ц) P2 = IА·UCA· cos ( IА;UCA) = IА·UCA· cos (65є+ц)

Загальна потужність: P?=P1+P2= IФ·UЛ· cos (65є+ц) - - IФ·UЛ· cos (65є+ц) = 0

Диск і ідеалі не має обертатися взагалі.

Знайти номінальну та дійсну сталу індукційного лічильника із класом точності 2,5, за час 15 обертів диску t = 2 хв. Його покази становили W=0,00323 кВтгод. Обрахувати потужність у вимірювальному ланцюзі.

Розв'язок

Один повний оберт диску складає кут б= 360о = 2. Якщо кількість обертів за час t= 2 становить N= 15, тоді вказаний диск зробить 2N обертів. Тобто

б= 2N = К6W

де W- енергія, що пройшла крізь лічильник за час t.

W =

= Сн - номінальна стала лічильника, що обернена пропорційно до передаточного числа лічильника А

Дійсна стала лічильника

Сд =

Сд = = = 2,153

Остання залежить від струму навантаження та умов зовнішнього середовища. Тоді:

= W' - W = (Cн - Сд)

де W - енергія, що дійсно пройшла крізь лічильник;

W' - енергія, яку виміряв лічильник.

Звідси відносна похибка лічильника

Клас точності лічильника показує максимально допустиму відносну похибку лічильника.

= 2,5

(Сн-Сд) = = = 0,054

Сн = Сд+(Сн-Сд) = 2,153+0,0542 = 2,207

Размещено на Allbest.ru

...