Энергосбережение и энергоэффективность промышленности невозможно представить без электрических измерений, так как невозможно экономить то, чему не знаешь счета.

Электрические измерения выполняются по одному из следующих видов: прямой, косвенный, совокупный и совместный. Название прямого вида говорит само за себя, значение нужной величины определяется непосредственно прибором. Примером таких измерений может служить определение мощности ваттметром, силы тока амперметром и т. д.

Косвенный вид заключается в нахождении величины на основании известной зависимости этой величины и величины, найденной прямым методом. Примером может служить определение мощности без ваттметра. Прямым методом находят I, U, фазу и по формуле вычисляют мощность.

Совокупный и совместный виды измерений заключаются в одновременном измерении нескольких одноименных (совокупный) или не одноимённых (совместный) величин. Нахождение искомых величин осуществляется решением систем уравнений с коэффициентами, полученными в результате прямых измерений. Число уравнений в такой системе должно равняться числу искомых величин.

Прямые измерения как самый распространенный вид измерений могут производиться двумя основными методами:

• метод непосредственной оценки
• метод сравнения с мерой .

Первый метод является самым простым, так как значение нужной величины определяют по шкале прибора.

Таким методом определяется сила тока амперметром, напряжение вольтметров и т. д. Достоинством данного способа можно назвать простоту, а недостатком невысокую точность.

Измерения сравнением с мерой выполняется по одной из следующих методик: замещения, противопоставления, совпадения, дифференциальной и нулевой. Мера является своего рода эталонным значением некоторой величины.

Дифференциальный и нулевой методы – заложены в основе работы измерительных мостов. При дифференциальном методе делают неуравновешенно-показывающие мосты, а при нулевом – уравновешенные или нулевые.

В уравновешенных мостах сравнение происходит при помощи двух или более вспомогательных сопротивлений, подбираемых таким образом, чтобы со сравниваемыми сопротивлениями они составляли замкнутый контур (четырехполюсник), питаемый от одного источника и имеющий равнопотенциальные точки, обнаруживаемые индикатором равновесия.

Отношение между вспомогательными сопротивлениями является мерой отношения между сравниваемыми величинами. Индикатором равновесия в цепях постоянного тока выступает гальванометр, а в цепях переменного тока милливольтметр.

Дифференциальный метод иначе называют разностным, так как на средство измерения воздействует именно разность известной и искомой величины тока. Нулевой метод является предельным случаем дифференциального метода. Так например, в указанной мостовой схеме гальванометр показывает ноль, если соблюдается равенство:

R1*R3 = R2*R4;

Из этого выражения следует:

Rx=R1=R2*R4/R3.

Таким образом, можно вычислить сопротивление любого неизвестного элемента, при условии, что остальные 3 являются образцовыми. Образцовым также должен быть и источник постоянного тока.

Метод противопоставления – иначе этот метод называют компенсационным и используют для непосредственного сравнения напряжения или ЭДС, тока и косвенно для измерений других величин, преобразуемых в электрические.

Две встречно направленные ЭДС, не связанные между собой включаются на прибор, по которому уравновешивают ветви схемы. На рисунке: требуется найти Ux. С помощью образцового регулируемого сопротивления Rk добиваются такого падения напряжения Uk, чтобы численно оно было равноUx.

Судить об их равенстве можно по показаниям гальванометра. При равенстве Uки Uх ток в цепи гальванометра протекать не будет, так как они противоположно направлены. Зная сопротивление и величину тока по формуле определяем Uх.

Метод замещения – метод, при котором искомую величину замещают или совмещают с известной образцовой величиной, по значению равной замещенной. Такой способ применяется для определения индуктивности или емкости неизвестной величины. Выражение, определяющее зависимость частоты от параметров цепи:

fо=1/(√LC)

Слева, частота f0 задаваемая генератором ВЧ, в правой части значения индуктивности и емкости измеряемой цепи. Подбирая резонанс частоты можно определить неизвестные значения в правой части выражения.

Индикатором резонанса является электронный вольтметр с большим входным сопротивлением, показания которого в момент резонанса будут наибольшими. Если измеряемую катушку индуктивности включить параллельно образцовому конденсатору и измерять резонансную частоту, то значение Lx можно найти по вышеуказанному выражению. Аналогично находится неизвестная емкость.

Вначале резонансный контур, состоящий из индуктивности Lи образцового конденсатора емкости Co, настраивают в резонанс на частоту fo; при этом фиксируют значения fo и емкости конденсатора Co1.

Затем, параллельно образцовому конденсатору Co подключают конденсатор Cхи изменением емкости образцового конденсатора добиваются резонанса при той же частоте fo; соответственно искомая величина равна Co2.

Метод совпадений – метод, при котором разность между искомой и известной величиной определяется по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. Ярким примером применения этого способа в жизни является измерение угловой скорости вращения различных деталей.

Для этого на измеряемом объекте наносят метку, например мелком. При вращении детали с меткой, на нее направляют стробоскоп, частота мигания которого известна изначально. Регулированием частоты стробоскопа добиваются, чтобы метка стояла на месте. При этом частоту вращения детали принимают равной частоте мигания стробоскопа.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ В
СИСТЕМАХ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Преподаватель: к.т.н., доцент кафедры ЭПП
Буякова Наталья Васильевна

Электротехнические измерения представляют собой
совокупность электрических и электронных измерений,
которые можно рассматривать как один из разделов
метрологии. Название «метрология» образовано от двух
греческих слов: metron - мера и logos - слово, учение;
дословно: учение о мере.
В современном понимании метрологией называют науку
об измерениях, методах и средствах обеспечения их
единства и способах достижения требуемой точности.
В реальной жизни метрология не только наука, но и
область практической деятельности, связанной с
изучением физических величин.
Предметом
метрологии
является
получение
количественной информации о свойствах объектов и
процессов, т.е. измерение свойств объектов и процессов с
требуемой точностью и достоверностью.

Измерения являются одним из важнейших путей познания
природы человеком.
Они дают количественную характеристику окружающего
мира, раскрывая человеку действующие в природе
закономерности.
Под измерением понимают совокупность операций,
выполняемых с помощью специального технического
средства, хранящего единицу измеряемой величины,
позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее
единицей и получить значение этой величины.
Результат измерений величины X записывается в виде
Х=А[Х],
где А − безразмерное число, называемое числовым
значением физической величины; [X] − единица
физической величины.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерение электрических величин, таких, как напряжение,
сопротивление, сила тока, мощность производятся с
помощью различных средств - измерительных приборов,
схем и специальных устройств.
Тип измерительного прибора зависит от вида и размера
(диапазона значений) измеряемой величины, а также от
требуемой точности измерения.
В электрических измерениях используются основные
единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф),
генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Электрическое
измерение
это
нахождение
(экспериментальными методами) значения физической
величины, выраженного в соответствующих единицах
(например, 3 А, 4 В).
Значения единиц электрических величин определяются
международным соглашением в соответствии с законами
физики и единицами механических величин.
Поскольку "поддержание" единиц электрических величин,
определяемых
международными
соглашениями,
сопряжено
с
трудностями,
их
представляют
"практическими"
эталонами
единиц
электрических
величин.
Такие
эталоны
поддерживаются
государственными
метрологическими лабораториями разных стран.

Все общепринятые электрические и магнитные единицы
измерения основаны на метрической системе.
В
согласии
с
современными
определениями
электрических и магнитных единиц все они являются
производными единицами, выводимыми по определенным
физическим формулам из метрических единиц длины,
массы и времени.
Поскольку же большинство электрических и магнитных
величин
не
так-то
просто
измерять,
пользуясь
упомянутыми эталонами, было сочтено, что удобнее
установить
путем
соответствующих
экспериментов
производные эталоны для некоторых из указанных
величин, а другие измерять, пользуясь такими эталонами.

Единицы системы СИ

Ампер, единица силы электрического тока, - одна из
шести основных единиц системы СИ.
Ампер (А) - сила неизменяющегося тока, который при
прохождении по двум параллельным прямолинейным
проводникам бесконечной длины с ничтожно малой
площадью кругового поперечного сечения,
расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от
другого, вызывал бы на каждом участке проводника
длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 ∗ 10−7 Н.
Вольт, единица разности потенциалов и электродвижущей
силы.
Вольт (В) - электрическое напряжение на участке
электрической цепи с постоянным током силой 1 А при
затрачиваемой мощности 1 Вт.

Кулон, единица количества электричества
(электрического заряда).
Кулон (Кл) - количество электричества, проходящее
через поперечное сечение проводника при
постоянном токе силой 1 А за время 1 с.
Фарада, единица электрической емкости.
Фарада (Ф) - емкость конденсатора, на обкладках
которого при заряде 1 Кл возникает электрическое
напряжение 1 В.
Генри, единица индуктивности.
Генри равен индуктивности контура, в котором
возникает ЭДС самоиндукции в 1 В при равномерном
изменении силы тока в этом контуре на 1 А за 1 с.

Вебер, единица магнитного потока.
Вебер (Вб) - магнитный поток, при убывании
которого до нуля в сцепленном с ним контуре,
имеющем сопротивление 1 Ом, протекает
электрический заряд, равный 1 Кл.
Тесла, единица магнитной индукции.
Тесла (Тл) - магнитная индукция однородного
магнитного поля, в котором магнитный поток
через плоскую площадку площадью 1 м2,
перпендикулярную линиям индукции, равен 1 Вб.

10. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют
мгновенные значения либо электрических величин, либо
неэлектрических, преобразованных в электрические.
Все приборы делятся на аналоговые и цифровые.
Первые обычно показывают значение измеряемой
величины посредством стрелки, перемещающейся по
шкале с делениями.
Вторые снабжены цифровым дисплеем, который
показывает измеренное значение величины в виде числа.
Цифровые приборы в большинстве измерений более
предпочтительны, так как они более точны, более удобны
при снятии показаний и, в общем, более универсальны.

11.

Цифровые универсальные измерительные приборы
("мультиметры") и цифровые вольтметры применяются
для измерения со средней и высокой точностью
сопротивления постоянному току, а также напряжения и
силы переменного тока.
Аналоговые
приборы
постепенно
вытесняются
цифровыми, хотя они еще находят применение там, где
важна низкая стоимость и не нужна высокая точность.
Для самых точных измерений сопротивления и полного
сопротивления (импеданса) существуют измерительные
мосты и другие специализированные измерители.
Для регистрации хода изменения измеряемой величины
во времени применяются регистрирующие приборы ленточные самописцы и электронные осциллографы,
аналоговые и цифровые.

12. ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

Во всех цифровых измерительных приборах (кроме
простейших) используются усилители и другие электронные
блоки для преобразования входного сигнала в сигнал
напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму
аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Число, выражающее измеренное значение, выводится на
светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или
жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей).
Прибор обычно работает под управлением встроенного
микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор
объединяется с АЦП на одной интегральной схеме.
Цифровые приборы хорошо подходят для работы с
подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах
измерений такой компьютер переключает измерительные
функции прибора и дает команды передачи данных для их
обработки.

13. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий,
последовательного приближения и параллельный.
Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по
времени. Из трех перечисленных типов это самый точный,
хотя и самый "медленный". Время преобразования
интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и
более, погрешность составляет 0,1-0,0003%.
Погрешность АЦП последовательного приближения
несколько больше (0,4-0,002%), но зато время
преобразования - от 10мкс до 1 мс.
Параллельные АЦП - самые быстродействующие, но и
наименее точные: их время преобразования порядка 0,25
нс, погрешность - от 0,4 до 2%.

14.

15. Методы дискретизации

Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого
измерения его в отдельные моменты времени и
удержания (сохранения) измеренных значений на время
преобразования их в цифровую форму.
Последовательность полученных дискретных значений
может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей
форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и
суммируя, можно вычислять среднеквадратическое
значение сигнала; их можно использовать также для
вычисления
времени
нарастания,
максимального
значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д.
Дискретизация по времени может производиться либо за
один период сигнала ("в реальном времени"), либо (с
последовательной или произвольной выборкой) за ряд
повторяющихся периодов.

16. Цифровые вольтметры и мультиметры

Цифровые
вольтметры
и
мультиметры
измеряют
квазистатическое значение величины и указывают его в
цифровой форме.
Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение,
обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять
напряжение постоянного и переменного тока, силу тока,
сопротивление постоянному току и иногда температуру.
Эти самые распространенные контрольно-измерительные
приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2
до 0,001% могут иметь 3,5- или 4,5-значный цифровой дисплей.
"Полуцелый" знак (разряд) - это условное указание на то, что
дисплей может показывать числа, выходящие за пределы
номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5разрядный) дисплей в диапазоне 1-2 В может показывать
напряжение до 1,999 В.

17.

18. Измерители полных сопротивлений

Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие
емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность
катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс)
соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором.
Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ
до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и
индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г.
Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни
один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах,
близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но
точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых
значений.
Большинство приборов могут показывать также производные
величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь
конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.

19.

20. АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ

Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на
постоянном
токе
применяются
аналоговые
магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и
многовитковой подвижной частью.
Такие приборы стрелочного типа характеризуются
погрешностью от 0,5 до 5%.
Они просты и недороги (пример - автомобильные
приборы, показывающие ток и температуру), но не
применяются там, где требуется сколько-нибудь
значительная точность.

21. Магнитоэлектрические приборы

В таких приборах используется сила взаимодействия
магнитного поля с током в витках обмотки подвижной
части, стремящаяся повернуть последнюю.
Момент этой силы уравновешивается моментом,
создаваемым противодействующей пружиной, так что
каждому значению тока соответствует определенное
положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет
форму многовитковой проволочной рамки с размерами от
3-5 до 25-35 мм и делается как можно более легкой.
Подвижная
часть,
установленная
на
каменных
подшипниках или подвешенная на металлической
ленточке, помещается между полюсами сильного
постоянного магнита.

22.

Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий
момент, служат также токопроводами обмотки подвижной
части.
Магнитоэлектрический
прибор
реагирует
на
ток,
проходящий по обмотке его подвижной части, а потому
представляет
собой
амперметр
или,
точнее,
миллиамперметр (так как верхний предел диапазона
измерений не превышает примерно 50 мА).
Его можно приспособить для измерения токов большей
силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части
шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в
обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля
полного измеряемого тока.
Такое устройство пригодно для токов, измеряемых
многими тысячами ампер. Если последовательно с
обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор
превратится в вольтметр.

23.

Падение напряжения на таком последовательном
соединении
равно
произведению
сопротивления
резистора на ток, показываемый прибором, так что его
шкалу можно проградуировать в вольтах.
Чтобы
сделать
из
магнитоэлектрического
миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему
последовательно измеряемые резисторы и подавать на
это
последовательное
соединение
постоянное
напряжение, например от батареи питания.
Ток в такой схеме не будет пропорционален
сопротивлению, а потому необходима специальная шкала,
корректирующая нелинейность. Тогда можно будет
производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя
и с не очень высокой точностью.

24. Гальванометры

К
магнитоэлектрическим
приборам
относятся
и
гальванометры - высокочувствительные приборы для
измерения крайне малых токов.
В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть
подвешена на тонкой ленточке или нити, используется
более сильное магнитное поле, а стрелка заменена
зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 1).
Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а
угол
его
поворота
оценивается
по
смещению
отбрасываемого им светового зайчика на шкале,
установленной на расстоянии около 1 м.
Самые чувствительные гальванометры способны давать
отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока
всего лишь на 0,00001 мкА.

25.

Рисунок 1. ЗЕРКАЛЬНЫЙ ГАЛЬВАНОМЕТР измеряет ток,
проходящий через обмотку его подвижной части, помещенной в
магнитное поле, по отклонению светового зайчика.
1 - подвес;
2 - зеркальце;
3 - зазор;
4 - постоянный
магнит;
5 - обмотка
подвижной части;
6 - пружинка
подвеса.

26. РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ

Регистрирующие приборы записывают "историю" изменения
значения измеряемой величины.
К таким приборам наиболее распространенных типов относятся
ленточные самописцы, записывающие пером кривую изменения
величины на диаграммной бумажной ленте, аналоговые
электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса
на
экране
электронно-лучевой
трубки,
и
цифровые
осциллографы, запоминающие однократные или редко
повторяющиеся сигналы.
Основное различие между этими приборами - в скорости
записи.
Ленточные
самописцы
с
их
движущимися
механическими частями наиболее подходят для регистрации
сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее.
Электронные осциллографы же способны регистрировать
сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей
секунды до нескольких секунд.

27. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ

Измерительный
мост
это
обычно
четырехплечая
электрическая
цепь,
составленная
из
резисторов,
конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для
определения отношения параметров этих компонентов.
К одной паре противоположных полюсов цепи подключается
источник питания, а к другой - нуль-детектор.
Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда
требуется наивысшая точность измерения. (Для измерений со
средней
точностью
лучше
пользоваться
цифровыми
приборами, поскольку они проще в обращении.)
Наилучшие
трансформаторные
измерительные
мосты
переменного тока характеризуются погрешностью (измерения
отношения) порядка 0,0000001%.
Простейший мост для измерения сопротивления носит имя
своего изобретателя Ч.Уитстона

28. Двойной измерительный мост постоянного тока

Рисунок 2. ДВОЙНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ (мост Томсона) более точный вариант моста Уитстона, пригодный для измерения
сопротивления четырехполюсных эталонных резисторов в области
микроом.

29.

К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся
при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более.
В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку
порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом
ошибка будет составлять 10%.
Двойной измерительный мост (мост Томсона), схема которого
представлена на рис. 2, предназначен для измерения
сопротивления эталонных резисторов малого номинала.
Сопротивление таких четырехполюсных эталонных резисторов
определяют как отношение напряжения на их потенциальных
зажимах (р1, р2 резистора Rs и р3, p4 резистора Rx на рис. 2) к
току через их токовые зажимы (с1, с2 и с3, с4).
При такой методике сопротивление присоединительных
проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого
сопротивления.
Два дополнительных плеча m и n исключают влияние
соединительного провода 1 между зажимами с2 и с3.
Сопротивления m и n этих плеч подбирают так, чтобы
выполнялось равенство M/m = N/n. Затем, изменяя
сопротивление Rs, сводят разбаланс к нулю и находят Rx =
Rs(N /M).

30. Измерительные мосты переменного тока

Наиболее распространенные измерительные мосты
переменного тока рассчитаны на измерения либо на
сетевой частоте 50-60 Гц, либо на звуковых частотах
(обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же
измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц.
Как правило, в измерительных мостах переменного тока
вместо двух плеч, точно задающих отношение
напряжений, используется трансформатор. К исключениям
из этого правила относится измерительный мост
Максвелла - Вина.

31. Измерительный мост Максвелла - Вина

Рисунок 3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ МАКСВЕЛЛА - ВИНА для
сравнения параметров эталонных катушек индуктивности (L) и
конденсаторов (C).

32.

Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны
индуктивности (L) с эталонами емкости на неизвестной
точно рабочей частоте.
Эталоны емкости применяются в измерениях высокой
точности,
поскольку
они
конструктивно
проще
прецизионных эталонов индуктивности, более компактны,
их легче экранировать, и они практически не создают
внешних электромагнитных полей.
Условия равновесия этого измерительного моста таковы:
Lx = R2*R3*C1 и Rx = (R2*R3) /R1 (рис.3).
Мост уравновешивается даже в случае "нечистого"
источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего
гармоники основной частоты), если величина Lx не
зависит от частоты.

33. Трансформаторный измерительный мост

Рисунок 4. ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ
переменного тока для сравнения однотипных полных
сопротивлений

34.

Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока
- простота задания точного отношения напряжений посредством
трансформатора.
В отличие от делителей напряжения, построенных из
резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности,
трансформаторы в течение длительного времени сохраняют
постоянным установленное отношение напряжений и редко
требуют повторной калибровки.
На
рис.
4
представлена
схема
трансформаторного
измерительного моста для сравнения двух однотипных полных
сопротивлений.
К недостаткам трансформаторного измерительного моста
можно
отнести
то,
что
отношение,
задаваемое
трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты
сигнала.
Это
приводит
к
необходимости
проектировать
трансформаторные
измерительные
мосты
лишь
для
ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется
паспортная точность.

35. ИЗМЕРЕНИЕ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока
обычно требуется измерять некоторые их характеристики,
связанные с мгновенными значениями сигнала.
Чаще
всего
желательно
знать
среднеквадратические
(эффективные) значения электрических величин переменного
тока, поскольку мощности нагревания при напряжении 1В
постоянного тока соответствует мощность нагревания при
напряжении 1 В переменного тока.
Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины,
например максимальное или среднее абсолютное значение.
Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения
(или силы переменного тока) определяется как корень
квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения
(или силы тока):

36.

где Т - период сигнала Y(t).
Максимальное значение Yмакс - это наибольшее мгновенное значение
сигнала, а среднее абсолютное значение YAA - абсолютное значение,
усредненное по времени.
При синусоидальной форме колебаний Yэфф = 0,707Yмакс и
YAA = 0,637Yмакс.

37. Измерение напряжения и силы переменного тока

Почти все приборы для измерения напряжения и силы
переменного тока показывают значение, которое
предлагается рассматривать как эффективное значение
входного сигнала.
Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле
измеряется среднее абсолютное или максимальное
значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы
показание
соответствовало
эквивалентному
эффективному значению в предположении, что входной
сигнал имеет синусоидальную форму.
Не следует упускать из виду, что точность таких приборов
крайне низка, если сигнал несинусоидален.

38.

Приборы, способные измерять истинное эффективное
значение сигналов переменного тока, могут быть
основаны на одном из трех принципов: электронного
умножения, дискретизации сигнала или теплового
преобразования.
Приборы, основанные на первых двух принципах, как
правило, реагируют на напряжение, а тепловые
электроизмерительные приборы - на ток.
При использовании добавочных и шунтовых резисторов
всеми приборами можно измерять как ток, так и
напряжение.

39. Тепловые электроизмерительные приборы

Наивысшую точность измерения эффективных значений
напряжения
и
тока
обеспечивают
тепловые
электроизмерительные приборы. В них используется
тепловой преобразователь тока в виде небольшого
откачанного стеклянного баллончика с нагревательной
проволочкой (длиной 0,5-1 см), к средней части которой
крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары.
Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно
электроизоляцию.
При повышении температуры, прямо связанном с
эффективным
значением
тока
в
нагревательной
проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС
(напряжение постоянного тока).
Такие преобразователи пригодны для измерения силы
переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц.

40.

На рис. 5 показана принципиальная схема теплового
электроизмерительного прибора с двумя подобранными
по параметрам тепловыми преобразователями тока.
При подаче на вход схемы напряжения переменного тока
Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 возникает
напряжение постоянного тока, усилитель А создает
постоянный
ток
в
нагревательной
проволочке
преобразователя ТС2, при котором термопара последнего
дает такое же напряжение постоянного тока, и обычный
прибор постоянного тока измеряет выходной ток.

41.

Рисунок 5.ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР для
измерения эффективных значений напряжения и силы переменного
тока.
С помощью добавочного резистора описанный измеритель тока можно
превратить в вольтметр. Поскольку тепловые электроизмерительные
приборы непосредственно измеряют токи лишь от 2 до 500 мА, для
измерения токов большей силы необходимы резисторные шунты.

42. Измерение мощности и энергии переменного тока

Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного
тока, равна среднему по времени произведению
мгновенных значений напряжения и тока нагрузки.
Если напряжение и ток изменяются синусоидально (как
это обычно и бывает), то мощность Р можно представить в
виде P = EI cosj, где Е и I - эффективные значения
напряжения и тока, а j - фазовый угол (угол сдвига)
синусоид напряжения и тока.
Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах,
то мощность будет выражена в ваттах.
Множитель cosj, называемый коэффициентом мощности,
характеризует
степень
синхронности
колебаний
напряжения и тока.

43.

С
экономической
точки
зрения,
самая
важная
электрическая величина - энергия.
Энергия W определяется произведением мощности на
время ее потребления. В математической форме это
записывается так:
Если время (t1 - t2) измеряется в секундах, напряжение е в вольтах, а ток i - в амперах, то энергия W будет
выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях (1 Дж = 1 Вт*с).
Если же время измеряется в часах, то энергия - в ваттчасах. На практике электроэнергию удобнее выражать в
киловатт-часах (1 кВт*ч = 1000 Вт*ч).

44. Индукционные счетчики электроэнергии

Индукционный счетчик представляет собой не что иное,
как маломощный электродвигатель переменного тока с
двумя обмотками - токовой и обмоткой напряжения.
Проводящий диск, помещенный между обмотками,
вращается
под
действием
крутящего
момента,
пропорционального потребляемой мощности.
Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в
диске постоянным магнитом, так что частота вращения
диска пропорциональна потребляемой мощности.

45.

Число оборотов диска за то или иное время
пропорционально полной электроэнергии, полученной за
это время потребителем.
Число оборотов диска считает механический счетчик,
который показывает электроэнергию в киловатт-часах.
Приборы такого типа широко применяются в качестве
бытовых счетчиков электроэнергии.
Их погрешность, как правило, составляет 0,5%; они
отличаются большим сроком службы при любых
допустимых уровнях тока.

НА ТЕМУ:

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ»

Введение

Развитие науки и техники всегда было тесно связано с прогрессом в области измерений. Большое значение измерений для науки подчёркивали некоторые учёные.

Г. Галилей: «Измеряй всё доступное измерению и делай доступное всё недоступное ему».

Д.И. Менделеев: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры».

Кельвин: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой её можно измерить».

Измерения являются одним из основных способов познания природы, её явлений и законов. Каждому, новому открытию в области естественных и технических наук предшествует большое число различных измерений. (Г. Ом – закон Ома; П. Лебедев – давление света).

Важную роль играют измерения в создании новых машин, сооружений, повышении качества продукции. Например, во время испытания стендового крупнейшего в мире турбогенератора 1200 МВт, созданного на Ленинградском объединении «Электросила», измерения производились в 1500 различных его точках.

Особо важную роль играют электрические измерения как электрических так и не электрических величин.

Первый в мире электроизмерительный прибор «указатель электрической силы» был создан в 1745 году, академиком Г.В. Рохманом, соратником М.В. Ломоносова.

Это был электрометр – прибор для измерения разности потенциалов. Однако только со второй половины XIX века в связи с созданием генераторов электрической энергии остро встал вопрос о разработке различных электроизмерительных приборов.

Вторая половина XIX века, начало XX века, – русский электротехник М.О. Доливо-добровольский разработал амперметр и вольтметр, электромагнитный системы; индукционный измерительный механизм; основы ферродинамических приборов.

Тогда же – русский физик А.Г. Столетов – закон изменения магнитной проницаемости, её измерение.

Тогда же – академик Б.С. Якоби – приборы для измерения сопротивления электрической цепи.

Тогда же – Д.И. Менделеев – точная теория весов, введение в России метрической системы мер, организация отделения по проверке электроизмерительных приборов.

1927 год – Ленинград построен первый отечественный приборостроительный завод «Электроприбор» (сейчас – Вибратор выпуск счётчиков).

30 годы – построены приборостроительные заводы в Харькове, Ленинграде, Москве, Киеве и в других городах.

С 1948 по 1967 год объём продукции приборостроения возрос в 200 раз.

В последующих пятилетках развитие приборостроения идёт неизменно опережающими темпами.

Основные достижения:

– Аналоговые приборы непосредственной оценки улучшенных свойств;

– Узко профильные аналоговые сигнализирующие контрольные приборы;

– Прецизионные полуавтоматические конденсаторы, мосты, делители напряжения, другие установки;

– Цифровые измерительные приборы;

– Применение микропроцессоров;

– Измерительный компьютер.

Современное производство немыслимо без современных средств измерений. Электроизмерительная техника постоянно совершенствуется.

В приборостроении широко используется достижения радиоэлектроники, вычислительной техники, и другие достижения науки и техники. Всё чаще применяют микропроцессоры и микро ЭВМ.

Изучение курса «Электрических измерений» ставит цель:

– Изучение устройства и принцип действия электроизмерительных приборов;

– Классификация измерительных приборов, знакомство с условными обозначениями на шкалах приборов;

– Основные методики измерений, подбор тех или иных измерительных приборов в зависимости от измеряемой величины и требования к измерению;

– Ознакомление с основными направлениями современного приборостроения.

1 . Основные понятия, методы измерений и погрешностей

Измерением называется нахождение значений физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.

Измерения должны выполняться в общепринятых единицах.

Средствами электрических измерений называются технические средства, использующиеся при электрических измерениях.

Различают следующие виды средств электрических измерений:

– Электроизмерительные приборы;

– Измерительные преобразователи;

– Электроизмерительные установки;

– Измерительные информационные системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Электроизмерительным прибором называется средство электрических измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме доступной непосредственного восприятия наблюдателя.

Измерительным преобразователем называется средство электрических измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию.

Электроизмерительная установка состоит из ряда средств измерений и вспомогательных устройств. С её помощью можно производить более точные и сложные измерения, поверку и градуировку приборов и т.д.

Измерительные информационные системы представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств. Предназначены для автоматического получения измерительной информации от ряда её источников, для её передачи и обработки.

Классификация измерений :

а). В зависимости от способа получения результата прямые и косвенные :

Прямыми называются измерения, результат которых получается непосредственно из опытных данных (измерение тока амперметром).

Косвенные называются измерения, при которых искомая величина непосредственно не измеряется, а находится в результате расчёта по известным формулам. Например: P=U·I, где U и I измерены приборами.

б). В зависимости от совокупности приёмов использования принципов и средств измерений все методы делятся на методы непосредственной оценки и методы сравнения .

Метод непосредственной оценки – измеряемая величина определяется непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (измерение тока амперметром). Этот метод прост, но отличается низкой точностью.

Метод сравнения – измеряемая величина сравнивается с известной (например: измерение сопротивления путём сравнения его с мерой сопротивления – образцовой катушкой сопротивления). Метод сравнения подразделяют на нулевой, дифференциальный и замещения .

Нулевой – измеряемая и известная величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, доводя его показания до нуля (например: измерение электрического сопротивления уравновешенным мостом).

Дифференциальный – прибор сравнения измеряет разность между измеряемой и известной величиной.

Метод замещения – измеряемая величина заменяется в измерительной установке известной величиной.

Этот метод наиболее точен.

Погрешности измерений

Результаты измерения физической величины дают лишь приближённое её значение вследствие целого ряда причин. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения.

Различают абсолютную и относительную погрешность.

Абсолютная погрешность измерения равна разности между результатом измерения Аи и истинным значением измеряемой величины А:

Поправка: дА=А–Аи

Таким образом, Истинное значение величины равно: А=Аи+дА.

О погрешности можно узнать, сравнивая показания прибора с показаниями образцового прибора.

Относительная погрешность измерения г А представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, выраженное в %:

%

Пример: Прибор показывает U=9,7 В. Действительное значение U=10 В определить ДU и г U:

ДU=9,7–10=–0,3 В г U =

%=3%.

Погрешности измерений имеют систематическую и случайную составляющие. Первые остаются постоянными при повторных измерениях, они определяются, и влияние её на результат измерения устраняется введением поправки . Вторые изменяются случайным образом, и их нельзя определить или устранить .

В практике электроизмерений чаще всего пользуются понятием приведённой погрешности г п:

Это отношение абсолютной погрешности к номинальному значению измеряемой величины или к последней цифре по шкале прибора:

%

Пример: ДU=0,3 В. Вольтметр рассчитан на 100 В. г п =?

г п =0,3/100·100%=0,3%

Погрешности в измерениях могут быть в следствии :

а). Неправильной установки прибора (горизонтальная, вместо вертикальной);

б). Неправильного учёта среды (внешней влажности, tє).

в). Влияние внешних электромагнитных полей.

г). Неточный отсчёт показаний и т.д.

При изготовлении электроизмерительных приборов применены те или иные технические средства, обеспечивающие тот или иной уровень точности.

Погрешность, обусловленная качеством изготовления прибора, называется – основной погрешностью .

В соответствии с качеством изготовления все приборы подразделяются на классы точности : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Класс точности указывается на шкалах измерительных приборов. Он обозначает Основную наибольшую допустимую приведённую погрешность прибора:

%.

Исходя из класса точности при поверке прибора, определяют, пригоден ли он к дальнейшей эксплуатации, т.е. соответствует ли своему классу точности.

Электроизмерительные приборы предназначены для измерения параметров, характеризующих: 1) процессы в электрических системах: токов, напряжений, мощностей, электрической энергии, частот, сдвигов фаз. Для этого используются амперметры, вольтметры, ваттметры, частотомеры, фазомеры; счетчики электрической...
()

и метод сравнения.
(ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА)

Мерами

Основные сведения о средствах электрических измерений и электроизмерительных приборах

К средствам электрических измерений относятся: меры, электроизмерительные приборы, измерительные преобразователи, электроизмерительные установки и измерительные информационные системы. Мерами называют средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера....
(АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ БУРЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН)

А. Электрические измерения

Развитие науки и техники неразрывно связаны с измерениями. Д. И. Менделеев писал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры». У. Т. Кельвин говорил: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить». Совершенно естественно, что электротехника...
(ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ)

Электрические измерения, классификация средств измерений

Измерение - нахождение значений физических величин опытным путем с помощью специальных средств, называемых средствами измерений, и выражение этих значений в принятых единицах Фридман А. Э. Теория метрологической надежности средств измерений // Фундаментальные проблемы теории точности. СПб.: Наука,...
(ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИННОВАТИКА)

Основные методы электрических измерений. Погрешности измерительных приборов

Существует два основных метода электрических измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения. В методе непосредственной оценки измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора. При этом шкала измерительного прибора предварительно градуируется по эталонному прибору...
(ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА)

Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: ток, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т. д. Определение значений этих величин необходимо для оценки работы всех электротехнических устройств, чем и определяется исключительная важность измерений в электротехнике.

Электроизмерительные устройства широко применяются и для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и т. д.), которые для этой цели преобразуются в пропорциональные им. электрические величины. Такие методы измерений известны под общим названием электрических измерений неэлектрических величин. Применение электрических методов измерений дает возможность относительно просто передавать показания приборов на дальние расстояния (телеизмерение), управлять машинами и аппаратами (автоматическое регулирование), выполнять автоматически математические операции над измеряемыми величинами, просто записывать (например, на ленту) ход контролируемых процессов и т. д. Таким образом, электрические измерения необходимы при автоматизации самых различных производственных процессов.

В Советском Союзе развитие электроприборостроения идет параллельно с развитием электрификации страны и особенно быстро после Великой Отечественной войны. Высокое качество аппаратуры и необходимая точность измерительных приборов, находящихся в эксплуатации, гарантируются государственным надзором за всеми мерами и измерительными приборами.

12.2 Меры, измерительные приборы и методы измерения

Измерение любой физической величины заключается в ее сравнении посредством физического эксперимента с принятым за единицу значением соответствующей физической величины. В общем случае для такого сопоставления измеряемой величины с мерой - вещественным воспроизведением единицы измерения - нужен прибор сравнения. Например, образцовая катушка сопротивления применяется как мера сопротивления совместно с прибором сравнения - измерительным мостом.

Измерение существенно упрощается, если есть прибор непосредственного отсчета (называемый также показывающим прибором), показывающий численное значение измеряемой величины непосредственно на шкале или циферблате. Примерами могут служить амперметр, вольтметр, ваттметр, счетчик электрической энергии. При измерении таким прибором мера (например, образцовая катушка сопротивления) не нужна, но мера была нужна при градуировании шкалы этого прибора. Как правило, у приборов сравнения выше точность и чувствительность, но измерение приборами непосредственного отсчета проще, быстрее и дешевле.

В зависимости от того, как получаются результаты измерения, различают измерения прямые, косвенные и совокупные.

Если результат измерения непосредственно дает искомое значение исследуемой величины, то такое измерение принадлежит к числу прямых, например измерение тока амперметром.

Если измеряемую величину приходится определять на основании прямых измерений других физических величин, с которыми измеряемая величина связана определенной зависимостью, то измерение относится к косвенным. Например, косвенным будет измерение, сопротивления элемента электрической цепи при измерении напряжения вольтметром и тока амперметром.

Следует иметь в виду, что при косвенном измерении возможно существенное снижение точности по сравнению с точностью при прямом измерении из-за сложения погрешностей прямых измерений величин, входящих в расчетные уравнения.

В ряде случаев конечный результат измерения выводился из результатов нескольких групп прямых или косвенных измерений отдельных величин, причем исследуемая величина зависит от измеренных величин. Такое измерение называют совокупным. Например, к совокупным измерениям относится определение температурного коэффициента электрического сопротивления материала на основании измерения сопротивления материала при различных температурах. Совокупные измерения характерны для лабораторных исследований.

В зависимости от способа применения приборов и мер принято различать следующие основные методы измерения: непосредственного измерения, нулевой и дифференциальный.

При пользовании методом непосредственного измерения (или непосредственного отсчета) измеряемая величина определяется путем

непосредственного отсчета показания измерительного прибора или непосредственного сравнения с мерой данной физической величины (измерение тока амперметром, измерение длины метром). В этом случае верхним пределом точности измерения является точность измерительного показывающего прибора, которая не может быть очень высокой.

При измерении нулевым методом образцовая (известная) величина (или эффект ее действия) регулируется и значение ее доводится до равенства со значением измеряемой величины (или эффектом ее действия). При помощи измерительного прибора в этом случае лишь добиваются равенства. Прибор должен быть высокой чувствительности, и он именуется нулевым прибором или нуль-индикатором. В качестве нулевых приборов при постоянном токе обычно применяются магнитоэлектрические гальванометры (см. § 12.7), а при переменном токе - электронные нуль-индикаторы. Точность измерения нулевым методом очень высока и в основном определяется точностью образцовых мер и чувствительностью нулевых приборов. Среди нулевых методов электрических измерений важнейшими являются мостовые и компенсационные.

Еще большая точность может быть достигнута при дифференциальных методах измерения. В этих случаях измеряемая величина уравновешивается известной величиной, но до полного равновесия измерительная цепь не доводится, а путем прямого отсчета измеряется разность измеряемой и известной величин. Дифференциальные методы применяются для сравнения двух величин, значения которых мало отличаются один от другого.