Измерение электрических и неэлектрических величин - файл n1.docx

Измерение электрических и неэлектрических величин
скачать (511.8 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx512kb.03.11.2012 10:57скачать

n1.docx







План



Введение ……………………………………………………………….. 3

  1. Основные понятия термины и определения ……………………… 4

  2. Измерение неэлектрических величин ……………………………. 6

    1. Измерение длины …………………………………………….. 6

    2. Измерение углов ……………………………………………… 7

    3. Измерение массы …………………………………………….. 9

    4. Измерение температуры …………………………………….. 10

  3. Измерение электрических величин ………………………………. 13

    1. Ток …………………………………………………………….. 13

    2. Напряжение …………………………………………………… 15

    3. Мощность ……………………………………………………... 17

    4. Сопротивление ……………………………………………….. 19

  4. Погрешности ……………………………………………………… 27

Заключение ……………………………………………………………. 30

Список литературы …………………………………………………… 32

Введение.

В любой области знаний измерения имеют исключительно большое значение.

Механические, тепловые, световые явления человек ощущает при помощи своих органов чувств. Мы, хотя и приблизительно, можем оценить размеры предметов, скорость их движения, яркость светящихся тел. Долгое время именно так люди изучали звездное небо.

Успехи электроприборостроения привели к тому, что его услугами стали пользоваться и другие отрасли. Электрические методы стали применять для определения размеров, скоростей, массы, температуры. Появилась даже самостоятельная дисциплина «Электрические измерения неэлектрических величин».

Показания электроизмерительных приборов можно передавать на дальние расстояния (телеизмерение), они могут использоваться для непосредственного воздействия на производственные процессы (автоматическое регулирование); с их помощью регистрируют ход контролируемых процессов, например путем записи на ленте и т. д.

Применение полупроводниковой техники существенно расширило применение электроизмерительных приборов.

Измерить какую-либо физическую величину - значит найти ее значение опытным путем с помощью специальных технических средств.

Стендовые испытания новейшего оборудования немыслимы без электрических измерений. Так, при испытании турбогенератора мощностью 1200 МВт на заводе «Электросила» измерения производились в 1500 его точках.

Развитие электроизмерительных приборов привело к использованию в них микроэлектроники, что позволяет измерять физические величины с погрешностью не более 0,005-0,0005 %.
1. Основные понятия, термины

и определения

Результаты теоретической деятельности без проверки экспериментом недостоверны. Измерительная техника при эксперименте дает результаты, которые указывают на качество и количество продукции, правильность ведения технологических процессов, распределения, потребления и изготовления. При этом электрические измерения за счет малого потребления энергии, возможности передачи измерительных величин на расстояние, большой скорости измерений и передачи, а также высокой точности и чувствительности оказались предпочтительнее.

Электрические измерения и приборы, методы и средства обеспечения их единства, способы достижения требуемой точности - все это относится к метрологии, а принципы и методы установления оптимальных норм и правил взаимодействия - к стандартизации. В Российской Федерации стандартизация и метрология объединены в единой государственной службе - Государственном комитете стандартов. В 1963 г. ГОСТ 9867-61 ввел Международную систему единиц (СИ) на базе метра (м), килограмма (кг), секунды (с), ампера (А), кельвина (К) и канделы (кд).

Вопросы измерений и приборов проще воспринимаются, если известны содержание терминов и определений.

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Результат измерения - значение физической величины, найденной путем измерения.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (например, единицы измерения света - кд).

Измерительный преобразователь - средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки (или хранения), но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичный измерительный преобразователь - датчик.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.


2. Измерение неэлектрических величин.

С измерением неэлектрических величин нам приходится сталкиваться гораздо чаще, нежели с электрическими. Согласитесь, далеко не каждый из нас каждый день измеряет силу тока в каком-нибудь навороченном приборе с помощью осциллографа или просиживает часами с мультиметром над свежеспаянной печатной платой. Зато буквально каждый второй постоянно прибегает к помощи линейки, для измерения длины чего-либо, смотрит на термометр, решая идти ему сегодня на занятия или –30 С как-то слишком прохладно. Я уже и не говорю про измерения других величин: углов, скорости, освещенности.

2.1 Измерение длины.

Основная мера длины - метр. Впервые эта величина появилась после Великой Французской революции. Французские ученые приняли за метр длину, равную одной сорокамиллионной части меридиана Земли, проходящей через Париж. Несколько лет географы и физики скрупулезно занимались измерением этой части меридиана и в конце концов появился архивный метр – линейка, изготовленная из сплава платины и иридия.

Однако вскоре оказалось, что архивный метр на самом деле короче сорокамиллионной доли меридиана. Кроме того, копии метра изменились со временем из-за перекристаллизации сплава.

Тогда на помощь пришел другой способ. Ученые открыли, что длина волн света, излучаемого атомами некоторых элементов, гораздо постояннее, чем длина металлического эталона метра. С помощью специальных приборов можно измерить длину эталона, сравнивая его с длиной световой волны. Особенно пригодным для этой цели оказалась длина волны оранжевой линии спектра, испускаемая инертным газом криптоном-86 при пропускании через него электрического тока. Она наиболее постоянна и легко измерима. Длина этой волны принята за естественный эталон длины – метра. Метр теперь определяется так: метр есть длина, равная 1 650 763, 73 длины волны оранжевого излучения криптона-86.

Самый простой прибор, который мы используем для измерения длины – линейка. Линейка представляет собой деревянную, металлическую или пластиковую полоску, на которой нанесены деления (обычно миллиметры). Метод измерения линейкой прост – прикладываем линейку к объекту (вернее не к объекту, а к поверхности), который надо измерить и отсчитываем число делений от одного конца измеряемой длины до другого. Линейки обычно не бывают длиннее одного метра.

Рулетка – та же линейка, но выполненная в виде гибкой ленты из тонкого металла или ткани. Они обычно сматываются в один моток и для удобства помещаются в специальный корпус. Кроме большей длины, у рулеток есть еще одно достоинство, обусловленное гибкостью. Вы пробовали померить линейкой, скажем длину окружности цилиндра? А ведь рулеткой это делается очень просто – обматываем цилиндр вокруг рулеткой и снова наслаждаемся результатом.

Штангенциркуль представляет собой линейку с миллиметровыми делениями (основная шкала) и перемещающуюся по ней подвижную рамку. На левом конце основной шкалы имеются выступы, которые называются неподвижной губкой, а выступы у рамки называются подвижной губкой. Между губками зажимают измеряемый предмет. Сначала по штрихам основной шкалы отсчитывают целое число миллиметров (обозначим l1). Затем по штрихам рамки (нониусу) определяют длину более точно, для чего считаем какой по счету штрих нониуса совпал со штрихом на основной шкале и добавляем к l1 номер штриха, умноженный на число, указанное на штангенциркуле. Штангенциркуль позволяет измерять длину с точностью до 0,01 мм.

2.2 Измерение углов.

С измерением углов работники технических специальностей встречаются ничуть не реже, чем с измерением длины.

Во многих случаях требуется, чтобы, скажем, поверхность была абсолютно ровной, относительно поверхности земли. Для этого применяют уровень – металлический брусок с запаянной прозрачной ампулой со спиртом, внутри которой находится пузырек воздуха. Когда уровень расположен параллельно земле, пузырек находится посередине ампулы. На ампуле обычно нанесены деления, поэтому по расположению в ней пузырька можно посчитать угол. Еще более примитивным, но эффективным приспособлением является отвес, представляющий собой гирьку, подвешенную на шнурке. Шнурок под действием силы тяжести будет всегда направлен вертикально и на основе этого можно сделать вывод, скажем о прямизне построенной стены.

Для измерения и построения углов на чертежах применяется транспортир – линейка в виде круга или полукруга, с нанесенными значениями углов (обычно в градусах).

Исключительно точными приборами для измерения углов являются автоколлиматоры. Наиболее чувствительные из них способны фиксировать подъем или опускание конца площадки длиной 1 м всего на 1 мкм (0,001 мм). Автоколлиматор основан на принципе отражения лучей от зеркала. Внутри него помимо системы линз и призм имеется шкала с нанесенным перекрестием и маленькая лампочка. На детали, угол поворота которой надлежит измерить, закрепляется зеркало, а автоколлиматор устанавливается неподвижно рядом с этой деталью. Когда лампочка загорается, из прибора выходят лучи света, «несущие» изображение перекрестия. Лучи, попав на зеркало, отражаются от него и возвращаются обратно в прибор. Если плоскость зеркала стоит перпендикулярно оси автоколлиматора, то отраженное изображение перекрестия точно совпадает с самим перекрестием на шкале и в окуляре виден только один крест. Если зеркало повернуть, то лучи отразятся под другим углом и в окуляре будут видны два перекрестия: действительное и отраженное.

Расстояние между ними зависит от угла поворота зеркала. Поэтому встроенный в прибор микрометр, служащий для измерения расстояния между перекрестиями, имеет деления в угловых секундах.

Уровни и автоколлиматоры способны измерять только небольшие углы. Углы в широких пределах могут быть определены с помощью угломера. Он состоит из двух планок, соединенных осью наподобие циркуля. На одной из планок имеется угловая шкала, а на второй — нониус. Деталь охватывается планками, а угол между ними находится по шкале.

Для измерения углов между отверстиями, зубьями и т. п. часто применяется делительный стол. Это вращающийся в корпусе круглый стол, угол поворота которого отсчитывается по круговой шкале. Применяемые в столах отсчетные системы бывают оптическими, индуктивными, механическими или электронными. Точность угловых измерений на лучших поворотных столах очень высока, и погрешность не превышает 2-3” (угловых секунд).

2.3 Измерение массы.

За единицу массы принят килограмм. Появился он одновременно с метром во Франции. Определялся тогда килограмм, как масса одного литра воды при температуре 4 С. Правда, это определение также оказалось неточным, однако, в отличии от эталона длины, эталон массы, сделанный в виде цилиндра из платино-иридиевого сплава, не изменял свою массу со временем и сравнить эталон с копиями можно с большой точностью – до нескольких миллиардных долей. Это и положило определение килограмма – килограмм, это масса международного прототипа килограмма.

Измеряют массу с помощью весов. Наиболее простые – рычажные – весы представляют из себя две чаши, подвешенных на стержне или пластинке на одинаковом расстоянии от центра, который в свою очередь находится на устойчивой опоре. Для измерения массы, измеряемый предмет кладут на одну чашу весов, а на вторую кладут некоторое число гирь. Как только обе чаши весов будут находиться на одинаковом уровне, считаем общую массу гирь и делаем выводы о массе предмета. Рычажные весы позволяют измерять с точностью до 0,01 г.

Еще один тип весов – пружинные – который можно увидеть в магазинах, представляет собой пластину, подпираемую пружиной. Как только на пластину помещается предмет, пластина опускается и вместе с ней опускается стрелка на шкале. По этому же принципу сделаны ручные пружинные весы, которые представляют собой достаточно жесткую пружину, которая помещается в корпус со шкалой. К пружине прикрепляется стрелка. Пока к пружине не приложено усилие, т.е. не подвешен измеряемый груз, она находится в сжатом состоянии. При измерении массы какого-либо предмета, под действием силы тяжести пружина растягивается, соответственно перемещается по шкале стрелка. На основании положения стрелки можно его узнать массу.

Пружинные могут оснащаться дополнительно системой вращающихся шестеренок, что позволяет измерять предметы еще точнее, а последние модели бытовых весов вообще делают электронными, что позволяет узнать массу предмета еще более точно.

2.4 Измерение температуры.

Температура показывает степень нагретости тела. Если же сказать по-научному, то с точки зрения термодинамики, температура характеризует энергию молекул данного тела. Чем больше энергия молекул, тем быстрее он движутся, а значит тем больше нагрето тело. В повседневной жизни температуру приходится измерять довольно часто.

В Международной Системе единиц температура измеряется в Кельвинах. За 0 К принято такое состояние вещества, когда полностью останавливается движение молекул вещества. Однако для использования в повседневной жизни шкала по Кельвину неудобна, поэтому используют шкалу Цельсия. За ноль в шкале Цельсия принята температура тающего льда, за 100 – температура кипящей воды при давлении в 1 атм.

В США и некоторых других странах используется шкала Фаренгейта, появившаяся в 1715 г. За ноль градусов Фаренгейт принял температуру смеси льда с хлористым аммонием, полагая, что это наинизшая температура на земле. За вторую точку шкалы Фаренгейт принял температуру тела здорового человека, приписав ей значение 96 F. Чтобы перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия используют формулу:

Tc=5/9(TF-32)

Самый простой термометр – жидкостный. Принцип его действия основан на расширении жидкости при повышении температуры. Жидкостный термометр устроен следующим образом – тонкая запаянная трубка с маленьким резервуарчиком внизу заполняется спиртом или ртутью и прикрепляется к шкале. В зависимости от температуры, жидкость расширяется или сжимается и, соответственно, поднимается или опускается в трубке. На основании этих изменений мы можем судить о температуре среды, в которой находится термометр.

В настоящее время для измерения температуры получили широкое применение термопары /термоэлектрические преобразователи/.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Термопара представляет собой 2 разнородных проводника, составляющих общую электрическую цепь /рис. 1/. Если температуры мест соединений (спаев) проводников t и t неодинаковы, то возникает термо-ЭДС. и по цепи протекает ток. Величина термо-ЭДС. тем больше чем больше разность температур.

МВ

рис. 1. Схема измерения показаний термопары с помощью милливольтметра


2

газ

1
МВ

нагреватель

рис. 2. Схема измерения разности температур газа при помощи дифференциальной термопары.
В качестве материалов для термопар используется проволока диаметром от 0,1 до 0,2 мм. Наиболее распространены следующие пары металлических проволок:

  1. Платина и платинородий / 90% Pt и 10% Pr /. Эта термопара является эталонным прибором.

  2. Хромель /90% Ni и 10% Cr / и алюмель /95% Ni и 5% Al/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С. этой термопары составляет около 4 мВ.

  3. Хромель и копель /56% Cn и 44% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 7 мВ.

  4. Медь и константан /60% Cn и 40% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 4,3 мВ.

При измерении температуры один спай цепи термопары, так называемый холодный спай, находится при 0 С (в тающем льде в сосуде Дюара), а другой – горячий в среде, температуру которой надо измерить.

Так как термоЭ.Д.С. термопары зависит от температуры обоих спаев (горячего и холодного), то термопары часто применяются для измерения разности температур в двух точках – так называемая дифференциальная термопара (рис. 2). В этом случае в схеме отсутствует холодный спай и термоЭ.Д.С. с некоторой известной Э.Д.С. вспомогательного источника тока.
3. Измерение электрических величин

Электроизмерительные приборы классифицируют по различным признакам.

По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы подразделяют на амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии, фазометры, частотомеры, омметры и т. д. Условное обозначение по роду измерительной величины (табл. 3.1) наносится на лицевую сторону прибора. На шкалах электроизмерительных приборов указывают также условные обозначения, отражающие род измеряемого тока, класс точности прибора, испытатель-

Измерительные приборы бывают аналоговыми и цифровыми. Аналоговыми называют измерительные приборы, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины. Цифровыми называют измерительные приборы, показания которых выражены в цифровой форме.

В зависимости от вида получаемой информации измерительные приборы подразделяют на показывающие, интегрирующие, суммирующие.

3.1. Измерение тока

Приборы, предназначенные для измерения тока, получили название амперметров. Приборы, рассмотренные в разделе 3.5, могут служить для измерения и тока, и напряжения. При этом отличаются способы включения их в электрическую цепь и значение сопротивления измерительной цепи прибора. Амперметр включают в цепь таким образом, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, т. е. последовательно. Сопротивление амперметра должно быть малым, чтобы в нем не происходило заметного падения напряжения.

Для измерения постоянного тока используют преимущественно амперметры магнитоэлектрической системы и реже приборы электромагнитной системы, а для измерения переменного тока часто-

той 50 Гц в основном применяют амперметры электромагнитной системы.

Непосредственное включение амперметра в цепь измеряемого тока не всегда возможно, так как в некоторых случаях измеряемый ток во много раз превосходит необходимый для полного отклонения подвижной системы прибора. В этих случаях при измерении постоянного тока параллельно амперметру включают шунт, через который проходит большая часть измеряемого тока (рис. 3.7).






Согласно первому закону Кирхгофа, максимальное значение измеряемого амперметром тока при наличии шунта Imax=IAH+Iш

где Imах — максимальное значение тока в цепи; IАНноминальное

(предельное) значение тока амперметра в отсутствие шунта; 1Ш -ток, проходящий через шунт.

Так как амперметр и шунт включены параллельно, то токи между шунтом и амперметром распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям:

откуда находим сопротивление шунта:



где rА - внутреннее сопротивление амперметра; п = Imax/IAH - коэффициент, доказывающий, во сколько раз расширяются пределы измерения.

Так как

то ток в цепи при заданной нагрузке:




где IА - показание амперметра.

Если шкалу амперметра отградуировать с учетом шунта, то можно определять значение измеряемого тока /непосредственно по показаниям прибора.

При измерении переменных токов шунты не применяют. Это объясняется тем, что распределение токов между шунтом и амперметром определяется не только их активным сопротивлением, но и реактивным сопротивлением прибора, которое зависит от частоты. Поэтому для расширения пределов измерения амперметров в цепях переменного тока используют измерительные трансформаторы тока. Их мы рассмотрим чуть позже.

3.2. Измерение напряжения

Электроизмерительные приборы, предназначенные для измерения напряжения, называют вольтметрами. Их включают параллельно участку (элементу) электрической цепи, на котором измеряется напряжение. Вольтметр должен иметь очень большое сопротивление по сравнению с сопротивлением элемента цепи, на котором измеряется напряжение. Это необходимо для уменьшения погрешности измерения и для того, чтобы не было изменения режима работы цепи. В самом деле, чем больше сопротивление вольтметра, тем меньший ток проходит через него и тем меньше расходуется в нем энергии, а, следовательно, тем меньшее влияние оказывает включение прибора на режим работы цепи.

Для расширения пределов измерений вольтметров в цепях постоянного тока с напряжением до 1000-4500 В служат добавочные резисторы, включаемые последовательно с прибором (рис. 3.8). В цепях переменного тока напряжением свыше 1000 В для расширения пределов измерений используют измерительные трансформаторы напряжения.


откуда rД =rv(п-1) и фактически измеряемое напряжение







При включении последовательно с вольтметром добавочного резистора сопротивление последнего определяют из следующих соображений: допустим, вольтметром с сопротивлением /у, рассчитанным на номинальное напряжение UH0M, необходимо измерить напряжение Uxmax, которое в п раз больше UH0M. В этом случае необходимо соблюдать условие, при котором ток, проходящий через вольтметр, был бы одинаковым при обоих напряжениях, т. е.

где Ну- показание вольтметра.

Шкалу вольтметров в большинстве случаев градуируют с учетом добавочного сопротивления гд. При этом вольтметр может быть выполнен на несколько пределов измерения, для чего он снабжается несколькими добавочными сопротивлениями и соответствующим переключателем шкалы на лицевой стороне прибора.

Для измерения напряжения в цепях постоянного тока применяют магнитоэлектрические вольтметры, а в цепях переменного тока -электромагнитные и электродинамические. При измерении малых переменных напряжений используют выпрямительные и электронные милливольтметры, причем при повышенных частотах преимущественно электронные.

Как уже было отмечено, измерение напряжений сверх 1000 В и токов выше 5 А в цепях переменного тока производится с помощью специальных измерительных трансформаторов напряжения и тока (рис. 3.9, а- измерение напряжений; б- измерение тока).








где Ui - показание вольтметра PV; КUД - действительный коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Измеряемый ток при использовании трансформатора тока ТА

Измеряемое напряжение при использовании трансформатора TV

где 1A - показание амперметра РА; к - действительный коэффициент трансформации трансформатора тока, который совпадает с номинальным кIH только при номинальной нагрузке потребителя на сеть.

3.3. Измерение мощности и энергии в электрических цепях

В цепи постоянного тока мощность может быть измерена с помощью амперметра и вольтметра, так как Р =I U. Однако более точно ее можно измерить электродинамическим ваттметром (рис. ЗЛО). Он состоит из катушки с малым сопротивлением, включенной, как амперметр, последовательно и называемой токовой обмоткой, и подвижной катушки с большим сопротивлением, включаемой параллельно и называемой обмоткой напряжения.



Вращающий момент ваттметра пропорционален произведению токов в катушках:





где I- ток в неподвижной катушке, практически равный току нагрузки;- ток в подвижной катушке, т. е. в обмотке напряжения; rU - сопротивление цепи подвижной катушки. Следовательно,

где С- коэффициент пропорциональности.

Таким образом, вращающий момент ваттметра пропорционален мощности и его шкала может быть отградуирована непосредственно в ваттах или киловаттах.

Для измерения активной мощности в цепях переменного тока применяют ваттметры электродинамической системы. Их включают так же, как и при измерениях в цепи постоянного тока. Так как ток 1и в подвижной катушке пропорционален напряжению U и практически совпадает с ним по фазе (сопротивление цепи обмотки напряжения ваттметра практически можно считать активным), а ток I в неподвижной катушке (токовой обмотке) равен току нагрузки, то вращающий момент ваттметра



где С- коэффициент пропорциональности.

Итак, вращающий момент ваттметра пропорционален измеряемой активной мощности Р, а противодействующий момент МПР пропорционален углу поворота а подвижной катушки (или стрелки прибора). Поэтому отклонение стрелки прибора пропорционально измеряемой мощности Р и, следовательно, шкалу ваттметра градуируют в ваттах или киловаттах.

Зажимы токовой обмотки и обмотки напряжения ваттметра, помеченные звездочками и называемые генераторными, следует подключать в электрическую цепь со стороны источника питания.

В зависимости от характера нагрузки и схемы трехфазной цепи применяется различные способы измерения мощности.
3.4 Измерение сопротивлений

Метод вольтметра и амперметра (миллиамперметра)

Для измерений по этому методу нужны два прибора (рис. 12.22 а и б). Сопротивление определяется по закону Ома. Схема рис. 12.22 а применяется для сопротивлений, во много раз меньших, чем сопротивление вольтметра, а схема по рис. 12.22 б— для сопротивлений, значительно больших, чем сопротивление амперметра. Можно пользоваться одним амперметром, если напряжение источника известно и его внутреннее сопротивление невелико.

Сопротивление порядка десятков мегомов и больше можно измерить, присоединив его последовательно с микроамперметром к источнику тока на 100—300 в. Например, если источник имеет 200 в и микроамперметр на 100 мка при таком измерении показал ток 8 мка, то сопротивление равно



Чтобы не сжечь микроамперметр, надо последовательно включить предохранительное сопротивление, величина которого равна напряжению источника, деленному на ток, соответствующий полному отклонению стрелки прибора. В рассмотренном примере такое сопротивление равно



и тогда истинное значение Rx при величине тока 8 мка равно 23 Мом.

Метод замещения

Гальванометр, миллиамперметр или вольтметр включается поочередно последовательно с измеряемым сопротивлением Rx и с магазином сопротивлений (рис. 12.22 в). Величину Rx определяют, подбирая на магазине сопротивление, при котором отклонение стрелки прибора такое же, как и при Rx. Метод дает большую точность и не требует точно градуированного прибора.

Метод сравнения

Измеряемое сопротивление Rx включается последовательно с известным сопротивлением R (рис. 12.22 г), и с помощью вольтметра, имеющего сопротивление много больше Rx и R, измеряют напряжения на этих сопротивлениях U1 и U2. Величину Rx можно найти из пропорции: откуда

Чем ближе друг к другу величины Rx и R, тем точнее измерение.

Метод вольтметра

Этот метод (рис. 12.22 д) является наиболее простым, хотя не вполне точным. Для него требуется только один вольтметр с известным сопротивлением Rв. Если оно неизвестно, то надо его измерить. Иногда на вольтметре бывает указан ток, потребляемый при полном отклонении стрелки. Тогда можно найти Rв разделив напряжение, соответствующее этому отклонению, на



ток. Сначала измеряют напряжение источника U1 а затем последовательно включают сопротивление Rx.

При этом вольтметр покажет напряжение U2 меньшее, чем U1. Величина Rx определяется по формуле

Наибольшая точность измерениябудет при Rx=Re. He следует такой метод применять для измерения сопротивлений, меньших, чем 0,1 Rв или

больших, чем 10 Rв. Источник тока должен иметь малое внутреннее сопротивление, чтобы напряжение U1 при изменении сопротивления цепи оставалось практически постоянным. Если же он имеет значительное внутреннее сопротивление (например, выпрямитель), то следует его нагрузить на сопротивление, много меньшее, чем Rв (рис. 12.22 е). Тогда изменение сопротивления цепи вольтметра не будет заметно изменять напряжение источника.

Омметры

На рис. 12.23 а показана последовательная схема омметра. В нее входят миллиамперметр, источник тока (элемент или батарейка), добавочное сопротивление R и переменное сопротивление R1. Когда зажимы измеряемого сопротивления Rx разомкнуты, то в приборе тока нет, и положение стрелки, находящейся в начале шкалы, отмечается знаком оо, что соответствует бесконечно большому Rx. При замыкании зажимов Rx накоротко ток в приборе максимален, и стрелка должна дать полное отклонение, которое отмечается



знаком 0. Различным значениям Rx соответствуют различные токи, а следовательно, и различные отклонения стрелки. Шкала прибора градуируется в омах. Она получается неравномерной (сжатой в области больших сопротивлений). Измерения с достаточной точностью получаются при Rx в пределах от 0,1 R до 10 R. Изменяя R1, которое в 10—20 раз больше сопротивления самого прибора, можно в некоторых пределах компенсировать изменение напряжения батареи. Ручкой переменного сопротивления R1 перед началом измерения устанавливают стрелку на нуль, замкнув накоротко зажимы Rx.

В некоторых омметрах для установки нуля вместо электрического шунта R1 применяется магнитный шунт в виде стальной пластинки, которую можно перемещать между полюсами магнита миллиамперметра. В пластинку ответвляется часть магнитного потока, и, таким образом, регулируется чувствительность прибора. Обычный корректор, имеющийся у всех приборов и вращаемый отверткой, служит в омметрах для установки стрелки на оо. Перед пользованием омметром сначала проверяют установку на оо и, если нужно, поправляют ее с помощью корректора, а затем осуществляют установку на нуль ручкой шунта. Если не удается установить стрелку на нуль, то это свидетельствует об истощении батарейки. Для расширения пределов измерения в сторону больших значений Rx надо увеличить R и напряжение батареи.

Измерение малых сопротивлений иногда производят по схеме параллельного омметра (рис. 12.23 б), в которой Rx присоединяется параллельно миллиамперметру, а добавочное сопротивление R должно быть значительно больше сопротивления самого прибора Rn. Для установки на бесконечность (при разомкнутых зажимах Rx) служит переменное сопротивление R1 В этом омметре шкала имеет нуль слева, а бесконечность справа. Пределы измеряемых сопротивлений примерно от 0,1 Rn до Rn.

Специальные омметры для измерения очень больших сопротивлений называются мегомметрами. В качестве источника тока они обычно имеют индуктор, т. е. магнитоэлектрический генератор, вращаемый с помощью руч

ки и дающий напряжение порядка 100—200 в. Такие приборы могут быть и с питанием от выпрямителя или преобразователя.

Поскольку основной частью омметра является магнитоэлектрический прибор, то он может быть использован также для измерения тока и напряжения. Поэтому большое распространение получили универсальные комбинированные приборы ампервольтомметры или, короче, авометры. В них один и тот же гальванометр с помощью переключателя соединяется с шунтами, добавочными сопротивлениями и источником питания (обычно в виде батарейки) и используется для измерения токов, напряжений и сопротивлений. Для переменных токов и напряжений в нем применяются полупроводниковые диоды.

С целью увеличения чувствительности авометра при измерении тока, повышения его входного сопротивления при измерении напряжения и возможности измерения высоких сопротивлений при небольших напряжениях питания в авометр добавляют ламповый или транзисторный усилитель. Такие авометры позволяют измерять сопротивления до десятков мегом и более, токи от единиц микроампер до единиц ампер, напряжения от единиц милливольт до тысяч вольт при входном сопротивлении в сотни килоом на вольт.

Метод моста

На рис. 12.24 показаны схемы мостов для измерения сопротивлений. При равновесии моста, т. е. при отсутствии тока в диагонали А Б, сопротивления плеч моста находятся в следующем соотношении: RxR2=R1R3- Иначе говоря, условие равновесия (или баланса) моста заключается в том, что произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Отсюда



В схеме рис. 12.24 а сопротивление R3 является эталонным, а сопротивления R1 и R2 представляют собой тонкую реостатную проволоку или выполняются в виде потенциометра. С целью получения равновесия моста изменяют с помощью ползунка А отношение R1:R2. В схеме рис. 12.24 б R1 и R2— эталонные сопротивления, причем можно устанавливать то или иное их отношение, например, 100 : 1, 10 : l, 1 : 1, 1 : 10, 1 : 100 и т. д., а R3—переменное сопротивление, регулировкой которого получается баланс места.


Для таких мостов достаточная точность измерения получается при отношении R1:R2 в пределах от 0,1 до 10. Наибольшая точность соответствует случаю R1:R2=1. Вообще для получения точных измерений желательно, чтобы все плечи моста имели примерно одинаковые сопротивления.

Если мост питается постоянным током, то в качестве индикатора применяется гальванометр с нулем посредине шкалы. Так как в начале измерения

мост может быть сильно разбалансирован, то следует уменьшить чувствительность гальванометра, чтобы он не был сожжен. Для этого гальванометр шунтируют переменным сопротивлением или постоянным сопротивлением с выключателем (рис. 12.24 в и г). Когда равновесие найдено с зашунтированным гальванометром, шунт выключают и более точно устанавливают равновесие.

Иногда мост питают переменным током с частотой в сотни герц от звукового генератора и в качестве индикатора применяют телефон. Равновесие моста соответствует исчезновению или минимуму звука в телефоне. Телефоном можно пользоваться и при питании моста постоянным током. Тогда равновесие определяют по пропаданию или наиболее слабому звуку щелчков в телефоне при замыкании и размыкании выключателя в цепи источника.

Пробники

Для грубой проверки сопротивления различных деталей и цепей пользуются пробниками. На рис. 12.25 показано несколько вариантов их устройства. Проводники а и б присоединяются к проверяемой цепи. Пробник с лампочкой требует неразряженных элементов и пригоден для проверки цепей, имеющих сопротивление, не превышающее во много раз сопротивление лампочки. Другие пробники могут работать со значительно разряженными элементами.



Пробники с вольтметром и миллиамперметром примерно равноценны. Сопротивление R, включенное последовательно с миллиамперметром, подбирается так, чтобы при замыкании накоротко проводов а и б прибор давал полное отклонение. Зная величину R, можно по отклонению стрелки приблизительно судить о сопротивлении проверяемой цепи, т. е. применять пробник в качестве простейшего омметра. Если напряжение батарейки пробника невелико, то им нельзя проверять цепи с большим сопротивлением. Например, если напряжение батарейки 4 в, а миллиамперметр взят на 10 ма с добавочным сопротивлением R=4 : 0,01—400 ом, то при проверке цепи с сопротивлением в 1 Мом ток равен 4 : 1 000 000=4-10-6 а или 4 мка. Конечно, стрелка миллиамперметра при этом токе останется на нуле.

Наиболее чувствителен пробник с телефоном, работающий при токах в доли микроампера. Присоединяя его к цепи с сопротивлением даже в несколько мегом, мы услышим в телефоне щелчок при замыкании и размыкании. Это означает, что цепь не имеет обрыва для постоянного тока. По громкости щелчков можно грубо судить о порядке сопротивления цепи. Если для постоянного тока цепь не имеет проводимости, то слабый щелчок обычно получается только при замыкании из-за наличия в цепи емкости. Например, если проверяется обмотка трансформатора и слабый щелчок слышен в момент замыкания, а при размыкании его нет, то обмотка имеет обрыв. Две части такой обмотки образуют конденсатор, на заряд которого пройдет некоторый ток в момент замыкания. То же наблюдается при проверке отсут

ствия замыкания обмотки с сердечником. При проверке конденсаторов щелчок при замыкании и отсутствие щелчка в момент размыкания показывают, что конденсатор исправен (не пробит и не имеет значительной утечки). У исправного конденсатора щелчок при замыкании получается тем громче, чем больше емкость. Пробник с измерительным прибором при испытании исправного конденсатора дает отклонение стрелки в момент замыкания, а затем стрелка становится на нуль. Однако при небольшой емкости конденсатора зарядный ток мал и пробник с измерительным прибором оказывается недостаточно чувствительным.

Утечка в конденсаторе может быть определена по времени, в течение которого конденсатор держит заряд. Конденсатор заряжают и сразу же разряжают на вольтметр или на телефон, замечая величину отклонения стрелки или громкость щелчка. Затем снова заряжают конденсатор и разряжают его через несколько десятков секунд. Тогда, чем больше утечка, тем меньше отклонится стрелка или тем слабее щелчок в телефон. Конденсаторы небольшой емкости следует испытывать на телефон. Электролитические конденсаторы, имеющие сравнительно большую утечку, испытывают на разряд через несколько секунд.

При проверке деталей в схеме надо проследить влияние на них других деталей и в случае необходимости отсоединить их. Например, нельзя проверять на утечку конденсатор, если он шунтирован сопротивлением. Проверять сопротивление в схеме можно только в случае, если оно не шунтировано другими сопротивлениями или если шунтирующие сопротивления во много раз больше проверяемого. Разумеется, что при проверке деталей в схеме источники питания данной схемы должны быть отсоединены.

4. Погрешности

При любом измерении неизбежны погрешности, т. е. отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины, которые обусловливаются, с одной стороны, непостоянством параметров элементов измерительного прибора, несовершенством измерительного механизма (например, наличием трения и т. д.), влиянием внешних факторов (наличием магнитных и электрических полей), изменением температуры окружающей среды и т.д., а с другой стороны - несовершенством органов чувств человека и другими случайными факторами. Разность между показанием прибора Апи действительным значением измеряемой величины ADвыражается в единицах измеряемой величины и называется абсолютной погрешностью измерения:



Величина, обратная по знаку абсолютной погрешности, носит название поправки:



Для получения истинного значения измеряемой величины необходимо к измеренному значению величины прибавить поправку:



Для оценки точности произведенного измерения служит относительная погрешность 5, которая представляет собой отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины, выраженное обычно в процентах:



Следует отметить, что по относительным погрешностям оценивать точность, например, стрелочных измерительных приборов, весьма неудобно, так как для них абсолютная погрешность вдоль всей шкалы практически постоянная, поэтому с уменьшением значения измеряемой величины растет относительная погрешность (1). Рекомендуется при работе со стрелочными приборами выбирать пределы измерения величины так, чтобы не пользоваться начальной частью шкалы прибора, т. е. отсчитывать показания по шкале ближе к ее концу.

Точности измерительных приборов оценивают по приведенным погрешностям, т. е. по выраженному в процентах отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению Ан:



Нормирующим значением измерительного прибора называется условно принятое значение измеряемой величины, могущее быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы

и др.

Погрешности приборов подразделяют на основную, присущую прибору при нормальных условиях применения вследствие несовершенства его конструкции и выполнения, и дополнительную, обусловленную влиянием на показания прибора различных внешних факторов.

Нормальными рабочими условиями считают температуру окружающей среды 20±5°С при относительной влажности воздуха 65±15%, атмосферном давлении 750±30 мм рт. ст., в отсутствие внешних магнитных полей, при нормальном рабочем положении прибора и т. д. В условиях эксплуатации, отличных от нормальных, в электроизмерительных приборах возникают дополнительные погрешности, которые представляют собой изменение действительного значения меры (или показания прибора), возникающее при отклонении одного из внешних факторов за пределы, установленные для нормальных условий.

Допустимое значение основной погрешности электроизмерительного прибора служит основанием для определения его класса точности. Так, электроизмерительные приборы по степени точности подразделяются на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0, причем цифра, обозначающая класс точности, указывает на наибольшее допустимое значение основной погрешности прибора (в процентах). Класс точности указывается на шкале каждого измерительного прибора и представляет собой жирно выделенную или обведенную кружком цифру.

Шкалу прибора разбивают на деления. Цена деления (или постоянная прибора) есть разность значений величины, которая соответствует двум соседним отметкам шкалы. Определение цены деления, например вольтметра и амперметра, производят следующим образом: Сu= UH/N- число вольт, приходящееся на одно деление шкалы; С/= Iн/N- число ампер, приходящееся на одно деление шкалы; N - число делений шкалы соответствующего прибора. Но иногда встречаются приборы с неравномерно разбитой по делениям шкалой, цену деления нужно определять на участке шкалы, например, цену маленьких делений определяют на участке между большими делениями с цифровой разметкой.




Важной характеристикой прибора является чувствительность 5, которую, например, для вольтметра Su и амперметра Si, определяют следующим образом: - число делений шкалы, приходящееся на 1 В;

SI=N/IH - число делений шкалы, приходящееся на 1 А.

Другой важной метрологической характеристикой прибора является его надежность — способность сохранять заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Количественной мерой надежности является вероятность безотказной работы (ВБР) - вероятность того, что в течение определенного времени Т непрерывной работы не произойдет ни одного отказа. Так, амперметры и вольтметры типа Э8027 имеют минимальное значение ВБР 0,96 за 2000 ч непрерывной работы. Иными словами, из 100 таких приборов за 2000 часов непрерывной работы лишь 4 будут нуждаться в ремонте.
Заключение

Все вышеперечисленное – мизерная часть того, что можно измерять. Без внимания остались такие величины, как скорость, давление, освещенность, интенсивность радиоактивного излучения и многие другие. Все они так или иначе находят широкое применение как в отдельных областях науки, так и в широком кругу людей.

Механические, тепловые, световые явления человек ощущает при помощи своих органов чувств. Мы, хотя и приблизительно, можем оценить размеры предметов, скорость их движения, яркость светящихся тел. Долгое время именно так люди изучали звездное небо.

Но мы с вами совершенно одинаково реагируем на проводник, ток которого равен 10 мА или 1 А (т. е. в 100 раз больше).

Мы видим форму проводника, его цвет, но наши органы чувств не позволяют оценить величину тока. Точно так же мы совершенно равнодушны к магнитному полю, созданному катушкой, электрическому полю между обкладками конденсатора. Медицина установила определенное влияние электрических и магнитных полей на организм человека, но это влияние мы не ощущаем, и величину электромагнитного поля оценить не можем.

Исключение составляют только очень сильные поля. Но и здесь неприятное покалывание, которое можно заметить, гуляя около высоковольтной линии передачи, не позволит нам даже приблизительно оценить величину электрического напряжения в линии.

Все это заставило физиков и инженеров с первых шагов исследования и применения электричества пользоваться электроизмерительными приборами.

Приборы — глаза и уши инженера. Без них он глух и слеп и совершенно беспомощен. Миллионы измерительных приборов установлены на заводах, в научно-исследовательских лабораториях. В каждой квартире есть измерительные приборы, такие как линейка, рулетка, электрический счетчики многие другие.

С развитием науки и техники увеличилась потребность в точности измерений. Начали появляться электронные приборы, погрешность которых очень мала. Но только уменьшения погрешности приборов недостаточно. Необходимо стандартизировать как сами приборы, так и измерения, проводимые с их помощью. Именно этим и занимаются такие науки как метрология, стандартизация и сертификация.


Список литературы

  1. Детская Энциклопедия, т. 3, «Вещество и энергия», изд. «Педагогика», М. 1973.

  2. Детская Энциклопедия, т. 5, «Техника и производство», изд. «Педагогика», М. 1974.

  3. Жеребцов И.П. Радиотехника, 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Связь, Советское радио, 1965.

  4. Кононенко В.В., Мишкович В.И., Муханов В.В Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов, 3-е изд., исправл. и доп. – Ростов н/Д: Феникс,2007.

  5. http://www.wikipedia.org/


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации