Тема 1.2 Меры электрических единиц. Общие сведения об

Электроизмерительных приборах

 

Студент должен

знать:

- классификацию мер;

- эталоны;

- основные меры электрических единиц;

уметь:

- расшифровать условные обозначения на шкале прибора.

 

Классификация мер, образцовая мера – эталон. Виды эталонов. Меры электрических единиц: токовые весы, нормальный элемент, магазины сопротивлений, меры индуктивности, взаимоиндуктивности.

 

Материал для изучения

 

Измерением называется процесс сравнения измеряемой величины с величиной того же рода, принятой за единицу, т.е. измерить – значит определить, во сколько раз измеряемая величина больше или меньше единицы. Результат измерения выражают числом, показывающим отношение измеряемой величины к единице измерения. Главной характеристикой результата измерений является его точность, т.е. степень соответствия измеряемой величины действительному значению.

Все физические величины можно разделить на три группы.

• Первая группа - величины могут быть количественно оценены человеком с помощью органов чувств (длина, температура, скорость и т.д.). Однако точность измерения этих величин указанным способом невелика и для ее повышения используют измерительные приборы.
• Вторая группа – те же физические величины, что и в первой, но такого масштаба, что органы чувств их не в состоянии оценить, т.е. величины очень малые или очень большие.
• Третья группа – величины, не воспринимаемые органами чувств человека (электрические, магнитные и т.п.).

Измерения могут быть:

• механическими,
• акустическими,
• тепловыми,
• электрическими. Под электрическими измерениями понимают все измерения электрических и магнитных величин, параметров электрических цепей, а также различных неэлектрических величин, предварительно преобразованных в электрические.
• другого вида.

Если для измерения величины А выбрана единица измерения а и в процессе их сравнения получено числовое значение N, то имеет место соотношение: А = N а, называемое основным уравнением измерения. Таким образом, при измерении различных величин необходимо для каждой из них выбрать единицу измерений. Совокупность единиц измерений составляет систему единиц (в настоящее время основная система единиц – система СИ).

Применяются различные способы (или методы) измерений величин.

По способу получения результата измерений:

• прямые
• косвенные.

Прямыми называются такие измерения, при которых искомая величина измеряется непосредственно, а косвенными – при которых искомая величина вычисляется по формулам на основе измерений вспомогательных величин. Прямые измерения осуществляются методами сравнения и непосредственной оценки.

Классификация методов прямых измерений:

• Метод сравнения позволяет определить измеряемую величину путем непосредственного сравнения ее с мерой данной величины (например, измерение ЭДС путем сравнения ее с ЭДС нормального элемента). К методам сравнения относятся нулевой, дифференциальный и др.
• Нулевой метод основан на том, что действие на прибор измеряемой величины сводится к нулю действием известной величины того же рода (например, измерение сопротивления с помощью моста).
• Дифференциальный метод основан на том, что непосредственному измерению подвергается не сама измеряемая величина, а разность между ней и величиной образцовой меры. Таким образом, метод сравнения всегда предусматривает использование мер.

Меры, предназначенные для проверки и градуировки мер и измерительных приборов, называются образцовыми. Образцовые меры, выполненные с наивысшей точностью, достижимой при современном состоянии измерительной техники, называются эталонами. В зависимости от назначения различают эталоны трех разрядов: первичные, вторичные, третичные.

Средство измерения, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера другим средствам измерения и выполненное по особой спецификации, называется эталоном:

• Первичные эталоны – государственные эталоны России, хранящиеся в центральном метрологическом учреждении Комитета стандартов, мер и измерительных приборов. Первичные эталоны используются в редких случаях.
• Вторичные эталоны – эталоны-копии, тщательно сверенные с первичными эталонами и выполненные с метрологической точностью. Они служат для сверки с ними третичных эталонов и хранятся при тех же условиях, что и первичные.
• Третичные эталоны выполняются также с метрологической точностью и широко применяются в практике метрологических учреждений. Все третичные эталоны являются рабочими и хранятся в местных поверочных учреждениях.

Для текущей проверки образцовых мер и измерительных приборов служат рабочие эталоны, которые по точности могут быть равны вторичным или третичным эталонам. Они изготовляются из менее ценных материалов и имеют более простую и удобную для эксплуатации конструкцию. Ввиду постоянного употребления рабочие эталоны довольно быстро изнашиваются и требуют частых проверок.

Размер единиц передается от эталонов к измерительным приборам и рабочим мерам с помощью образцовых мер и образцовых измерительных приборов, которые в зависимости от применения и способов проверки делятся на три разряда. Образцовые меры и измерительные приборы первого разряда проверяют непосредственно по рабочим эталонам; второго разряда – по образцовым мерам и измерительным приборам первого разряда; третьего разряда – по образцовым мерам и измерительным приборам второго разряда.

Рабочими называются такие меры и измерительные приборы, которые предназначены для практических измерений. В зависимости от степени точности их делят на лабораторные (более точные) и технические.

При электрических измерениях используют образцовые меры электродвижущей силы (ЭДС), электрического сопротивления, емкости и взаимной индуктивности.

При методе непосредственной оценки измеряемая величина определяется непосредственно по показаниям измерительного прибора, проградуированного в значениях измеряемой величины (например, измерение тока амперметром). Кроме того, различают также совокупные измерения, результаты которых находят на основании совокупности ряда прямых измерений и используют их для решения системы уравнений, содержащей неизвестные величины. Например, для определения температурных коэффициентов a и b из уравнения необходимо произвести измерения сопротивления R при трех различных температурах (20°, t₁ и t₂) и из двух полученных уравнений при t₁ и t₂ найти a и b.

В электротехнике при относительно невысокой точности измерений (0, 2 – 4%) чаще всего применяют методы непосредственной оценки как наиболее простые, требующие наименьшего времени. Для более точных измерений (0, 01 – 0, 1%) используют нулевые методы. При прямых измерениях погрешность всегда меньше, чем при косвенных, что является преимуществом прямых измерений. На судах наибольшее распространение получили методы непосредственной оценки.

При электрических измерениях неизбежно некоторое расхождение между измеренным и действительным значениями измеряемой величины, называемое погрешностью. Погрешностью прибора называется разница между значением, полученным при измерении величины прибором, и истинным значением этой величины.

Погрешности подразделяются на систематические и случайные. Систематическими называются погрешности, происходящие из-за несовершенства измерительных приборов, методов измерений, а также органов зрения или слуха исследователя. Эти погрешности могут быть изучены и учтены, а их влияние на результат измерения уменьшается введением соответствующих поправок. Случайными называются погрешности, происходящие от случайных причин, а также от ошибок в отсчете показаний по шкале прибора или в записи наблюдений. Эти погрешности не могут быть предусмотрены заранее и учтены при вычислении конечного результата измерений.

Погрешность прибора является одним из важнейших показателей качества и основным его признаком, положенным в основу классификации приборов по их точности.

Понятия погрешности и точности приборов взаимосвязаны. Под точностью прибора понимают его погрешность, ограничивающую степень приближения к истинному значению измеряемой величины.

Систематические погрешности подразделяются на

• абсолютную,
• относительную,
• приведенную,
• основную,
• дополнительные.

Разность между номинальным и действительным значениями называется абсолютной погрешностью. По этим же причинам измерительный прибор всегда показывает значение измеряемой величины А_пр, отличающееся от ее действительного значения А_д. Разность между показанием измерительного прибора А_пр и действительным значением А_д измеряемой величины называют абсолютной погрешностью прибора D:

D = А_пр – А_д.

Под показанием измерительного прибора понимается значение измеряемой величины, которое устанавливается по прибору. Действительное значение измеряемой величины – значение, определяемое образцовыми мерами или образцовыми измерительными приборами. Абсолютная погрешность меры и измерительного прибора выражается в единицах данной величины. За действительное значение меры или измеряемой величины условились принимать значения, полученные по наиболее точным, образцовым мерам и приборам.

Поправкой d называют величину, равную абсолютной погрешности D, взятой с обратным знаком, т.е. d = - D. Поправка рабочего измерительного прибора определяется заранее при поверке его по образцовому прибору. Действительное значение измеряемой величины равняется алгебраической сумме показаний прибора и его поправки.

Более полное представление о точности прибора дают относительные погрешности b(%), выраженные в процентах от действительных значений измеряемой величины: b = D × 100 / А_д. Однако относительная погрешность характеризует точность измерения только в данной точке шкалы прибора.

Для характеристики точности измерительного прибора по всей его шкале введено понятие основной приведенной погрешности, под которой понимают основную относительную погрешность, выраженную в процентах от верхнего предела измерения прибора (А_макс): g = D × 100 / А_макс По допустимому значению приведенной погрешности все меры и измерительные приборы делят на классы точности.

Класс точности характеризуется числом, указывающим наибольшее допустимое значение основной приведенной погрешности. Например, класс точности 0, 05 на катушке сопротивления указывает, что основная приведенная погрешность этой катушки не должна превышать 0, 05%, т.е. g = D × 100 / R £ 0, 05%. По классу точности меры или прибора можно подсчитать наибольшую допустимую абсолютную погрешность:

D_макс = k × А_макс / 100,

где D_макс – максимально допустимая абсолютная погрешность прибора;

А_макс – верхний предел измерения прибора;

k – числовое обозначение класса точности прибора.

Типовая задача.

Амперметр класса точности 1, 5 имеет 100 делений. Цена каждого деления 0, 5 А. Определить предел измерения прибора, наибольшую абсолютную погрешность и относительную погрешность в точке 50 делений.

Решение: определяем предел измерения прибора: I_А = 0, 5 × 100 = 50 (А);

Так как класс точности прибора 1, 5, то максимальная приведенная погрешность равна: g_max = 1, 5 %, тогда максимальная абсолютная погрешность из формулы g = D × 100 / I_max будет равна: D_max = g I_max / 100 = 1, 5 × 50 / 100 = 0, 75 А.

Относительная погрешность в точке 50 делений будет равна: b = D_max × 100 / 0, 5 × 50 = 3 %.

Погрешности приборов зависят от условий их работы. Основной погрешностью называют погрешность приборов при нормальных условиях их эксплуатации (нормальное положение, температура окружающей среды 20 ± 5°С и т.д.). Основная погрешность выражается в процентах от конечного значения рабочей части шкалы (для приборов с односторонней шкалой), от суммы конечных значений рабочей части шкалы (для приборов с двусторонней шкалой), от разности конечного и начального значений рабочей части шкалы (для приборов, не имеющих нулевой отметки), от длины рабочей части шкалы (для приборов с логарифмическим, гиперболическим или степенным характером шкалы). Рабочей частью шкалы для приборов с равномерной шкалой называется вся шкала, а для приборов с неравномерной шкалой – часть шкалы, обозначенная условными знаками. Основная погрешность представляет собой сумму погрешностей: от трения вращающихся частей, от опрокидывания, от неуравновешенности, от неправильной градуировки и установки шкалы, от остаточной деформации пружин, от параллакса, от внутренних магнитных и электрических полей.

Под дополнительной погрешностью понимают погрешность, возникающую вследствие отклонения условий работы прибора от нормальных. Нормальные условия определяются техническими условиями и соответствующими ГОСТ. Дополнительные погрешности вызываются влиянием внешних причин (температуры окружающей среды, внешнего магнитного и электрического поля, частоты измеряемой величины, напряжения, рабочего положения и др.) и возникают при отклонении условий работы от нормальных. Дополнительная погрешность определяется как разность между показанием прибора при наличии влияния одной из внешних причин и показанием прибора при нормальных условиях (при одном и том же значении измеряемой величины).

В зависимости от значения погрешности, т.е. от точности, все электроизмерительные приборы делятся на классы точности. По ГОСТ 1845 – 82 установлено восемь классов точности электроизмерительных приборов: 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5; 4, 0. Цифра, обозначающая класс точности прибора, определяет наибольшую допустимую приведенную погрешность для нормальных условий работы прибора, т.е. его основную погрешность. Кроме того, обозначение класса точности характеризует и его допустимые дополнительные погрешности от влияния внешних факторов. Таким образом, числовое обозначение класса достаточно полно характеризует качество прибора, непосредственно указывая на его точность и подверженность влиянию внешних факторов.

Типовая задача.

Вольтметр класса точности 1.0 с пределом измерения 300 В, имеющий максимальное число делений 150, поверен на отметках 30, 60, 100, 120 и 150 делений, при этом абсолютная погрешность в этих точках составила 1, 8; 0, 7; 2, 5; 1, 2 и 0, 8 В. Определить, соответствует ли прибор указанному классу точности, и относительные погрешности на каждой отметке.

Решение. Вольтметр класса точности 1, 0 с пределом измерения 300В имеет наибольшую абсолютную погрешность 3В. Так как значение абсолютной погрешности на всех поверяемых отметках менее 3В, то прибор соответствует классу точности 1, 0.

Относительные погрешности: : ; ; ;

; .

 

Меры электрических величин:

Рис. 1.1 Схема устройства токовых весов

Рис. 1.2 Устройство нормального кадмиевого элемента

Мера тока – токовые весы. Токовые весы (рис. 1.1) имеют коромысло, на одном плече которого подвешена подвижная катушка К₁. Последовательно с ней соединена неподвижная катушка К₂. При прохождении тока по катушкам К₁ и К₂ возникает сила их электродинамического взаимодействия, которая уравновешивается эталонными гирями, нагружаемыми на второе плечо коромысла.

Исходя из определения единицы силы тока и геометрических размеров катушек подсчитывается значение вилы взаимодействия между катушками при силе тока 1 А. Нагрузив второе плечо грузом найденного расчетного значения, регулируют силу тока в катушках до получения равновесия, при котором установившийся ток имеет значение 1 А. Токовые весы могут обеспечивать погрешность до 0, 001 %.

Мера ЭДС – нормальный элемент (НЭ).Нормальный элемент состоит из запаянного стеклянного Н-образного сосуда (рис. 1.2). Положительным электродом А служит ртуть, заполняющая нижнюю часть одной ветви сосуда, отрицательным электродом Б – амальгама кадмия (Cd – 12 %, Hg – 88 %), расположенная в нижней части другой ветви сосуда. Над положительным электродом расположена паста – деполяризатор В (смесь кристаллов сернокислого кадмия – CdSOO₄ + 8/3 H₂О и сернокислой закиси ртути Hg₂SO₄). Над пастой и отрицательным электродом расположены кристаллы сернокислого кадмия – Г. Электролитом служит водный раствор сернокислого кадмия – Д. Электродвижущая сила элемента в зависимости от температуры определяется по формуле

, В,

где Е_t – ЭДС при температуре t;

Е₂₀ – ЭДС при температуре 20º С.

Значение ЭДС, например, для элементов класса точности 0, 005 при температуре +20º С составляет 1, 0185 – 1, 0187В, а для класса 0, 02 – 1, 0186 – 1, 0194В. Допустимое изменение ЭДС за год для элементов класса 0, 005 составляет 50 мкВ, а для класса 0, 02 – 200 мкВ. Внутреннее сопротивление НЭ равно 500 – 1500 Ом. Предельный допустимый ток для элементов класса 0, 005 составляет 1 мкА, а для класса 0, 02 – 10 мкА. Нормальные элементы не следует применять при температурах ниже +5º С и выше +30º С; их нельзя переворачивать, подвергать толчкам и сотрясениям, а также допускать неодинаковый нагрев или охлаждение ветвей.

Меры электрического сопротивления.Меры электрического сопротивления - образцовые резисторы или образцовые катушки сопротивления. Точность измерительных резисторов (катушек сопротивления) определяется по ГОСТ 6864 – 69, который делит их на

Рис. 1.3 Схема устройства катушки сопротивления

Рис. 1.4 Образцовая катушка индуктивности

классы: 0, 0005; 0, 001; 0, 002; 0, 005; 0, 01; 0, 02 и 0, 05. Цифра класса точности катушки обозначает наибольшую допустимую погрешность, т.е. выраженное в процентах отношение разности между номинальным R_н и действительным R значениями меры к номинальному значению ее, указанному на резисторе, т.е. %. Измерительные резисторы изготовляются из манганиновой проволоки или ленты. манганин – сплав: Cu – 84%; Ni – 4%; Mn – 12%. Он обладает малым температурным коэффициентом сопротивления (0, 00001 1/º С), большим удельным сопротивлением (0, 45 Ом · мм²/м) и малой термо-ЭДС при контакте с медью (2 мкВ на 1º С). На рис. 1.3 показано устройство одной из катушек сопротивления. На латунный или фарфоровый цилиндр А наложена бифилярная (выполненная в два провода) обмотка, на концах которой расположены две пары зажимов I и U, укрепленные на эбонитовой панели Б, к которой крепится кожух катушки В. В других конструкциях обмотка крепится на цилиндрическом каркасе, припаиваемом к кожуху с внутренней стороны. Расположением обмотки между кожухом и каркасом достигается защита ее от влияния окружающей среды. Токовыми зажимами I резистор включается в цепь тока, зажимы U, называемые потенциальными, предназначены для измерения напряжения на сопротивлении резистора. Образцовые резисторы изготовляются на номинальные сопротивления 0, 00001; 0, 0001; 0, 001; 0, 01; 0, 1; 1; 100; 1000; 10 000; 100 000 Ом. Набор резисторов, заключенных в общий кожух и соединенных по определенной схеме, называется магазином резисторов или сопротивлений. Они применяются взамен образцовых катушек и для регулирования тока. Магазины резисторов по точности делятся на классы: 0, 01; 0, 02; 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0. Образцовые катушки и магазины резисторов должны иметь возможно меньшие собственные индуктивность и емкость. Уменьшение реактивного сопротивления катушки Х достигается применением специальных способов намотки катушек. Для получения катушек с малой постоянной времени применяются ряд намоток:

• бифилярная, обеспечивающая компенсацию намагничивающих сил двух смежных витков, вследствие чего индуктивность катушки становится ничтожной;
• однослойная намотка на тонкую изоляционную пластину, обеспечивающая получение малой индуктивности.

Меры индуктивности и взаимной индуктивности. Меры индуктивности с постоянным значением – это катушки с постоянным значением индуктивности. Образцовые катушки индуктивности (рис. 1.4) представляют собой пластмассовый или фарфоровый каркас с наложенной на него обмоткой из медной изолированной проволоки, концы которой укрепляются на зажимах. Использование каркаса из немагнитного материала обеспечивает независимость индуктивности от тока в катушке. Добротность катушки Q = wL ¤ R увеличивают, уменьшая ее активное сопротивление R. Образцовые катушки изготовляются на следующие номинальные значения индуктивности: 0, 0001; 0, 001; 0, 01; 0, 1; 1 Гн. Образцовая катушка с переменной индуктивностью – вариометр, состоит из двух частей – неподвижной и подвижной, могущей поворачиваться на угол около 180°. Индуктивность вариометра зависит от положения подвижной части. Магазин индуктивностей состоит из набора катушек, а иногда, кроме того, и из вариометра. Например, магазин типа Р-546 имеет декады катушек 10 ´ 0, 1; 10 ´ 1 и 10 ´ 10 мГн и вариометр 0 – 0, 1 мГн. Погрешность этого магазина индуктивностей равна ± (0, 3 ¸ 0, 5) %. Катушки взаимной индуктивности выполняются аналогично катушкам индуктивности, но имеют две обмотки.

Рис. 1.5 Образцовый конденсатор со слюдяной изоляцией

Меры емкости – это образцовые конденсаторы с известной постоянной или переменной емкостью емкость конденсатора должна возможно меньше изменяться в зависимости от времени, температуры, частоты и других факторов. Конденсатор должен обладать малыми диэлектрическими потерями и большим сопротивлением изоляции. В качестве образцовых используются воздушные и слюдяные конденсаторы. Воздушные конденсаторы выполняются с плоскими или цилиндрическими электродами, они имеют малую емкость от 0, 001 мкФ и практически не обладают диэлектрическими потерями. Слюдяные конденсаторы (рис. 1.5) состоят из ряда металлических пластин, изолированных слюдяными прокладками. Четные пластины соединены с одним, а нечетные с другим зажимом конденсатора. Тангенс угла потерь слюдяных конденсаторов порядка 10^-4, погрешность их составляет ±(0, 01 ¸ 0, 5) %.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое измерение
2. Что называется результатом измерения.
3. Дайте определение электрических измерений.
4. Назовите основное уравнение измерения.
5. Дайте определение прямых и косвенных измерений.
6. Какие методы измерения вы знаете. Дайте их сравнительную характеристику.
7. Для каких целей служат эталоны, образцовые меры. Дайте их сравнительную характеристику.
8. Какие меры и измерительные приборы называют рабочими. Для каких целей они применяются.

 

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. Понятие и система криминалистического исследования оружия, взрывных устройств, взрывчатых веществ и следов их применения.
2. III. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ КУРСА ПО ТЕМАМ И ВИДАМ РАБОТ
3. IX. Меры профессионального воздействия
4. V1: Понятие, объект, предмет и система криминологии
5. V7: Система линейных одновременных уравнений
6. Автоматизированная система телемеханического управления (АСТМУ)
7. Административная реформа и система органов исполнительно власти.
8. Административное право - публичное право. Административное право как отрасль права и система правового регулирования государственного управления.
9. Аксиологическое «Я» педагога как система ценностных ориентаций
10. Анализ электрических цепей постоянного тока с одним источником энергии
11. Антиноцицептивная система (АС)
12. Антонио Менегетти. Система и личность