Лекція 15. Тема 9
ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНІПРИЛАДИ. ТЕХНІКА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ
9.1 Загальні відомості проелектровимірювальні прилади
Електровимірювальні прилади призначені дляперетворення різних електричних величин (сили струму, напруги, активних іреактивних потужностей та енергій, коефіцієнта потужності, опору,індуктивності, ємності та інших) у візуальну форму, зручну для сприйняття.
Електровимірювальний прилад складається звимірювального механізму, який поміщений у корпус, та допоміжних частин(затиски для підключення, перемикачі меж вимірювань, блок живлення, коректор таінші). Вимірювальний механізм складається з рухомої і нерухомої частин, та маєшкалу з певною кількістю поділок.
Принцип дії вимірювальногомеханізму може бути заснований на явищі електромагнетизму, електромагнітноїсили або теплової дії струму. В результаті цих явищ виникає обертаючий момент,який повертає рухому частину вимірювального механізму разом з покажчиком(стрілкою). Стрілка відхиляється на кут, прямо пропорційний значеннювимірюваної фізичної величини. В протидію обертаючому моменту (електромагнітнимабо механічним шляхом) створюється рівний та протидіючий момент, тому що інакшестрілка буде відхилятися до кінця шкали при будь-якому значенні вимірюваної величини(відмінної від нуля).
Електровимірювальні прилади характеризуютьсянаступними величинами:
1. Межа вимірювання – найбільше значення фізичної величини, яке можнавимірити приладом.
2. Ціна поділки – кількість одиниць вимірюваної фізичної величини в однійподілці шкали приладу:
/>, (9.1)
де Сп – ціна поділки приладу;
Аmax – межа вимірювання приладу;
nmax – кількість поділок на шкалі приладу.
3. Чутливість – кількість поділок шкали, на якувідхиляється стрілка приладу при зміні вимірюваної фізичної величини на однуодиницю:
/>. (9.2)
4. Показання приладу – значення фізичної величини, яке вимірюєприлад (визначається як добуток ціни поділки приладу на кількість поділок, наяке відхилилася стрілка приладу при вимірюванні):
А = Спn , (9.3)
де А – показання приладу;
n – кількість поділок,
на яке відхилилася стрілка приладу привимірюванні.
5. Абсолютна похибка – різниця між показанням приладу та дійснимзначенням вимірюваної фізичної величини:
D =А –Ад, (9.4)
де D –абсолютна похибка;
А – показання приладу;
Ад – дійсне значення вимірюваної фізичноївеличини.
6. Відносна похибка – відношення абсолютної похибки до дійсногозначення вимірюваної фізичної величини (виражене у відсотках):
/>. (9.5)
7. Приведена похибка – відношення абсолютної похибки до межівимірювання приладу (виражене у відсотках):
/>. (9.6)
8. Клас точності – відношення максимальної абсолютної похибки(встановлюваної при проектуванні приладу) до межі вимірювання приладу (вираженеу відсотках):
/>. (9.7)
Для зменшення похибки вимірювання необхідновибирати межу вимірювання приладу так, щоб його показання знаходилося наостанній третині шкали приладу:
/>. (9.8)
При роботі електровимірювальний приладповинний споживати мінімально можливу потужність, щоб не змінювати режим роботиконтрольованого об’єкта.
Запитання для самоконтролю
1. Для чого призначеніелектровимірювальні прилади?
2. Опишіть побудову і принципдії стрілочного електровимірювального приладу.
3. Перелічіть основнівеличини, якими характеризується електровимірювальний прилад.
4. Що розуміється під межеювимірювання приладу?
5. Як визначити ціну поділкиприладу?
6. Як визначити чутливістьприладу?
7. Що розуміється підпоказанням приладу?
8. Як визначити абсолютну похибкуприладу?
9. Як визначити відносну похибкуприладу?
10. Що розуміється під приведеною похибкоюприладу?
11. Що розуміється під класом точності приладу?
9.2 Класифікаціяелектровимірювальних приладів
Для вимірювання електричних величин найбільш частішезастосовуються наступні прилади:
сили струму – амперметр;
напруги – вольтметр;
потужності – ватметр;
електроенергії – електричний лічильник;
коефіцієнта потужності – фазометр;
опору – омметр, вимірювальний міст;
частоти – частотомір.
Електровимірювальні прилади розрізняються занаступними ознаками: вимірювана фізична величина; рід струму; клас точності;принцип дії; спосіб відліку та характер шкали; характер застосування йустановки, та іншим.
За родом струму прилади поділяються так:
– прилади, призначені для вимірювання напостійному струмі;
– прилади, призначені для вимірювання назмінному струмі;
– прилади, призначені для вимірювання напостійному і змінному струмі.
Існують вісімкласів точності приладів:
0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
За принципом дії прилади підрозділяються так: магнітоелектричні, електромагнітні,електродинамічні, індукційні, термоелектричні, випрямні та інші.
За способом відліку прилади можуть бути такими, що показують (з безпосереднімвідліком по шкалі) та такими, що реєструють (самописи, осцилографи). Шкала приладів,що показують, може бути рівномірною (всі поділки однакові) та нерівномірною (невсі поділки однакові); більш точне вимірювання здійснюється за допомогоюрівномірної шкали.
За характером застосування прилади підрозділяються так: стаціонарні (встановлюваніна одному місці), переносні, транспортні (для мобільних установок).Встановлювати прилади можна вертикально (як правило, щитові прилади),горизонтально та під кутом до горизонталі.
Вибір електровимірювального приладуздійснюється в такий спосіб:
1) визначається вимірювана фізична величина та прилад длявимірювань (сила струму – амперметр, напруга – вольтметр, потужність – ватметрі так далі);
2) визначається рід струму в колі (постійний, змінний);
3) визначається необхідний клас точності приладу;
4) визначається характер застосування й установки;
5) визначається система приладу (магнітоелектрична,електромагнітна і так далі);
6) визначається межа вимірювання приладу;
7) визначається ціна поділки приладу.
Запитання для самоконтролю
1. Перелічіть основні прилади, які найбільш частішезастосовуються для електричних вимірювань.
2. Як класифікуються електровимірювальні прилади?
3. Як здійснюється вибір електровимірювального приладу?
9.3 Побудови та принципи дії електровимірювальнихприладів різних систем
Вимірювальний механізм приладу магнітоелектричноїсистеми складається з постійного магніту, який має підковоподібнуформу. Усередині магніту знаходиться котушка індуктивності, зв’язана зістрілкою приладу. При протіканні електричного струму в провідниках котушкиспостерігається явище електромагнітної сили. В результаті котушка, укріплена наосі, повертається на кут, пропорційний значенню вимірюваної величини. Разом зкотушкою відхиляється стрілка приладу, вказуючи на шкалі значення вимірюваноївеличини. Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колахпостійного струму.
Вимірювальний механізм приладу електромагнітноїсистеми складається з котушки індуктивності з рухомим магнітопроводом,який зв’язаний зі стрілкою приладу. При протіканні електричного струму впровідниках котушки спостерігається явище електромагнетизму. В результатімагнітопровід втягується в котушку пропорційно значенню вимірюваної величини, астрілка приладу відхиляється, вказуючи на шкалі значення вимірюваної величини.Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колах постійного тазмінного струмів.
Вимірювальний механізм приладу електродинамічноїсистеми складається з двох котушок індуктивності (рухомої танерухомої). При протіканні електричного струму в провідниках котушокспостерігається явище електромагнітної сили. В результаті рухома котушка (яказнаходиться усередині нерухомої котушки) відхиляється на кут, пропорційнийзначенню вимірюваної величини. Разом з цією котушкою відхиляється стрілкаприладу, вказуючи на шкалі значення вимірюваної величини. Прилади цієї системивикористовуються для вимірювань у колах постійного та змінного струмів.
Вимірювальний механізм приладу індукційноїсистеми складається з двох нерухомих котушок індуктивності (зсунутих упросторі на кут 90° одна до одної) тарухомої металевої частини (диска, циліндра), яка розміщується між котушками. Однукотушку включають паралельно мережі, а іншу послідовно. Струми, що протікають укотушках, створюють два магнітних потоки, які пронизують рухому металевучастину і наводять у ній вихрові електрорушійні сили. Під дією наведених вихровихе.р.с. у рухомій частині будуть протікати вихрові струми, тобто рухома частиназі струмом знаходиться в магнітному полі котушок. В результаті спостерігаєтьсяявище електромагнітної сили, і рухома частина (диск, циліндр) приходить вобертання. Прилади цієї системи використовують, як правило, для вимірюванняпотужності та енергії в колах змінного струму.
Прилад термоелектричної системиявляє собою сукупність приладу магнітоелектричної системи і термопари (двохрізнорідних металів: мідь – константан, залізо – константан та інших). Двакінці металевих провідників, з яких складається термопара, з’єднані у загальнийвузол. До цього вузла приєднаний провідник, по якому проходить вимірюванийелектричний струм. В результаті теплової дії струму загальний вузолнагрівається й у ньому наводиться постійна електрорушійна сила (яку називаютьтермо-е.р.с.), незалежно від роду струму. До двох інших кінців металевихпровідників, з яких складається термопара, підключений вимірювальний механізммагнітоелектричної системи. При виникненні термо-е.р.с. у котушці вимірювальногомеханізму протікає постійний струм. При протіканні електричного струму впровідниках котушки спостерігається явище електромагнітної сили. В результатікотушка, а разом з нею і стрілка приладу відхиляються, вказуючи на шкалізначення вимірюваної величини. Прилади цієї системи використовуються длявимірювань у колах постійного та змінного струмів.
Прилад випрямної системи являєсобою сукупність приладу магнітоелектричної системи й одного або декількохнапівпровідникових випрямлячів, призначення яких – живлення вимірювальногомеханізму магнітоелектричної системи постійним струмом. Прилади цієї системивикористовуються для вимірювань у колах постійного та змінного струмів длявимірювання невеликих значень фізичних величин, а також для вимірювання у колахз підвищеною частотою струму (понад 50 Гц).
Запитання для самоконтролю
1. Опишіть побудову і принцип дії приладу магнітоелектричноїсистеми, вказавши область використання.
2. Опишіть побудову і принцип дії приладу електромагнітноїсистеми, вказавши область використання.
3. Опишіть побудову і принцип дії приладу електродинамічноїсистеми, вказавши область використання.
4. Опишіть побудову і принцип дії приладу індукційноїсистеми, вказавши область використання.
5. Опишіть побудову і принцип дії приладу термоелектричноїсистеми, вказавши область використання.
6. Опишіть побудову і принцип дії приладу випрямноїсистеми, вказавши область використання.
9.4 Вимірювання сили струму, напруги, активноїпотужності, коефіцієнта потужності
Для вимірювання сили струму в коліслужить амперметр, літерне позначення якого на принциповихелектричних схемах – РА. Він включається послідовно в коло, уякому виконується вимірювання (рис.9.1). Опір котушки вимірювального механізмуповинний бути мінімальним, щоб сила струму в колі не змінилася при включенніамперметра. Для цього котушку виконують з невеликою кількістю витків із проводуз великим перетином.
Амперметр вибираєтьсядля вимірювань у такий спосіб: межа вимірювання приладу повинна перевищуватипередбачуване значення сили струму в колі. Для розширення межі вимірюванняамперметра використовують трансформатори струму або шунти (манганіновіпластини, упаяні в мідні чи латунні наконечники). Шунт включається в колопослідовно, а паралельно йому включається амперметр.
/>
Приклад 9.1
Амперметр, на шкалі якого 100поділок,має межу вимірювання 15А. При включенні амперметра в коло йогострілка відхилилася на 80поділок.
Визначити ціну поділки приладу та силу струмув колі.
Рішення.
1. Визначаємо ціну поділки приладу за (9.1):
/>.
2. Визначаємо силу струму в коліза (9.3):
I =Спn = 0,15×80 = 12А.
Для вимірювання напруги в коліслужить вольтметр, літерне позначення якого на принциповихелектричних схемах – РV. Він включається паралельно в коло, уякому виконується вимірювання (рис.9.2). Опір котушки вимірювального механізмуповинний бути максимальним, щоб напруга в колі не змінилася при включеннівольтметра. Для цього котушку виконують з великою кількістю витків із проводу зневеликим перетином.
Вольтметрвибирається для вимірювань у такий спосіб: межа вимірювання приладу повиннаперевищувати передбачуване значення напруги в колі. Для розширення межівимірювання вольтметра використовують трансформатори напруги або додатковіопори, які включаються послідовно з вольтметром.
/>
Приклад 9.2
Вольтметр, на шкалі якого 150поділок,має межу вимірювання 300В. При включенні вольтметра в коло йогострілка відхилилася на 110поділок.
Визначити ціну поділки приладу та напругу назатисках кола.
Рішення.
1. Визначаємо ціну поділки приладу за (9.1):
/>.
2. Визначаємо напругу на затисках кола за(9.3):
U =Спn = 2×110 = 220В.
Для вимірювання активноїпотужності в колі служить ватметр, літерне позначення якого напринципових електричних схемах – РW. Вимірювальний механізмватметра складається з двох котушок: нерухомої та рухомої, зв’язаної зістрілкою приладу. Нерухома котушка (струмова обмотка) має невелику кількістьвитків та виконана з проводу із великим перетином; включається в колопослідовно. Рухома котушка (обмотка напруги) має велику кількість витків тавиконана з проводу із невеликим перетином; включається в коло паралельно.Струми в котушках повинні протікати в одному напрямку, щоб стрілка приладу відхиляласявправо від нуля, для цього затиски приладу зі знаком «*» поєднують узагальний вузол. Принцип дії ватметра заснований на явищі електромагнітноїсили, яка виникає при протіканні струму в обох котушках, в результаті чоговиникає обертаючий момент прямо пропорційний струмам у котушках. Сила струму врухомій котушці пропорційна напрузі в колі, тому що вона включаєтьсяпаралельно. Сила струму в нерухомій котушці пропорційна силі струму в колі,тому що вона включається послідовно. Отже, обертаючий момент, який діє нарухому котушку, пропорційний активній потужності в колі. Таким чином, ватметрмає дві межі вимірювання: за струмом і за напругою, тому межа вимірювання таціна поділки ватметра визначаються так:
/>; (9.9)
/>, (9.10)
де Imax – межа вимірювання ватметраза струмом, А;
Umax – межа вимірювання ватметра за напругою, В.
Вибір ватметра для вимірювань здійснюється втакий спосіб: межа вимірювання приладу за струмом повинна перевищуватипередбачуване значення сили струму в колі, межа вимірювання приладу за напругоюповинна перевищувати передбачуване значення напруги в колі. Для розширення межвимірювання ватметра використовують трансформатори струму і напруги (або шунтиі додаткові опори).
Принципова електрична схема включення ватметрадля вимірювання потужності, яку споживає навантаження в однофазному колізмінного струму, показана на рис.9.3.
/>
Приклад 9.3
Ватметр, на шкалі якого 150поділок,має межу вимірювання за струмом 20А та межу вимірювання занапругою 300В. При включенні ватметра в коло його стрілка відхилиласяна 90поділок.
Визначити ціну поділки приладу та активнупотужність у колі.
Рішення.
1. Визначаємо межу вимірювання приладу за(9.9):
Рmax=ImaxUmax= 20×300 = 6000Вт.
2. Визначаємо ціну поділки приладу за (9.10):
/>.
3. Визначаємо активну потужність уколі за (9.3):
Р =СПn = 20×90 = 1800Вт.
Значення коефіцієнта потужності можна визначитиза показаннями амперметра, вольтметра та ватметра:
/>, (9.11)
де cosj – коефіцієнт потужності;
APW –показання ватметра, Вт;
APV –показання вольтметра, В;
АРА – показання амперметра, А.
Приклад 9.4
Котушка індуктивності підключена дооднофазного джерела (50 Гц). У коло котушки включені ватметр, вольтметрі амперметр. Після подачі напруги на затиски котушки показання приладів склали:ватметра – 110 Вт, вольтметра – 220 В, амперметра –5 А.
Визначити коефіцієнт потужності котушки.
Рішення.
1. Визначаємо коефіцієнт потужності котушки за(9.11):
/>.
Коефіцієнт потужності можна такожвизначити за допомогою електровимірювального приладу, який називають фазометром,літерне позначення якого на принципових електричних схемах – рj.
Запитання для самоконтролю
1. Для чого призначений амперметр?
2. Як вибрати для вимірювань амперметр?
3. Складіть принципову електричну схемувимірювання сили струму в однофазному навантаженні.
4. Для чого призначений вольтметр?
5. Як вибрати для вимірювань вольтметр?
6. Складіть принципову електричну схемувимірювання напруги на затисках однофазного навантаження.
7. Для чого призначений ватметр?
8. Опишіть побудову ватметра.
9. Опишіть принцип дії ватметра.
10. Як вибрати для вимірювань ватметр?
11. Як визначити межу вимірювання та ціну поділкиватметра?
12. Складіть принципову електричну схему вимірювання потужностіоднофазного навантаження.
13. Складіть і опишіть принципову електричну схему включенняватметра у високовольтну однофазну мережу за допомогою вимірювальнихтрансформаторів напруги і струму.
14. Як визначити коефіцієнт потужності пристрою за показаннямиамперметра, вольтметра та ватметра?
9.5 Вимірювання електричноїенергії
Для обліку споживання активної енергіївикористовують лічильник активної енергії, літернепозначення якого на принципових електричних схемах – РWh. Вимірювальниймеханізм лічильника активної енергії влаштований у такий спосіб. На двох магнітопроводах,які мають підковоподібну форму та розташовані перпендикулярно один до одного,знаходяться обмотки (котушки індуктивності). Одна обмотка (обмотка напруги)включається паралельно споживачу, друга обмотка (струмова обмотка) включаєтьсяпослідовно зі споживачем. Між магнітопроводами укріплений алюмінієвий диск наосі, яка зв’язана з рахунковим механізмом.
Принцип дії вимірювального механізмунаступний: при протіканні електричного струму по обмотках спостерігається явищеелектромагнетизму, в результаті чого створюються магнітні потоки обмоток. Ціпотоки пронизують диск і спостерігається явище електромагнітної індукції: удиску наводяться вихрові е.р.с., під дією яких протікають вихрові струми.Взаємодія магнітного поля обмоток і вихрових струмів приводить до виникненняявища електромагнітної сили. Диск, а разом з ним і рахунковий механізм,починають обертатися. Для гальмування диска (при відсутності споживанняелектроенергії) використовується постійний магніт підковоподібної форми, полюсиякого розташовані по різні боки щодо площини диска.
На шкалі лічильника вказуються наступнітехнічні параметри: тип; номінальна напруга (220В, 380В – длябезпосереднього включення; 100В – для включення через вимірювальнийтрансформатор напруги); номінальний струм (5А, 10А, 20А,50А); постійна лічильника, яка показує, скільки обертів дискавідповідає 1кВт×год.
Лічильник активної енергії включаєтьсяаналогічно ватметру.
На практиці (крім обліку спожитоїелектроенергії) лічильники використовують для визначення потужності включеногонавантаження. Для цього знімають різницю показань лічильника за тривалийпроміжок часу (кілька годин), яку співвідносять часу:
/>, (9.12)
де Р – активна потужністьвключеного навантаження, кВт;
DW –різниця показань лічильника, кВт×год;
t – час, год.
Існує більш швидкий, але менш точнийспосіб визначення потужності включеного навантаження. Для цього знімаютькількість обертів диска за стислий проміжок часу (кілька секунд), якуспіввідносять часу та постійній лічильника:
/>, (9.13)
де n – кількість обертівдиска, об.;
Слч – постійна лічильника, об/(кВт×год);
t – час, с.
Лічильники активної енергії випускаються в однофазному,трифазному трипровідному та трифазному чотирипровідному виконанні.Вимірювальний механізм трифазного трипровідного лічильника являє собоюсукупність вимірювальних механізмів двох однофазних лічильників, диски якихрозташовані на загальній осі та працюють на один рахунковий механізм (такий вимірювальниймеханізм називається двоелементним). Вимірювальний механізм трифазногочотирипровідного лічильника являє собою сукупність вимірювальних механізмівтрьох однофазних лічильників, диски яких розташовані на загальній осі тапрацюють на один рахунковий механізм (такий вимірювальний механізм називаєтьсятриелементним).
Вимірювання реактивної енергіїздійснюється за допомогою лічильників реактивної енергії, конструкція якиханалогічна трифазним чотирипровідним лічильникам активної енергії. Відмінністьполягає в способі підключення лічильника реактивної енергії.
Запитання для самоконтролю
1. Для чого призначений лічильник активної енергії?
2. Опишіть побудову лічильника активної енергії.
3. Опишіть принцип дії лічильника активної енергії.
4. Складіть і опишіть принципову електричну схему включеннялічильника активної енергії у високовольтну мережу за допомогою вимірювальнихтрансформаторів напруги і струму.
5. Що розуміється під постійною лічильника активноїенергії?
6. Як визначити потужність навантаження за показаннямилічильника активної енергії?
9.6 Вимірювання опорів
У колах постійного струму опір елемента коламожна вимірити за допомогою вольтметра та амперметра. Для цього вимірюютьнапругу на елементі кола і силу струму, який у ньому протікає. Розділившипоказання вольтметра на показання амперметра, визначають опір:
/>. (9.14)
У колах змінного струму за показаннямивольтметра та амперметра можна визначити повний опір елемента кола:
/>. (9.15)
Активний опір елемента в колі змінного струмуможна визначити за показаннями ватметра та амперметра:
/>. (9.16)
електровимірювальний прилад струмпотужність
Приклад 9.5
Котушка індуктивності підключена до однофазногоджерела (50 Гц). У коло котушки включені ватметр, вольтметр і амперметр.Після подачі напруги на затиски котушки показання приладів склали: ватметра – 110Вт, вольтметра – 220 В, амперметра – 5 А.
Визначити параметри котушки (повний, активнийта індуктивний опори).
Рішення.
1. Визначаємо повний опір котушки за (9.15):
/>.
2. Визначаємо активний опір котушки за (9.16):
/>.
3. Визначаємо індуктивний опір котушки з(3.75):
/>.
/>
Для безпосереднього вимірювання опоріввикористовується електровимірювальний прилад омметр, який являє собоюсукупність міліамперметра магнітоелектричної системи та спеціальної вимірювальноїсистеми, яка складається з джерела постійної електрорушійної сили ірегульованого резистора (рис.9.4).
При незмінній напрузі джерела сила струму вколі залежить від вимірюваного опору, що дозволяє градуювати шкалу міліамперметрав омах:
/>, (9.17)
де I – сила струму в колі, А;
Rр – опір регульованого резистора, Ом;
Rа – опір амперметра, Ом;
Rх – вимірюваний опір, Ом.
Чим більше вимірюваний опір, тим менший струмпротікає в колі, тому омметр має зворотну шкалу.
Крім омметра опір елемента кола можна виміритиза допомогою вимірювального моста. Розглянемо чотириплечійвимірювальний міст (рис.9.5).
/>
В одне плече моста включається елемент кола,опір якого необхідно вимірити (Rх),у три інших плечі моста включаються регульовані резистори R1, R2, R3. Вимірювальний міст має двідіагоналі (ab і cd), до діагоналі ab підключається джерелопостійної електрорушійної сили, до діагоналі cd – гальванометр G.
При вимірюванні необхідно опори регульованихрезисторів змінювати так, щоб урівноважити міст, тобто струм у гальванометріповинний бути відсутнім. Це означає, що в урівноваженому стані I1= I2, I3 = Ix. У відповідності до другогозакону Кірхгофа:
/>; />. (9.18)
Розділивши одне рівняння на інше, одержимо:
/>. (9.19)
Запитання для самоконтролю
1. Складіть розрахункову схему двоплечего моста.
2. Опишіть принцип дії двоплечего моста.
3. Складіть розрахункову схему чотириплечого моста.
4. Опишіть принцип дії чотириплечого моста.
Лабораторне заняття 15«Електровимірювальніприлади та техніка електричних вимірювань»
1. Виконати завдання інформаційно-репродуктивного і практично-стереотипногохарактеру, користуючисьтаблицями.Таблиця 9.1
Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер відповіді 1. Для чого призначені електровимірювальні прилади? 2. Опишіть побудову та принцип дії стрілочного електровимірювального приладу? 3. Перелічіть основні величини, якими характеризується електровимірювальний прилад. 4. Що розуміється під межею вимірювання приладу? 5. Як визначити ціну поділки приладу? 6. Як визначити чутливість приладу? 7. Що розуміється під показанням приладу? 8. Як визначити абсолютну похибка приладу? 9. Як визначити відносну похибку приладу? 10. Що розуміється під наведеною похибкою приладу? 11. Що розуміється під класом точності приладу?
У разі вірного виконання завдання åнепар – åпар = 2Таблиця 9.1а
Номер відповіді Відповідь 1.
Як різниця між показанням приладу та дійсним значенням вимірюваної фізичної величини: D =А –Ад. 2.
Відношення максимальної абсолютної похибки (установлюваної при проектуванні приладу) до межі вимірювання приладу (виражене у відсотках): />. 3.
Значення фізичної величини, яке вимірив прилад (визначається як добуток ціни поділки приладу на кількість поділок, на яке відхилилася стрілка приладу при вимірюванні):А =Спn . 4.
Як відношення абсолютної похибки до дійсного значення вимірюваної фізичної величини (виражене у відсотках): />. 5.
Відношення абсолютної похибки до межі вимірювання приладу (виражене у відсотках): />. 6. Складається з вимірювального механізму, поміщеного в корпус, і допоміжних частин (затиски для підключення, перемикачі меж вимірювань, блок живлення, коректор). Вимірювальний механізм складається з рухомої й нерухомої частин та має шкалу з певною кількістю поділок. Принцип дії вимірювального механізму може бути заснований на явищі електромагнетизму, електромагнітної сили або теплової дії струму. У результаті цих явищ виникає обертаючий момент, що повертає рухому частину вимірювального механізму разом з покажчиком (стрілкою). Стрілка відхиляється на кут, прямо пропорційний значенню вимірюваної фізичної величини. У протидію обертаючому моменту (електромагнітним або механічним шляхом) створюється однаковий за значенням і протидіючий момент, тому що інакше стрілка буде відхилятися до кінця шкали при будь-якому значенні вимірюваної величини (відмінної від нуля). 7. Межа вимірювання, ціна поділки, чутливість, показання приладу, абсолютна похибка, відносна похибка, наведена похибка, клас точності. 8.
Як відношення межі вимірювання приладу до кількості поділок на шкалі приладу: />. 9. Найбільше значення фізичної величини, яке можна вимірити приладом. 10. Для перетворення різних електричних величин (сили струму, напруги, активних і реактивних потужностей і енергій, коефіцієнта потужності, опору, індуктивності, ємності) у візуальну форму, зручну для сприйняття. 11.
Як відношення кількості поділок на шкалі приладу до межі вимірювання приладу: />.
Таблиця 9.2
Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер відповіді 1. Перелічіть основні прилади, які найбільше часто використовуються для електричних вимірювань. 2. Як класифікуються електровимірювальні прилади? 3. Як здійснюється вибір електровимірювального приладу? 4. Опишіть побудову та принцип дії приладу магнітоелектричної системи, указавши область використання. 5. Опишіть побудову та принцип дії приладу електромагнітної системи, указавши область використання. 6. Опишіть побудову та принцип дії приладу електродинамічної системи, указавши область використання. 7. Опишіть побудову та принцип дії приладу індукційної системи, указавши область використання. 8. Опишіть побудову та принцип дії приладу термоелектричної системи, указавши область використання. 9. Опишіть побудову та принцип дії приладу випрямної системи, указавши область використання.
У разі вірного виконання завдання åнепар – åпар = 15Таблиця 9.2а
Номер відповіді Відповідь 1. Прилад являє собою сукупність приладу магнітоелектричної системи та термопари (двох різнорідних металів: мідь – константан, залізо – константан і інших). Два кінці металевих провідників, з яких складається термопара, з’єднані в загальний вузол. До цього вузла приєднаний провідник, по якому проходить вимірюваний електричний струм. У результаті теплової дії струму загальний вузол нагрівається та у ньому наводиться постійна електрорушійна сила (названа термо-е.р.с.), незалежно від роду струму. До двох інших кінців металевих провідників, з яких складається термопара, підключений вимірювальний механізм магнітоелектричної системи. При виникненні термо-е.р.с. у котушці вимірювального механізму протікає постійний струм. При протіканні електричного струму в провідниках котушки спостерігається явище електромагнітної сили. У результаті котушка, а разом з нею й стрілка приладу відхиляються, указуючи на шкалі значення вимірюваної величини. Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колах постійного та змінного струмів. 2. Вимірювальний механізм приладу складається із двох котушок індуктивності (рухомої і нерухомої). При протіканні електричного струму в провідниках котушок спостерігається явище електромагнітної сили. У результаті рухома котушка (що знаходиться усередині нерухомої котушки) відхиляється на кут, пропорційний значенню вимірюваної величини. Разом із цією котушкою відхиляється стрілка приладу, указуючи на шкалі значення вимірюваної величини. Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колах постійного та змінного струмів. 3.
Прилад являє собою сукупність приладу магнітоелектричної системи та одного або декількох напівпровідникових випрямлячів, призначення яких – живлення вимірювального механізму магнітоелектричної системи постійним струмом. Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колах постійного та змінного струмів для вимірювання невеликих значень фізичних величин, а також для вимірювань у колах з підвищеною частотою струму (понад 50 Гц). 4. Вимірювальний механізм приладу складається із двох нерухомих котушок індуктивності (зсунених у просторі на кут 90° одна щодо іншої) і рухомої металевої частини (диска, циліндра), що розташовується між котушками. Одну котушку включають паралельно мережі, а іншу послідовно. Струми, що протікають у котушках, створюють два магнітних потоки, які пронизують рухому металеву частину та наводять у ній вихрові е.р.с. Під дією наведених вихрових е.р.с. у рухомій частині будуть протікати вихрові струми, тобто рухома частина зі струмом перебуває в магнітному полі котушок. У результаті спостерігається явище електромагнітної сили та рухома частина (диск, циліндр) приходить в обертання. Прилади цієї системи використовують, як правило, для вимірювання потужності та енергії в колах змінного струму. 5. Вимірювана фізична величина, рід струму, клас точності, принцип дії, спосіб відліку та характер шкали, характер застосування та установки. 6. Вимірювальний механізм приладу складається з котушки індуктивності з рухомим магнітопроводом, що зв’язаний зі стрілкою приладу. При протіканні електричного струму в провідниках котушки спостерігається явище електромагнетизму. У результаті магнітопровід втягується в котушку пропорційно значенню вимірюваної величини, а стрілка приладу відхиляється, указуючи на шкалі значення вимірюваної величини. Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колах постійного та змінного струмів. 7.
1) визначається вимірювана фізична величина та прилад для вимірювань (сила струму — амперметр, напруга — вольтметр, потужність — ватметр і так далі);
2) визначається рід струму в колі (постійний, змінний);
3) визначається необхідний клас точності приладу;
4) визначається характер застосування та установки;
5) визначається система приладу (магнітоелектрична, електромагнітна або інша);
6) визначається межа вимірювання приладу;
7) визначається ціна поділки приладу. 8. Вимірювальний механізм приладу складається з постійного магніту, що має підковоподібну форму. Усередині магніту знаходиться котушка індуктивності, зв’язана зі стрілкою приладу. При протіканні електричного струму в провідниках котушки спостерігається явище електромагнітної сили. У результаті котушка, укріплена на осі, повертається на кут, пропорційний значенню вимірюваної величини. Разом з котушкою відхиляється стрілка приладу, указуючи на шкалі значення вимірюваної величини. Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колах постійного струму. 9. Амперметр, вольтметр, ватметр, електричний лічильник, фазометр, омметр, вимірювальний міст, частотомір. Таблиця 9.3
Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер відповіді 1. Для чого призначений амперметр? 2. Як вибрати для вимірювань амперметр? 3. Складіть принципову електричну схему вимірювання сили струму в однофазному навантаженні. 4. Для чого призначений вольтметр? 5. Як вибрати для вимірювань вольтметр? 6. Складіть принципову електричну схему вимірювання напруги на затисках однофазного навантаження. 7. Для чого призначений ватметр? 8. Опишіть побудову ватметра. 9. Опишіть принцип дії ватметра. 10. Як вибрати для вимірювань ватметр? 11. Як визначити межа вимірювання та ціну поділки ватметра? 12. Складіть принципову електричну схему вимірювання потужності однофазного навантаження. 13. Складіть і опишіть принципову електричну схему включення ватметра у високовольтну однофазну мережу за допомогою вимірювальних трансформаторів напруги та струму. 14. Як визначити коефіцієнт потужності пристрою за показаннями амперметра, вольтметра та ватметра?
У разі вірного виконання завдання åнепар – åпар = 25
Таблиця 9.3а
Номер відповіді Відповідь 1. За родом струму, класом точності, характером застосування та способом установки, системою приладу, а також тому, що межа вимірювання приладу повинна перевищувати передбачуване значення активної потужності кола. 2.
Вимірювальний механізм приладу складається із двох котушок: нерухомої та рухомої, зв’язаної зі стрілкою приладу. Нерухома котушка (струмова обмотка) має невелику кількість витків і виконана із проводу з великим перетином; включається в коло послідовно. Рухома котушка (обмотка напруги) має велику кількість витків і виконана із проводу з невеликим перетином; включається в коло паралельно. Струми в котушках повинні протікати в одному напряму, щоб стрілка приладу відхилялася вправо від нуля, для цього затиски приладу зі знаком «*» поєднують у загальний вузол.
3. /> 4. Як відношення показання ватметра до добутку показань амперметра та вольтметра. 5. Принцип дії приладу заснований на явищі електромагнітної сили, що виникає при протіканні струму в обох котушках, у результаті чого виникає обертаючий момент прямо пропорційний струмам у котушках. Сила струму в рухомій котушці пропорційна напрузі в колі, тому що вона включається паралельно. Сила струму в нерухомій котушці пропорційна силі струму в колі, тому що вона включається послідовно. Отже, обертаючий момент, що діє на рухому котушку, пропорційний активної потужності в колі. 6. Як добуток межі по струму на межу по напрузі, як частка від ділення межі вимірювання на кількість поділок на шкалі приладу.
7. /> 8. Для вимірювання напруги в колі. 9. За родом струму, класом точності, характером використання та способом установки, системою приладу, а також тим, що межа вимірювання приладу повинна перевищувати передбачуване значення напруги в колі.
10. /> 11. Для вимірювання сили струму в колі. 12. За родом струму, класом точності, характером використання та способом установки, системою приладу, а також тим, що межа вимірювання приладу повинна перевищувати передбачуване значення сили струму в колі.
13. /> 14. Для вимірювання активної потужності в колі. Таблиця 9.4
Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер відповіді 1. Для чого призначений лічильник активної енергії? 2. Опишіть побудову лічильника активної енергії. 3. Опишіть принцип дії лічильника активної енергії. 4. Складіть і опишіть принципову електричну схему включення лічильника активної енергії у високовольтну мережу за допомогою вимірювальних трансформаторів напруги та струму. 5. Що розуміється під постійною лічильника активної енергії? 6. Як визначити потужність навантаження за показниками лічильника активної енергії? 7. Складіть розрахункову схему двоплечего моста. 8. Опишіть принцип дії двоплечего моста. 9. Складіть розрахункову схему чотириплечего моста 10. Опишіть принцип дії чотириплечего моста.
У разі вірного виконання завдання åнепар – åпар = 3Таблиця 9.4а
Номер відповіді Відповідь 1. При вимірюванні необхідно опір регульованого резистора змінювати так, щоб урівноважити міст, після чого за значенням регульованого резистора визначають вимірюваний опір. 2.
/>. 3.
/> 4.
При вимірюванні необхідно опори регульованих резисторів змінювати так, щоб урівноважити міст, тобто струм у гальванометрі повинен бути відсутнім. Це означає, що в урівноваженому стані I1 = I2, I3 = Ix, тому />.
5. /> 6. Для обліку спожитої активної енергії. 7. При протіканні електричного струму по обмотках спостерігається явище електромагнетизму, у результаті чого створюються магнітні потоки обмоток. Ці потоки пронизують диск і спостерігається явище електромагнітної індукції: у диску наводяться вихрові е.р.с., під дією яких протікають вихрові струми. Взаємодія магнітного поля обмоток і вихрових струмів призводить до виникнення явища електромагнітної сили. Диск, а разом з ним і рахунковий механізм, починають обертатися. Для гальмування диска (при відсутності споживання електроенергії) використовується постійний магніт підковоподібної форми, полюси якого розташовані по різні сторони щодо площини диска. 8.
Фізична величина, яка показує, скільки обертів диска відповідає 1кВт×год. 9.
/> 10. Вимірювальний механізм приладу влаштований у такий спосіб: на двох магнітопроводах, які мають підковоподібну форму та розташованих перпендикулярно один одному, знаходяться обмотки (котушки індуктивності); одна обмотка (обмотка напруги) включається паралельно споживачеві, друга обмотка (струмова обмотка) включається послідовно зі споживачем; між магнітопроводами укріплений алюмінієвий диск на осі, яка зв’язана з рахунковим механізмом.
Експериментальне дослідження:
1. Скласти принциповуелектричну схему, яка складається з однофазного джерела (50 Гц), котушкиіндуктивності та автоматичного вимикача. У колі котушки передбачити амперметр,вольтметр і ватметр, які включені через вимірювальні трансформатори струму інапруги.
/>
2. Зібрати експериментальну установку.
3. Визначити ціну поділки кожного приладу зурахуванням коефіцієнтів трансформації вимірювальних трансформаторів.
/>;
/>;
/>.
4. Включити установку, зняти показання приладів, післячого виключити установку.Фізична величина
I, А
U, В
Р, Вт Значення фізичної величини
5. Визначити параметрикотушки (повний, активний та індуктивний опори).
повний опір котушки:
/> Þ />;
активний опір котушки:
/> Þ />;
індуктивний опір котушки:
/> Þ />.
ТЕМАТИЧНЕ КОМПЛЕКСНЕ КВАЛІФІКАЦІЙНЕ ЗАВДАННЯ
Умова
Однофазне навантаження споживає повну потужність Sпри коефіцієнті потужності cos j та напрузі U. У колі навантаженнявключені амперметр, вольтметр і ватметр через вимірювальні трансформаторинапруги і струму. Амперметр із межею вимірювання 5 А имаксимальним числом поділок на шкалі – 100. Вольтметр із межеювимірювання 150 В и максимальним числом поділок на шкалі – 150.Ватметр із межею вимірювання по струму 5 А і по напрузі 150 Вта максимальним числом поділок на шкалі – 150. Коефіцієнт трансформаціївимірювального трансформатора напруги kт.н, коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатораструму kт.с.
Завдання
1. Скласти принципову електричну схему описаноїустановки.
2. Визначити силу струму навантаження.
3. Визначити кількість поділок, на яке відхилитьсястрілка амперметра.
4. Визначити кількість поділок, на яке відхилитьсястрілка вольтметра.
5. Визначити активну потужність, яку споживаєнавантаженням.
6. Визначити кількість поділок, на яке відхилитьсястрілка ватметра.
Варіанти вихідних даних дотематичного комплексного кваліфікаційного завдання
Таблиця 9.5Варіанти Вихідні дані
S ,ВА
U, В
cos j
kт.н
kт.с
1 1000 220 0,6 2 5
2 1000 120 0,8 2 5
3 2000 1000 0,6 5 10
4 5000 200 0,7 2 5
5 5000 220 0,8 2 5
6 4000 500 0,6 5 2
7 4000 500 0,45 2 10
8 6000 200 0,45 5 10
9 6000 500 0,6 5 5
10 6000 1000 0,8 2 10
11 1000 250 0,7 2 5
12 5000 250 0,45 2 10
13 4000 500 0,8 2 5
14 6000 300 0,6 4 10
15 6050 200 0,45 5 10