загрузка...
загрузка...
На головну

непрямі вимірювання

Вимірювання напруг (струмів).

Для вимірювання струму і напруги застосовують методи безпосередньої оцінки і порівняння. У лабораторному практикумі з електротехніки використовується в основному метод безпосередньої оцінки.

для вимірювання струму амперметр включають послідовно з навантаженням R1 (В розрив гілки) (рис. 8.1).

У зв'язку з тим, що опір амперметра RА відмінно від нуля, виникає методична похибка вимірювання, обумовлена включенням амперметра:

зазвичай RА << R1, тому .

Малюнок 8.1-Електрична схема для вимірювання постійного струму

Похибка вимірювання струму за рахунок впливу опору амперметра негативна, так як показання приладу трохи менше того значення струму, яке було б до моменту включення приладу в ланцюг. Отже, максимальна похибка вимірювання має місце, якщо похибка, обумовлена класом точності приладу, також негативна.

для вимірювання напруги вольтметр приєднують паралельно ділянки кола, на якому потрібно виміряти падіння напруги (рис. 8.2).

Малюнок 9.2-Електрична схема для вимірювання постійної напруги

Якщо до джерела ЕРС Е з внутрішнім опором Ri підключити резистор R, То в ланцюзі буде протікати струм .

При цьому падіння напруги на резисторі складе U = IR. Після підключення вольтметра з вхідним опором RV опір зовнішньої ланцюга (щодо джерела енергії) зменшиться. В результаті струм в нерозгалуженій ділянці ланцюга збільшиться:

,

причому I> I'. В результаті зростає падіння напруги на внутрішньому опорі джерела Ri і відповідно зменшуються падіння напруги на резисторі R і свідчення вольтметра UV.

Абсолютна методична похибка вимірювання, що виникає за рахунок шунтування резистора R опором RV , дорівнює

.

Відносна методична похибка визначається за формулою

.

Очевидно, що абсолютна і відносна методичні похибки вимірювання будуть прагнути до нуля, якщо > 0. Оскільки значення Ri и R є параметрами ланцюга і залишаються незмінними, для зменшення похибки вхідний опір вольтметра має бути якомога більше (в ідеалі > ?). Як зазначалося раніше, великим вхідним опором володіють електронні вольтметри. Однак і їх вхідний опір Rвх має кінцеве значення, величина якого залежить від межі вимірювання. Тому деяка мала похибка ?V завжди має місце.

Виходячи із заданої методичної похибки ?V , Можнавизначити необхідне значення вхідного опору вольтметра Rвх з виразу:

.

При вимірі напруги змінного струму еквівалентна схема вхідного опору вольтметра має вигляд, показаний на рис. 8.3.

Малюнок 8.3-Електрична схема для вимірювання змінної напруги

Комплексне вхідний опір вольтметра:

.

Модуль вхідного напруги:

.

З наведених виразів випливає, що зі збільшенням частоти вхідний опір вольтметра зменшується через зниження ємнісного опору. В результаті виникає додаткова методична частотна похибка вольтметра. В описі приладу вказується значення Rвхі значення Cвх вольтметра для різних меж вимірювання. зазвичай Rвх = 105... 108 Ом, Cвх = 30 ... 70 пФ.

Похибка вимірювання за рахунок шунтирующего дії вхідного ланцюга вольтметра можна визначити, якщо вимірювану ланцюг представити схемою (рис. 8.4), що складається з еквівалентного генератора з ЕРС холостого ходу UX, Відповідного вимірюваному напрузі і з внутрішнім опором Rекв, Відповідним еквівалентному опору в точках підключення вольтметра.

Малюнок 8.4-Розрахункова схема

Відносну похибку вимірювання (в%) можна визначити за формулою

На практиці при вимірах на частотах менше 20 кГц частотної похибкою вольтметра можна знехтувати.

Основна приведена похибка залежить від значення вимірюваної напруги. Так, при вимірюванні малих (в межах 100 ... 300 мВ) напружень вона може досягати 10 ... 15%, а при вимірюванні великих рівнів напруги - зменшується в 3-4 рази.

На похибка вимірювання (на частотах вище 0,1 ... 0,3 МГц) впливають індуктивність і активний опір сполучних проводів. Тому їх довжини повинні бути якомога меншими (до 0,5 м).

При вимірі напруг слід звернути особливу увагу на вибір межі вимірювань (так само, як і при вимірюванні струму).

У електронних вольтметрів є два вхідних затиску, до яких підключається вимірювана напруга U. Один затискач зазвичай з'єднаний з корпусом приладу, тому його називають корпусним і позначають  . Інший затискач є потенційним.

Для зменшення похибки вимірювання і впливу перешкод корпусний затиск вольтметра з'єднується з корпусним затискачем генераторів і інших приладів (використовуваних в експерименті) або приєднується до точок ланцюга, потенціал яких ближче до нульового. При цьому слід уникати дотику корпусів приладів.

Таким чином, при вимірюванні напруг потрібно брати прилади з великим внутрішнім опором і вибирати межі вимірювання так, щоб при вимірі стрілка приладу відхилялася на якомога більший кут.

Вимірювання потужності. Вимірювання потужності в ланцюгах постійного струму, активної і реактивної потужностей в ланцюгах змінного струму (однофазних і трифазних) промислової частоти проводиться зазвичай електродинамічними і феродинамічні ватметр.

Схема підключення ваттметра PW для вимірювання в колах постійного струму або в однофазної ланцюга змінного струму наведена на рис. 8.5.

Малюнок 8.5-Електрична схема для вимірювання потужності

Така схема включення забезпечує мінімальну похибку вимірювання, коли опір навантаження набагато більше опору струмового котушки ваттметра, що в більшості випадків має місце. При цьому нерухома (струмовий) котушка ваттметра включається в розрив ланцюга, а рухома котушка (напруги) підключається паралельно навантаженню.

Почала котушок (генераторні затискачі) позначаються зірочкою (*) або знаком (+). Ці затиски повинні бути підключені до позитивного полюса джерела живлення.

У ланцюгах постійного струму споживана навантаженням потужність визначається твором струму в навантаженні на падіння напруги на ній: P = UI.

При вимірюванні потужності в однофазному колі змінного струму показання ваттметра відповідає активної потужності (Вт):

P = UIcos?,

де U и I - Среднеквадратические значення напруги і струму навантаження; ? - фазовий зсув між струмом інапряженіем.

При цьому обмотка напруги ватметра включається на фазну напругу, а обмотка струму включається в розтин дроти фази.

Реактивна потужність (в варах) в лабораторному експерименті зазвичай не вимірюється, а визначається з виразу

Q = UIsin?.

Для знаходження потужності в трифазній чотирьохполюсних ланцюга при несиметричного навантаження необхідно взяти алгебраїчну суму показань трьох ватметрів, включених в кожну фазу:

Р = РА + РВ + РС .

Електродинамічні ватметри, призначені для вимірювання потужності в колах постійного і змінного струму низької частоти (16 ... 5000 Гц), випускаються від 0,1 до 2,5 класу точності. Вони розраховані на безпосереднє включення в ланцюг з напругою від 15 до 300 В при струмі в ланцюзі від 0,25 до 10 А.

При прямих вимірюваннях не завжди вдається отримати значення всіх досліджуваних величин (струмів, напруг, потужності, фази та ін.) Методом прямого виміру. Це обумовлюється відсутністю спеціальних приладів прямого виміру або неможливістю підключення приладу до деяких елементів ланцюга і іншими причинами.

Крім того, не завжди доцільно провести безпосереднє вимірювання всіх цікавлять величин, якщо вони можуть бути отримані з достатньою точністю з функціональних залежностей, що пов'язують їх з вимірюваними величинами. Це дозволяє проводити експеримент швидше і з меншими апаратурними витратами за рахунок зменшення числа вимірів.

Вимірювання струму за допомогою електронних вольтметрів. Непрямий метод вимірювання струму за допомогою електронного вольтметра полягає в наступному. В гілка, в якій необхідно виміряти струм, послідовно з навантаженням включають зразковий резистор R0. Падіння напруги на цьому резисторі вимірюють за допомогою електронного вольтметра, так як він працює в широкому діапазоні частот і споживає від вимірюваної ланцюга малу потужність, що сприяє забезпеченню мінімуму методичної похибки.

Струм, поточний через резистор R0, А отже, і по всьому ланцюгу (рис. 8.6), визначається законом Ома: , де U0 - показання вольтметра, включеного паралельно резистору R0.

Малюнок 8.6-вимірювання струму за допомогою електронного вольтметра

включати резистор R0слід в розрив провідника, що йде від корпуса генератора.

В цьому випадку корпусні точка вимірювального приладу з'єднується з корпусом генератора, що забезпечує менший вплив перешкод і стабільність роботи вольтметра. Мінімум методичної похибки забезпечується при правильному виборі опору резистора R0. Чим менше опір R0, Тим менше воно впливає на струм, що протікає в шуканої гілки.

З іншого боку, чим менше падіння напруги на резисторі, тим важче його точно виміряти, оскільки більше позначається вплив різних наведень, збільшення похибки вольтметра на малих межах вимірювання. Тому опір R0, А, отже, падіння напруги на ньому повинні бути найбільшими. В цьому випадку приймають компромісне рішення, вибираючи опір R0 за умовою: R0 <0,1ZН, тут ZН- Модуль опору гілки в тому місці, де вимірюється струм. У цьому випадку струм в гілці при включенні резистора R0зміниться незначно. Значення опору ланцюга ZН можна визначити за допомогою наближеного попереднього розрахунку або експериментально. У лабораторних стендах є еталонні резистори, опір яких становить 1 Ом, або будь-які інші, набрані за допомогою магазинів опору. Для цих цілей можна використовувати також резистори ланцюга з відомим опором.

Непрямий метод вимірювання струму найбільш широко застосовується в ланцюгах змінного струму з частотою від 500 Гц до 10 МГц.

Вимірювання потужності. Сутність непрямого вимірювання потужності в ланцюгах постійного струму полягає в вимірі за допомогою вольтметра і амперметра напруги U і струму I ланцюги, в обчисленні потужності за раніше наведеною формулою P = UI.

Аналіз показує, що похибка вимірювання потужності буде мінімальною при включенні вимірювальних приладів за схемою, наведеною на рис. 8.7, а, якщо виконується умова

,

де - Опір навантаження; RА - Опір амперметра; - Опір вольтметра, або за схемою рис. 8.7, б за умови

.

а) б)

Малюнок 8.7-Електрична схема для вимірювання потужності
 непрямими методами

Враховуючи що RV є дуже великим, а RА - Вельми малим, можна вважати I ? Iн, U ? Uн.

Для відомого опору навантаження Rн споживана їм потужність визначається з виразу P = I 2Rн.

Для вимірювання потужності непрямим методом в ланцюгах змінного струму застосовуються амперметр, вольтметр і фазометр. При цьому активна потужність Р визначається за формулою .

Якщо прямим методом виміряні значення напруги U, струму I і потужності P, Величина cos? визначається розрахунковим шляхом: сos? =

Вимірювання параметрів електричного кола R, С, L, Z.Основними елементами електричного кола з зосередженими параметрами є: резистор, конденсатор, котушка індуктивності. Їм відповідають основні параметри: активний опір електричному струму R, ємність С, індуктивність L.

Метод амперметра-вольтметра. Цей метод заснований на роздільному вимірі струму I в ланцюзі вимірюваного опору RХ і напруги U на його затискачах і на наступному обчисленні значення RХ за показаннями вимірювальних приладів:

RХ = .

При вимірюванні малих опорів порядку 0,01 ... 100 Ом постійному струму застосовують схему, показану на рис. 8.8, а. За допомогою реостата R1 встановлюють прийнятне значення струму в ланцюзі.

а)

б)

Малюнок 8.8-вимірювання параметрів електричного кола

У схемі (див. Рис. 8.8, а) вольтметр показує значення напруги на затискачах RХ (U = UХ ), Амперметр - суму струмів IА = IV + I, отже

,

де IV - Струм, що проходить через вольтметр; RV - Внутрішнє (вхідний) опір вольтметра

RV >>RX, то RХ ?.

Абсолютна методична похибка ?RХ визначається за формулою

,

а відносна похибка (в%)

.

Для вимірювання великих опорів (до сотень кОм і більше) застосовують схему (рис. 8.8, б), де амперметр реєструє значення струму в ланцюзі RХ (I = IА), А вольтметр - суму падінь напруг (U + UA).

За свідченнями приладів можна обчислити результат вимірювання

,

де RА - внутрішній опір амперметра.

абсолютна похибка і відносна (в%) .

Враховуючи що RА << RX, можна вважати U ? UV .

Потрібно мати на увазі, що похибка вимірювання методом вольтметра і амперметра завжди більше суми наведених похибок використовуваних приладів. Однак, вважаючи, що знак похибок вимірювання відомий, їх можна завжди врахувати.

Метод амперметра-вольтметра можна застосовувати для вимірювання на змінному струмі модуля повного опору кола ZХ за схемою, представленої на рис. 8.9.

Малюнок 8.9-Електрична схема для вимірювання модуля повного опору кола

В цьому випадку

,

де R, X - Відповідно активна і реактивна складові опору.

Для забезпечення мінімальної похибки вимірювання вхідний опір вольтметра на частоті вимірювання повинно задовольняти умові Zвх >> ZХ.

З попереднього виразу випливає, що метод амперметра-вольтметра можна застосовувати для вимірювання активного опору резистора змінному струмі R, Коли його індуктивними і ємнісними складовими опору можна знехтувати; а також для вимірювання індуктивності L котушки і ємності С конденсатора, що відрізняються високою добротністю (т. е. коли активний опір котушки RL надзвичайно мало, а опір ізоляції конденсатора дуже велике).

В цьому випадку

, ,

де f - Частота напруги живлення.


література

1. Сергєєв А. Г., Крохин В. В. Метрологія: Учеб. Посібник для вузів. - М .: Логос, 2001. - 408 с

2. Зайдель А. Н. Похибки вимірювання фізичних величин. Л .: Наука, 1985.- 112 с.

3. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основи метрології. - М .: Видавництво стандартів, 1975.

4. Тюрін Н. І. Введення в метрологію. - М .: Изд-во стандартов, 1976.

5. ГОСТ 16263-70 Державна система забезпечення єдності вимірювань. Метрологія. Терміни та визначення.

6. Сена Л. Г. Одиниці фізичних величин і їх розмірності. - М .: Наука, 1969.

7. Сергєєв А. Г., Латишев М. В., Терегеря В. В. Метрологія, стандартизація, сертифікація: Уч. сел. - М .: Логос, 2003.- 536 с.

візуальні УМ «-- попередня | наступна --» Виставляються при поточному контролі позначки в обов'язковому порядку повинні відображати результати навчальної діяльності учнів.
загрузка...
© om.net.ua