Электрические измерения (стр. 1 )

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединением Совета директоров

средних специальных учебных заведений Волгоградской области

в качестве учебного пособия для образовательных учреждений

среднего профессионального образования Волгоградской области

РПК «Политехник»

Волгоград

2006

УДК 621.

Х 12

Рецензенты: к. т. н. ,

ЭЛЕКТРИЧЕСКИе ИЗМЕРЕНИЯ. ЛАБОРАТОР­НЫЙ ПРАКТИКУМ: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2006. – 53 с.

ISBN 5–230–04727–5

Разработано в соответствии с курсом «Электрические измерения» для студентов направления 1000(140200) «Энергетика» по специальности 1«Электроснабжение (по отраслям)».

Приведены описания семи лабораторных работ по измерению различных электрических величин при помощи электроизмерительных приборов, а также расширению их пределов измерения при помощи измерительных преобразователей.

Предназначено в помощь студентам для подготовки, выполнения и защиты лабораторных работ.

Ил. 27. Табл. 13. Библиогр.: 4 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 5–230–04727–5

Ó Волгоградский

государственный

технический

университет, 2006

Сергей Викторович Хавроничев

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

Редактор

Темплан 2006 г., поз. № 17.

Подписано в печать г. Формат 60×84 1/16.

Бумага листовая. Гарнитура ”Times“.

Усл. печ. л. 3,31. Усл. авт. л. 3,12.

Тираж 50 экз. Заказ №

Волгоградский государственный технический университет

400131 Волгоград, просп. им. , 28.

РПК «Политехник»

Волгоградского государственного технического университета

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

Предисловие

Учебное пособие предназначено для подготовки студентов к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электрические измерения» (специальность 1004 «Электроснабжение» (по отраслям) и разработано в соответствии с «Требованиями к разработке методических указаний для студентов по проведению лабораторных работ и практических занятий», утвержденных НМЦ СПО Минобразования России в 2000 г.

В учебном пособии приведены описания семи лабораторных работ, которые составлены в соответствии с обязательным минимумом содержания дисциплины, определенным Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 1004 «Электроснабжение (по отраслям)» утвержденного 04 апреля 2002 г. (рег. № Б).

В описании каждой лабораторной работы приведены:

1) краткие сведения из теории, необходимые для подготовки сту­дентов к выполнению лабораторной работы;

2) программа выполнения работы с указанием последовательности выполняемых измерений;

3) указания по оформлению отчета;

4) контрольные вопросы для подготовки к выполнению работы;

В ходе выполнения лабораторных работ студенты должны:

·  научиться читать и собирать схемы подключения различных элек­троизмерительных приборов и измерительных преобразователей для производства измерений основных электрических величин;

·  ознакомиться с устройством, принципом действия и внешним видом средств измерений, предназначенных для измерения в электроустановках;

·  научиться практически производить измерения основных электри­ческих величин;

·  получить представление о погрешностях, возникающих при изме­рении различных электрических величин и научиться рассчитывать их.

Учебное пособие составлено применительно к лаборатории ТОЭ и электрических измерений, рассчитанной на одну учебную группу. В ее состав входят 10 универсальных стендов. Лабораторные занятия прово­дятся «цикловым методом», т. е. студенты учебной группы разбиваются на подгруппы по 3–4 человека, которые выполняют одновременно две различные работы на разных лабораторных стендах. На следующем учебном занятии производится смена рабочих мест.

Коллоквиум по проверке готовности студентов к выполнению ла­бораторной работы проводится в начале каждого занятия.

Приведенные в учебном пособии теоретические сведения охва­тывают минимум материала, необходимый для подготовки и выполнения лабораторной работы, поэтому в ходе подготовки работы необходимо изучить материал, приведенный в указанной литературе.

Перед выполнением работы в лаборатории необходимо внимательно ознакомиться с измерительными приборами, установленными на стенде, и с объектами измерения.

Перед началом выполнения каждого пункта программы работы не­обходимо выбрать нужный для данного измерения прибор и соответст­вующие пределы измерения. Результаты измерений необходимо зано­сить в заготовленные в ходе подготовки к работе таблицы.

После снятия показаний, относящихся к данной серии измерений (выполнение определенного пункта задания), необходимо показать их преподавателю.

После этого можно разобрать электрические цепи и отключить из­мерительные приборы.

Техника безопасности

при ВЫПОЛНЕНИИ лабораторных работ

1.  Лабораторную работу можно выполнять только на исправном стенде.

2.  Выполнять лабораторную работу на одном стенде должны не менее двух человек одновременно.

3.  Перед началом работы на стенде необходимо убедиться, что все выключатели стенда находятся в положении «Выключено».

4.  При сборке электрических цепей особое внимание следует обра­тить на исправность изоляции соединительных проводов, наличие изо­лирующих держателей на штырях. Об обнаруженных неисправностях необходимо сообщить лаборанту.

5.  Категорически запрещается включать стенд без разрешения пре­подавателя.

6.  При проведении опытов на испытательной панели стенда, нахо­дящейся под напряжением, все переключения и регулировки с помо­щью переключателей и реостатов должны производиться одним чело­веком и только одной рукой. Вторая рука должна быть свободной и не должна касаться аппаратуры стенда.

7.  На лабораторном стенде, находящемся под напряжением, запрещается производить какие-либо переключения при помощи со­единительных проводов. Перед любым изменением исследуемой цепи питание лабораторного стенда должно быть отключено.

8. При обнаружении каких-либо повреждений или неисправностей электрического оборудования стенда, а также при появлении дыма, искрения или специфического запаха перегретой изоляции необходимо немедленно обесточить стенд и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

9. В случае поражения человека электрическим током следует немедленно обесточить стенд, выключив питание стенда, и сообщить об этом преподавателю.

10.  При потере сознания и дыхания необходимо освободить пострадавшего от стесняющей одежды и делать искусственное дыхание до прибытия врача.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

МЕХАНИЗМОВ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Цель работы: научиться использовать измерительный механизм магнитоэлектрической системы в качестве амперметра или вольтметра.

1. Краткие сведения из теории

Принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и подвижной катушки (рамки) по которой протекает ток. В результате этого взаимодействия, создается вращающийся момент, воздействующий на подвижную часть механизма.

Угол поворота подвижной части измерительного механизма магнитоэлектрической системы пропорционален измеряемому току, поэтому измеряемый ток может быть определен по углу поворота подвижной части измерительного механизма:

α = S1·I, (1.1)

а

I = CI·α, (1.2)

где α – угол поворота подвижной части; S1 – коэффициент пропорциональности (чувствительность по току); СI – постоянная по току.

По углу поворота подвижной части можно определить также напряжение на зажимах измерительного механизма. Так как ток протекает по рамке под действием напряжения, приложенного к зажимам измерительного механизма, то

U = I·R = CI·α·R = CU·α, (1.3)

где СU – постоянная по напряжению.

Непосредственно измерительным механизмом магнитоэлектрической системы можно измерить токи до 30 мА, а напряжения в несколько десятков милливольт. Для того чтобы расширить пределы измерения по току применяют шунты (рис. 1.1). Шунт представляет собой проводник малого сопротивления, включаемый последовательно в цепь измеряемого тока с помощью токовых зажимов “А” и “Б”. Параллельно шунту с помощью потенциальных зажимов “а” и “б” присоединяется измерительный механизм. Измеряемый ток I, дойдя до точки “а”, разветвляется на две части: Iш – ток, проходящий через шунт, и Iи – ток, проходящий через измерительный механизм.

 

 

Рис. 1.1. Схема для расширения пределов измерения измерительного механизма по току.

Чем меньше сопротивление шунта, тем больший ток проходит через него и тем меньший через измерительный механизм:

Iш / Iи = Rи / Rш, (1.4)

где Rш – сопротивление шунта; Rи – сопротивление измерительного механизма.

Отсюда Iш = Iи · Rи / Rш, а измеряемый ток:

I = Iи + Iш = Iи + Iи · Rи / Rш = Iи · (1 + Rи / Rш

Чтобы каждый раз не производить эти вычисления, шкала прибора обычно сразу градуируется в значениях измеряемого тока. Очевидно, что эта градуировка будет верна только для определенного шунта (с определенным сопротивлением Rш).

Отношение измеряемого тока к току в измерительном механизме называется коэффициентом расширения пределов измерения амперметром n:

n = I / Iи. (1.6)

Зная этот коэффициент и сопротивление измерительного механизма, можно определить сопротивление шунта, необходимого для получения требуемого предела измерения:

Rш = Rи / (n –

Для расширения пределов измерения по напряжению применяются добавочные сопротивления. Добавочные сопротивления включаются последовательно с измерительным механизмом (рис. 1.2). При этом падения напряжения распределяются между измерительным механизмом и добавочным сопротивлением пропорционально величинам их сопротивлений:

Uи / Uд = Rи / Rд (1.8)

+

 

Рис. 1.2. Схема для расширения пределов измерения

измерительного механизма по напряжению.

Отношение величины напряжения, до которой необходимо расширить предел измерения, к падению напряжения на сопротивлении измерительного механизма называется коэффициентом расширения пределов измерения вольтметром m:

m = U / Uи (1.9)

Если предел измерения по напряжению необходимо расширить в m раз, то

U = Uи · m = Uи + Uд = I · (Rи + Rд), (1.10)

Откуда величина добавочного сопротивления равна:

Rд = Rи · (m -

2. Программа работы

1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные.

2. Рассчитать сопротивление шунта Rш для имеющегося на рабочем месте измерительного механизма с целью расширения его предела измерения по току до 1 А.

3. Изготовить из манганиновой проволоки необходимый шунт, подключить его параллельно к измерительному механизму и с учетом шунта определить цену деления полученного амперметра по существующей шкале измерительного механизма.

4. Собрать схему (см. рис. 1.1) и предъявить ее для проверки преподавателю.

5. Включить схему в сеть постоянного тока напряжением U = 24 В и плавно изменяя ток записать показания полученного и образцового амперметра (5–6 показаний).

6. Вычислить для каждого измерения абсолютную и относительную погрешности, приняв за действительные значения показания образцового амперметра. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.1.

Таблица 1.1

№ п/п	Опытные данные	Расчетные данные
показания полученного амперметра, А	показания образцового амперметра, А	DI, А	dI, %

7. Рассчитать величину добавочного сопротивления для расширения предела измерения измерительного механизма по напряжению до 20 В.

8. Установить на магазине сопротивлений необходимое добавочное сопротивление, подключить его последовательно с измерительным механизмом и с учетом добавочного сопротивления определить цену деления полученного вольтметра по существующей шкале измерительного механизма.

9. Собрать схему (см. рис. 1.2) и предъявить ее для проверки преподавателю.

10. Включить схему в сеть постоянного тока напряжением U = 24 В и плавно изменяя напряжение записать показания полученного и образцового вольтметра (5–6 показаний).

11. Вычислить для каждого измерения абсолютную и относительную погрешности, приняв за действительные значения показания образцового вольтметра. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.2.

Таблица 1.2

N п/п	Опытные данные	Расчетные данные
показания полученного вольтметра, В	показания образцового вольтметра, В	DU, В	dU, %

3. Содержание отчета

1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе.

2. Схемы произведенных измерений (2 схемы).

3. Расчет шунта и добавочного сопротивления.

4. Таблицы с опытными и расчетными данными.

5. Ответы на контрольные вопросы.

6. Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы для подготовки к работе

1. В каких измерительных механизмах и для каких целей применяются шунты?

2. В каких измерительных механизмах и для каких целей применяются добавочные сопротивления?

3. Какие данные необходимо иметь для подбора шунта?

4. Какие данные необходимо иметь для подбора добавочного сопротивления?

5. Как рассчитать шунт?

6. Как рассчитать добавочное сопротивление?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИБОРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Цель работы: научиться расширять пределы измерений приборов переменного тока с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения.

1. Краткие сведения из теории

В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов по напряжению применяются измерительные трансформаторы напряжения.

Они используются для подключения вольтметров, частотомеров и обмоток напряжения ваттметров, счетчиков и других приборов. Схема включения трансформатора напряжения показана на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Схема включения измерительных приборов

через трансформатор напряжения.

Так как вторичная обмотка трансформатора напряжения замкнута на большие сопротивления обмоток напряжения приборов, то ток во вторичной обмотке мал, т. е. трансформатор напряжения работает в режиме, близком к режиму холостого хода. Это дает право пренебречь незначительными падениями напряжений в обмотках трансформатора, которые составляют около 1 % от соответствующих номинальных напряжений обмоток, и принять

U1 ≈ Е1 и U2 ≈ Е2 (2.1)

Тогда

КU = U1 / U2 ≈ E1 / E2 = w1 / w2, (2.2)

где КU – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Применение трансформаторов напряжения вносит дополнительную погрешность в измерения, которая зависит от нагрузки во вторичной цепи трансформатора.

В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов по току применяются измерительные трансформаторы тока. Они используются для подключения амперметров и токовых обмоток ваттметров, счетчиков и других приборов. Схема включения трансформатора тока показана на рис. 2.2.

 

Рис. 2.2. Схема включения измерительных приборов

через трансформатор тока.

Так как вторичная обмотка трансформатора тока замкнута на малые сопротивления токовых обмоток приборов, то трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Если пренебречь магнитодвижущей силой холостого хода, которая составляет 0,5–1 % от магнитодвижущей силы первичной обмотки, то

I1 · w1 = I2 · w2 и КI = I1 / I2 = w2 / w1 , (2.3)

где КI – коэффициент трансформации трансформатора тока.

Применение трансформаторов тока вносит дополнительную погрешность в измерения, которая зависит от нагрузки вторичной обмотки трансформатора.

Если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора тока, то вследствие исчезновения размагничивающего магнитного потока вторичной обмотки, поток трансформатора возрастает и, следовательно, возрастает ЭДС вторичной обмотки до опасной величины. С другой стороны, с увеличением потока возрастают потери в стали трансформатора, что приводит к чрезмерному нагреву сердечника и порче изоляции обмоток. Поэтому запрещается работать с трансформатором тока, вторичная обмотка которого разомкнута.

При любом измерении с помощью измерительных трансформаторов полученное значение величины отличается от истинного. Точность измерения оценивается относительной погрешностью измерения:

δ (%) = (А' – А)·100 / А, (2.4)

где А' – измеренное значение измеряемой величины; А – действительное значение измеряемой величины.

2. Программа работы

1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные.

2. Собрать схему (рис. 2.3) и предъявить ее для проверки преподавателю.

3. Вычислить коэффициент трансформации трансформатора тока при номинальных первичных токах I1 = 0,5; 1; 2 А и номинальном вторичном токе I2 = 5 А.

TA

4. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220 В. При трех различных значениях нагрузки (1, 2 и 3 лампы накаливания), измерить ток амперметром прямого включения и амперметром, включенным через измерительный трансформатор тока.

 

Рис.2.3. Схема для расширения пределов измерения

амперметра переменного тока.

5. Принимая за действительное значение тока величину, измеренную амперметром прямого включения, а за измеренное – определенную по показанию амперметра, включенного через трансформатор тока, вычислить погрешность при измерении тока δi.

6. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 2.1.

Таблица 2.1

№ п/п	Опытные данные	Расчетные данные
I1, А	I2, А	К1	I¢ 1= I2×КI, А	δI, %
1.
2.
3.

7. Собрать схему (рис. 2.4) и предъявить ее для проверки преподавателю.

 

Рис. 2.4. Схема для расширения пределов измерения

вольтметра переменного тока.

8. Вычислить коэффициент трансформации трансформатора напряжения при номинальном первичном напряжении U1 = В и номинальном вторичном напряжении U2 = 100; ; 100/3 В.

9. Включить схему и измерить линейное напряжение сети лаборатории вольтметром на 150 В, включенным через измерительный трансформатор напряжения при различных коэффициентах трансформации, и вольтметром прямого включения.

10. Принимая за действительное значение напряжения величину, измеренную вольтметром прямого включения, а за измеренное – определенную по показанию вольтметра, включенного через трансформатор напряжения, вычислить погрешность при измерении напряжения δU.

11. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 2.2.

Таблица 2.2

№ п/п	Опытные данные	Расчетные данные
U1, В	U2, В	КU	U1¢=U2×КU, В	δU, %
1.
2.
3.

12. Собрать схему (рис. 2.5) и предъявить ее для проверки преподавателю.