Реализация учебной дисциплины требует наличия учебного кабинета «Электротехнические измерения».
Оборудование учебного кабинета:
- посадочные места по количеству обучающихся;
- рабочее место преподавателя;
- комплект учебно-наглядных пособий «Электротехнические измерения»;
- лабораторные стенды;
- измерительные приборы;
- генераторы и осциллографы.
Технические средства обучения:
- компьютер с лицензионным программным обеспечением и мультимедиапроектор.
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы
Основные источники:
1. ., Электрические измерения., М., Академия., с.
2. ., Электротехнические измерения., М., Форум., 2010.-288 с.
3. ., Электротехнические измерения., М.,КноРус, 2011.,288 с
4. ., Электротехнические измерения. Практикум., М.,КноРус, 2011.,240 с
5. ., Электрорадиоизмерения. Практикум., М.,Академия.,2007., 240 с
Дополнительные источники:
6. ., ., ., ., Электрорадиоизмерения.,М., Форум., 2009., 384 с
7. , ., Электрорадиоизмерения., М.,Академия.,2007.,336 с
8. ., Справочник электромонтажника.,М., Академия., 2009., 336 стр
9. , ., Электрические и электронные измерения в задачах, вопросах и упражнениях., М., Академия., 2009., 176 с
1.4 Контроль и оценка результатов освоения учебной дисциплины
Контроль и оценка результатов освоения учебной дисциплины осуществляется преподавателем в процессе проведения практических занятий и лабораторных работ, тестирования, а также выполнения обучающимися индивидуальных заданий, проектов, исследований.
Результаты обучения (освоенные умения, усвоенные знания) | Формы и методы контроля и оценки результатов обучения |
1 | 2 |
Умения: | |
составлять схемы включения электроизмерительных приборов | лабораторные работы |
выбирать средства электроизмерений | практические занятия, внеаудиторная самостоятельная работа |
измерять с заданной точностью электрические величины | лабораторные работы |
определять значение измеряемой величины и показатели точности измерений | лабораторные работы |
использовать средства вычислительной техники для обработки и анализа результатов измерений | лабораторные работы |
Знания: |
|
основные методы и средства измерения электрических величин | контрольная работа, внеаудиторная самостоятельная работа |
устройство, принцип действия, назначение средств электрических измерений | контрольная работа, внеаудиторная самостоятельная работа |
влияние измерительных приборов на точность измерений | |
характеристики различных электрических сигналов | контрольная работа, внеаудиторная самостоятельная работа |
принципы действия, достоинства и недостатки аналоговых электромеханических и электроизмерительных приборов | контрольная работа, внеаудиторная самостоятельная работа |
правила включения и снятие показаний с приборов при измерении основных электрических величин | лабораторная работа |
принципы действия, подготовку и правила пользования радиоизмерительными приборами: электронными вольтметрами, измерительными генераторами, электронными осциллографами, измерителями нелинейных искажений | лабораторная работа, контрольная работа, внеаудиторная самостоятельная работа |
условные обозначения и маркировку измерений | контрольная работа, внеаудиторная самостоятельная работа |
2 Методические указания по изучению учебного материала
Раздел 1. Государственная система обеспечения единства
Тема 1.1. Основные виды и методы измерений, их классификация
Роль и значение электроизмерительной техники. Определение понятия «измерение». Единицы физических величин. Классификация методов измерений и их краткая характеристика. Прямой и косвенный методы. Методы непосредственной оценки и методы сравнения (дифференциальный, нулевой, замещения). Понятие о средствах измерений: меры основных электрических величин, электроизмерительные приборы, электроизмерительные установки, измерительные преобразователи, информационные системы. Классификация и маркировка электроизмерительных приборов.
Методические указания
Изучение курса необходимо начать с ознакомления с историей развития электроизмерительной техники, с ролью ИИТ в деле технического перевооружения производства. Далее, необходимо уяснить основные термины: величина, измерение, мера, образцовый прибор, рабочий прибор и т. д. Разобраться с основными характеристиками измерительных средств: чувствительность, порог чувствительности, класс точности и т. п.
К числу технических средств измерения относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и измерительные системы. Измерительным преобразователем называют устройство, предназначенное для преобразования измеряемого параметра в сигнал, удобный для дальнейшей передачи на расстояние или в цепь управляющего устройства.
Преобразователи подразделяют на первичные (датчики), промежуточные, передающие и масштабные. Измеряемую величину называют входной, а результат преобразования — выходным сигналом.
Первичные преобразователи предназначены для преобразования физических величин в сигналы, а передающие и промежуточные преобразователи формируют сигналы, удобные для передачи на расстояние и регистрации.
К масштабным относят преобразователи, с помощью которых измеряемая величина изменяется в заданное число раз, т. е. они не преобразуют одну физическую величину в другую.
Измерительным прибором называют устройство, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (оператором). Измерительные приборы делят на две группы.
К первой группе относят аналоговые приборы, показания которых являются не прерывной функцией измеряемого параметра.
Вторая группа включает в себя цифровые приборы. Они вырабатывают дискретные сигналы измеряемой информации в цифровой форме.
Измерительная система объединяет измерительные преобразователи и приборы, обеспечивая измерения параметра без участия человека.
Государственный стандарт устанавливает применение Международной системы единиц (СИ) во всех областях науки и техники.
В состав СИ входят семь основных единиц, две дополнительные и двадцать семь важнейших производных единиц. В состав основных единиц входят: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль), кандела (кд).
К дополнительным единицам системы СИ относятся радиан и стерадиан, а все остальные единицы являются производными. Например, единица силы — ньютон (Н), сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2; единица давления — паскаль (Па), за единицу давления принимается такое равномерно распределенное давление, при котором на 1 м2 действует нормально к поверхности сила, равная 1 Н.
Все измерения делят на прямые и косвенные. При прямых измерениях числовое значение измеряемого параметра определяют непосредственно измерительным прибором: например, измерение температуры термометром или линейных размеров детали мерительным инструментом.
Косвенные измерения предусматривают определение искомого параметра на основании прямого измерения вспомогательной величины, связанной с измеряемым параметром определенной функциональной зависимостью. Например, определение объема тела по его длине, ширине и высоте или измерение температуры по изменению электропроводности термометра сопротивления.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое измерение?
2. Какова классификация видов измерений?
3. В чем отличие образцовых измерительных средств от рабочих?
4. Как классифицируются и обозначаются электроизмерительные и радиоизмерительные приборы?
Литература: [1], с.14…26
Тема 1.2. Метрологические показатели средств измерения
Виды ошибок, их классификация по форме числового выражения, по закономерности появления, по вероятности реализации.
Систематические погрешности, их задание и оценка. Случайные погрешности, источники их появления. Законы распределения погрешностей. Характеристики нормального распределения. Выявление промахов.
Погрешности как характеристики средств измерений. Виды погрешностей и основные причины их возникновения. Определение приборной погрешности на основании класса точности прибора. Предел, цена деления, чувствительность электроизмерительного прибора. Типовая методика проверки электроизмерительных приборов. Общие сведения обработки результатов измерений.
Методические указания
При изучении темы обратить внимание на виды погрешностей, причины, их вызывающие. Уяснить, что любое измерение должно проходить по системе: планирование, проведение измерений, математическая обработка результатов измерений. При обработке обращать внимание на выявление промахов. Очень важно научиться рассчитывать результирующую погрешность, знать, как суммируются систематические и случайные погрешности, как определяется результирующая погрешность с заданным уровнем вероятности.
В зависимости от причин погрешности подразделяют на пять групп: погрешности метода измерения, инструментальные, настройки прибора и его взаимодействия с объектом измерения, динамические и субъективные погрешности.
Погрешности метода измерения являются результатом выбранной схемы измерения, не позволяющей устранить источники известных погрешностей.
Инструментальные погрешности зависят от несовершенства измерительных устройств, т. е. от погрешностей изготовления деталей измерительного прибора.
Погрешности настройки измерительных приборов определяются условиями эксплуатации. Погрешности могут возникать при взаимодействии прибора с объектом измерения; например, такие погрешности, которые вызываются влиянием измерительного усилия на деформацию измеряемой детали.
Динамические погрешности возникают при преобразовании измеряемой величины. Динамические погрешности появляются в результате инерционности изменения измеряемого параметра.
Субъективные погрешности появляются вследствие ограниченных физических возможностей оператора.
В зависимости от условий работы различают два вида погрешностей: основные и дополнительные.
Основные погрешности имеют место при нормальных режимах работы измерительного прибора, когда влияние внешних факторов минимально.
Дополнительные погрешности вызываются воздействием внешних факторов, нарушающих нормальные условия работы прибора, например, изменением температуры или давления окружающей среды.
Если значение абсолютной погрешности
отнести к истинному значению А0 измеряемого параметра, то получим относительную погрешность
, т. е.
=
/ А0.
Отношение абсолютной погрешности
к диапазону шкалы прибора N называют приведенной относительной погрешностью
, т. е.
=
/N.
Вопросы для самопроверки
1. По каким признакам классифицируются ошибки?
2. Чем отличается относительная ошибка от приведенной?
3. Какие показатели применяются для характеристики случайной погрешности?
4. Каким образом можно выявить «промах» в ряде полученных результатов измерений?
5. В чем отличие равноточных измерений от неравноточных?
6. Какова методика обработки результатов косвенных измерений?
7. Как рассчитать результирующую погрешность?
Литература: [1], с.27…51
Раздел 2 Приборы и методы электрических измерений
Тема 2.1 Механизмы и измерительные цепи электромеханических приборов
.
Измерительные механизмы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, электростатической, индукционной систем. Общий принцип создания различных электроизмерительных механизмов. Принцип действия электромеханических приборов. Понятие об измерительных цепях. Измерительная цепь электроизмерительных приборов: вольтметров, амперметров, ваттметров. Условные обозначения, наносимые на приборы.
Методические указания
При изучении темы необходимо рассмотреть и уяснить общий принцип устройства и действия показывающих электроизмерительных приборов: получение уравнения вращающего момента через первую производную электрокинетической энергии по углу поворота подвижной части прибора; вывод уравнения шкалы из уравнения статического равновесия подвижной части.
При рассмотрении каждой системы электроизмерительных приборов следует представлять физическую сущность явления, положенного в основу работы прибора. Необходимо усвоить принцип действия каждой системы приборов, знать основные свойства и технические характеристики приборов, область их применения, влияние внешних факторов на точность измерения.
Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется либо с подвижной катушкой (рамкой), либо с подвижным магнитом. Большее применение имеет первая из указанных групп.
Принцип действия магнитоэлектрического механизма основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток. Противодействующий момент может создаваться механическим и электромагнитным способами.
Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве: 1) амперметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях); 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока: а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов; б) вибрационных гальванометров, используемых в основном в качестве нулевых индикаторов переменного тока; в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.
Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.
К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести: 1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.
Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.
В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т. д.
В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе. В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.
Обе группы приборов делятся на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные. В поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки имеется постоянный магнит. Поляризованные нерезонансные приборы не обладают высокой точностью. Из резонансных приборов в основном применяются язычковые герцметры.
В зависимости от характера магнитной цепи нерезонансные приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса. Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга
Электродинамический ИМ состоит из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты. Катушки выполняют круглыми или прямоугольными. Круглые катушки дают, по сравнению с прямоугольными, увеличение чувствительности на 15—20%. Приборы с прямоугольными катушками имеют меньшие размеры прибора по вертикали.
В основе ферродинамических приборов лежит ферродинамический измерительный механизм. Принцип действия ферродинамического измерительного механизма заключается во взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с токами, и по существу является разновидностью электродинамического механизма. Отличие заключается в том, что для увеличения чувствительности ИМ содержит магнитопровод из магнитно-мягкого материала. Наличие магнитопровода значительно увеличивает магнитное поле в рабочем зазоре и при этом возрастает вращающий момент.
Электростатические приборы строятся на основе электростатического измерительного механизма, который представляет собой систему подвижных и неподвижных электродов. Под действием напряжения, приложенного к электродам, подвижные электроды отклоняются относительно неподвижных. В электростатических ИМ отклонение подвижной части связано с изменением емкости.
Электростатические приборы характеризуются: 1) весьма малым собственным потреблением мощности на постоянном токе и низких частотах. Это, объясняется тем, что оно обусловлено только кратковременным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектрических потерь в изоляции; 2) широким частотным диапазоном (от 20 Гц до 35 МГц); 3) малой зависимостью показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения; 4) возможностью использования их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, и др.
Точность электростатических приборов можно получить высокой за счет применения специальных конструктивно-технологических мероприятий по снижению погрешностей. В настоящее время разработаны переносные приборы классов точности 0,2; 0,1 и 0,05.
Конструктивно индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, которая обычно выполняется в виде алюминиевого диска, укрепленного на оси. Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывают перемещение подвижной части.
По числу магнитных потоков, пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными. Однопоточные индукционные механизмы в измерительной технике в настоящее время не применяются.
Изучая приборы электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем, необходимо обратить внимание на то, что по принципу действия эти приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока.
Вопросы для самопроверки
1. Напишите и объясните условие статического равновесия подвижной части показывающего прибора и уравнение его шкалы.
2. Каким путем создаются противодействующие мо-менты в показывающих приборах?
3. Что такое собственное потребление энергии прибором, какое влияние оно может оказывать на результаты измерения?
4. Каковы принцип действия и устройство прибора магнитоэлектрической системы?
5. Каковы принцип действия и устройство приборов электромагнитной, электродинамической и электростатической систем?
6. Как устроены и каков принцип действия логометров магнитоэлектрической системы?
7. Какие применяются способы расширения пределов измерения приборов различных систем?
Литература: [1], с.74…89
Тема 2.2 Приборы и методы измерения напряжения
Методы измерений напряжения. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности (классификация), область применения: электромеханических вольтметров, электронных вольтметров, цифровых вольтметров, компенсаторов (концентраторов). Применение комбинированных приборов для измерения напряжения. Выбор прибора для измерения напряжения, включения в цепь, измерение, обработка результата измерения.
Методические указания
При изучении данной темы необходимо уяснить, что для измерения напряжения употребляются вольтметры. Кроме этого необходимо четко представлять себе - как необходимо включать вольтметр в электрическую цепь для измерения напряжения. Вольтметры включаются параллельно тому участку цепи, где необходимо измерить напряжение. Чтобы прибор не потреблял большой ток и не влиял на величину напряжения цепи, обмотка его должна иметь большое сопротивление. Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем точнее он будет измерять величину напряжения. Для этого обмотка вольтметра изготовляется из большого числа витков тонкой проволоки. Для расширения пределов измерения вольтметров употребляются добавочные сопротивления, включаемые последовательно с вольтметрами. В этом случае напряжение сети распределяется между вольтметром и добавочным сопротивлением. Величину добавочного сопротивления необходимо подбирать с таким расчетом, чтобы в цепи с повышенным напряжением по обмотке вольтметра проходил тот же ток, что и при номинальном напряжении.
Большая часть применяемых сейчас стационарных измерительных устройств - это классические аналоговые электромеханические приборы. Их эксплуатационные и метрологические характеристики могут считаться достаточными для решения основных задач технических измерений. Классы точности данных устройств (зачастую это предел приведенной погрешности) лежат в диапазоне от 0,1 до 4 %.
Принцип действия электромеханических измерительных приборов базируется на преобразовании электрической энергии входного сигнала в механическую энергию углового (реже - линейного) движения подвижной части отсчетного устройства. Кроме того электромеханические приборы, помимо автономного применения, могут использоваться и в качестве выходных устройств для других электронных аналоговых устройств.
В электромеханических приборах реализованы разные физические принципы, позволяющие преобразовать значение измеряемой характеристики в пропорциональное ей отклонение (изменение) указателя (к примеру, стрелки или шкалы устройства). Конструкцию же электромеханического прибора любого типа можно представить в виде последовательного соединения входной цепи, измерительного устройства и отсчетного прибора.
Из всего разнообразия систем, конструкций и схем электромеханических измерительных приборов можно отметить следующие основные классы: магнитоэлектрические, выпрямительные, термоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, индукционные.
Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20Гц до 1000 МГц),малое потребление тока из измерительной цепи.
Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:
• по назначению – вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные, фазочувствительные, селективные;
• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
• по характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения средневыпрямленного значения;
• по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.
Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.
Измерители напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю готовность к работе и высокую надежность.
Выбор приборов, выполняющих измерения напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых: род измеряемого напряжения; примерные диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон; форма кривой измеряемого напряжения; мощность цепи, в которой осуществляется измерение; мощность потребления прибора; возможная погрешность измерения.
В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения, в частности на методе противопоставления.
Современные цифровые вольтметры содержат микропроцессорные блоки и снабжены клавиатурой, что позволяет автоматизировать процесс измерения, проводить его в соответствии с заданной программой, осуществлять требуемую обработку результатов измерений, расширять функциональные возможности прибора. Превратить его в мультиметр, позволяющий измерять не только напряжение постоянного тока, но и многие другие величины: напряжение переменного тока, сопротивление, емкость конденсатора, частоту и др.
Вопросы для самопроверки
1. Как можно измерить напряжение?
2. Как классифицируются электронные вольтметры?
3. Перечислите основные блоки цифровых вольтметров
4. Как производится выбор приборов для измерения напряжения?
5. Каковы значения коэффициентов амплитуды и формы при синусоидальном напряжении?
6. Нарисуйте принципиальные схемы вольтметров с линейным, пиковым и квадратичным детекторами.
7. Каковы разновидности структурных схем цифровых вольтметров?
Литература: [1], с.94…95
Тема 2.3 Приборы и методы измерения тока
Методы измерения токов. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения основных типов амперметров, токоизмерительных клещей. Расширение пределов измерения с помощью трансформаторов тока и шунтов. Применение комбинированных приборов для измерения тока. Выбор прибора для измерения тока, включение в цепь, измерение, обработка результата измерения.
Методические указания
При изучение методов измерения тока необходимо вспомнить закон Ома. Перед измерением тока (напряжения) нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и сопротивлении цепи, в которой производится измерение. Эти предварительные сведения позволят
выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор. Для измерения тока и напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения. Для измерения тока в какой-либо цепи последовательно в цепь включают амперметр.
Амперметр был разработан так, чтобы внутреннее сопротивление было как можно меньше. Поэтому, если вы включите не последовательно, а параллельно нагрузке обстоятельства могут быть непредсказуемые. Именно в последствии малого сопротивления внутри через амперметр потечет большой ток, что приведет к тому, что прибор сгорит или погорят провода.
Амперметр – измерительный прибор для определения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Показания амперметра всецело зависят от величины протекающего через него тока, в связи, с чем сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим. По своим конструктивным особенностям амперметры подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические, ферродинамические и выпрямительные.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |


