Электрические измерения (стр. 1 )

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

Допущено

в качестве учебного пособия для образовательных учреждений

2006

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

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, a (1.1)

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.

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

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

Iш / Iи = Rи / Rш, (1.4)

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

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.

№ п/п	Опытные данные	Расчетные данные
показания полученного амперметра, А	показания образцвого 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.

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 и 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.