Практическая работа "Электроизмерительные приборы. Погрешности измерения, класс точности"

Методические указания
по выполнению практической работы № 6

«Классификация электроизмерительных приборов и погрешностей

измерений. Класс точности приборов»

ОП.02 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ_____________________________

ПМ ______________________________________________________

МДК_______________________________________________________

Тема: «Электроизмерительные приборы »

Профессия 09.01.03 «Мастер по обработке цифровой информации»

Санкт-Петербург

201_г.

Методические указания разработаны в соответствии с рабочей программой по

ОП.02 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ_________________________

ПМ_________________________________________________________________

МДК________________________________________________________________

По профессии 09.01.03 «Мастер по обработке цифровой информации»

УТВЕРЖДЕННОЙ "_______"__________20___г

Количество часов, отведенное на выполнение работы 2 часа

Разработчик работы:

1. Петрова Е.Н.

Цель работы: сформировать знания и умения отличать технические средства, которые служат

для измерения электрических величин; по каким признакам различают измерительные приборы, принципы их действия, погрешности измерений и различия между классами точности.

Образовательные ресурсы, заявленные в ФГОС третьего поколения:

студент должен уметь:

• выбирать для определения физической величины соответствующий электроизмерительный прибор;

• замерить данную физическую величину;

• правильно установить измерительный прибор;

• рассчитать действительное значение измеряемого параметра, исходя из погрешности измерения;

студент должен знать:

• принцип действия измерительных приборов;

• принципиальное устройство измерительных приборов;

• классификацию электроизмерительных приборов;

• виды погрешностей;

• деление приборов по классу точности.

Порядок выполнения работы:

1. Проработайте теоретический материал и ответьте на контрольные вопросы.

2. Ознакомьтесь с заданием и выполните его.

3. Оформите результаты работы.

«5» -  полностью выполненные задания, без ошибок или с 1 ошибкой

«4» -  полностью выполненные задания, с 2-3 ошибками

«3» -  задания, выполненные наполовину

«2» - задания, не выполненные или задания, выполненные меньше, чем наполовину

Контрольные вопросы:

1. Что такое абсолютная погрешность электроизмерительного прибора?

2. Что такое класс точности электроизмерительного прибора?

3. Какие условные обозначения имеются на шкале электроизмерительного прибора?

4. Какие виды погрешностей вы знаете?

5. Как классифицируются электроизмерительные приборы?

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электроизмерительным прибором называют средство измерений, которое предназначено для выработки сигнала измерительной инфор­мации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблю­дателем.

В настоящее время измерения электрических величин производят приборами различных систем, основными из которых являются: маг­нитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая и ферродинамическая.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.

К электроизмерительным приборам относятся приборы для измерения величины тока (амперметры), напряжения (вольтметры), мощности (ваттметры) и сопротивления (омметры) в цепях постоянного и переменного тока.

На панелях электроизмерительных приборов указываются их технические характеристики:

1) единицы измеряемых величин

2) класс точности прибора;

3) система прибора;

4) наличие защиты измерительной цепи от магнитных или электрических полей и вид преобразователя;

5) рабочее положение прибора и испытательное напряжение изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу;

6) род тока и число фаз;

7) устойчивость к климатическим воздействиям.

Здесь могут быть также указаны внутреннее сопротивление измерительного механизма, ток, отклоняющий стрелку на всю шкалу прибора, падение напряжения на внутреннем сопротивлении, год изготовления и заводской номер.

Кроме того, в соответствии с ГОСТом 1969 г., электроизмерительные приборы классифицируются также:

а) по положению нулевой отметки на шкале: с односторонней шкалой, с двусторонней симметричной шкалой и двусторонней несимметричной и безнулевой шкалой;

б) по количеству диапазонов измерений: однопредельные и многопредельные ( несколькими диапазонами измерений);

в) по конструкции отсчетного устройства: со стрелочным, световым или вибрационным указателем, с подвижной шкалой, с пишущим устройством, с цифровой индикацией;

г) по характеру шкалы: с равномерной шкалой, с неравномерной шкалой, (степенной, логарифмической)

Как уже указывалось, электроизмерительные приборы встречаются со стрелочным и световым указателем и цифровой индикацией, в которых применяются электронные методы измерения и представления информации без преобразования ее в механическое движение. Стрелочный указатель представляет собой перемещающийся по шкале стрелку, жестко скрепленную с подвижной частью прибора. Световой способ отсчета заключается в следующем: на оси подвижной части закрепляется зеркальце, освещаемое специальным осветителем; луч света, отраженный от зеркальца, попадает на шкалу и отображается на ней в виде светового пятна с темной нитью посередине. Световой отсчет позволяет существенно увеличить чувствительность прибора, во-первых, вследствие того, что угол поворота отраженного луча вдвое больше угла поворота зеркальца, а во-вторых, потому, что длину луча можно сделать весьма большой.

На корпусе приборов как правило устанавливается корректор – приспособление, предназначенное для установки прибора в нулевое положение, и арретир - устройство, предназначенное для предохранения подвижной части прибора от повреждений при переноске, транспортировке и хранении.

Таблица 1

Обозначение единиц измеряемых величин на приборах.

Таблица 2

Таблица 3

Приборы магнитоэлектрической системы

Действие приборов магнитоэлектрической системы основано на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и измеряе­мого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки, помещенной в этом магнитном поле (рисунок 1).

Основными частями прибора являются постоянный магнит 2, ме­жду полюсами 1 которого укреплен ферромагнитный сердечник 3 ци­линдрической формы. Сердечник предназначен для уменьшения маг­нитного сопротивления между полюсами и обеспечения равномерного распределения магнитного потока в воздушном зазоре. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и сердечником располо­жена катушка 4, которая жестко связана с осью и стрелкой, переме­щающейся своим концом по шкале прибора. При прохождении тока через катушку возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита.

Электромагнитный вращающий момент, действующий на катуш­ку, пропорционален силе тока и магнитной индукции в воздушном за­зоре. Так как магнитное поле в воздушном зазоре распределено равно­мерно и направлено радиально, а противодействующий момент, созда­ваемый пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части прибора, то угловое отклонение стрелки пропорционально измеряе­мому току, то есть oc=SI, где S - чувствительность прибора.

Рисунок 1

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая чувствительность, большая точность, относительно небольшое влияние внешних магнитных полей, малое потребление энергии, малое влияние температуры, равномерность шкалы.

Недостатки: работает только в цепи постоянного тока, чувствите­лен к перегрузкам, высокая стоимость, обусловленная сложностью конструкции.

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в качестве амперметров и вольтметров. Магнитоэлектрический прибор является составной частью омметра, с помощью которого непосредственно из­меряют электрическое сопротивление.

Применяя термопреобразователи и выпрямители, магнитоэлектри­ческие приборы используют для измерений в цепях переменного тока.

Почти все технические измерения в цепях постоянного тока осу­ществляются приборами данной системы. Лишь в немногих случаях, когда значение имеет не точность, а дешевизна и надежность приборов, постоянный ток измеряется электроизмерительными приборами электромагнитной системы.

Приборы электромагнитной системы

Действие приборов электромагнитной системы основано на взаи­модействии магнитного поля тока неподвижной катушки 1 и сердечни­ка 2 из ферромагнитного материала, выполненного в форме пластины (рисунок 2). Созданное измеряемым током магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его в катушку, поворачивая при этом стрелку, укрепленную на одной оси с сердечником.

При изменении направления тока в катушке меняются и магнит­ные полюса сердечника, следовательно, направление перемещения подвижной частей остается неизменным, и прибор оказывается пригод­ным для измерения в цепях как постоянного, так и переменного токов.

Угол поворота а стрелки прибора определяется по формуле

где I - ток, протекающий по катушке; L-индуктивность катушки; k - постоянный коэффициент.

Противодействующий момент создается пружиной 3, воздушный успокоитель 4 обеспечивает плавное перемещение стрелки.

Так как угол поворота стрелки пропорционален квадрату силы тока, а производная индуктивности катушки является величиной непо­стоянной, то шкала прибора оказывается неравномерной.

Рисунок 2

Достоинства приборов электромагнитной системы: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного токов, простота и на­дежность конструкции, дешевизна, устойчивость к перегрузкам.

Недостатки: чувствительность к внешним магнитным полям, сравнительно большая потребляемая мощность, относительно низкие чувствительность и точность.

Область применения: в качестве амперметров и вольтметров для технических измерений.

В лабораторных приборах высокого класса точности для умень­шения влияния внешних магнитных полей применяют экранирование.

Приборы электродинамической и ферродинамической систем

Действие приборов электродинамической и ферродинамической систем основано на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым проходят токи.

Различие приборов электродинамической и ферродинамической систем заключается в отсутствии и наличии соответственно ферромаг­нитных сердечников у катушек.

На рисунке 3 схематически показано устройство электроприбора электродинамической системы. Катушка 2 неподвижна, катушка 1 имеет возможность поворачиваться на оси 3. Ток i₂ к подвижной ка­тушке подводится при помощи двух спиральных пружин, служащих одновременно и для создания противодействующего момента.

Угол поворота а подвижной катушки и связанной с ней стрелки пропорционален произведению токов подвижной i₂ и неподвижной 1, катушек, т.е.

где к - постоянный коэффициент.

Приборы этих систем могут работать как в цепях постоянного то­ка, так и переменного, поскольку направление магнитных полей обеих катушек меняется синхронно, и, следовательно, направление вращаю­щего момента и перемещения стрелки не меняются; при этом угол а будет дополнительно пропорционален косинусу угла ф сдвига фаз то­ков катушек, т.е.

Наличие двух катушек у приборов электродинамической и фер­родинамической систем дает возможность включать каждую из них в разные участки электрической цепи, что позволяет измерить не только отдельные величины (например, ток или напряжение), но и величины, пропорциональные их произведению, например, мощность. Если не­подвижную катушку включить последовательно в цепь с нагрузкой, а подвижную - параллельно нагрузке, то ток в первой из них будет равен току нагрузки, а во второй будет пропорционален напряжению, при­ложенному к нагрузке. В этом случае выражение для угла поворота стрелки примет вид

где R₁ - сопротивление обмотки подвижной катушки;

-активная мощность.

Так как в приборах электродинамической системы используют магнитные потоки, действующие в воздухе, то исключается возмож­ность возникновения различного рода погрешностей, связанных с вих­ревыми токами, гистерезисом и т.п.

Благодаря этому они обладают рядом достоинств, основные из которых: относительно высокая точность и пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов.

Однако действующие в приборах электродинамической системы магнитные поля относительно слабы, что обуславливает ряд их недостатков: повышенную потребляемую мощность (повышенные токи в катушках), необходимую для создания достаточных магнитных пото­ков и, следовательно, вращающего момента; повышенную чувстви­тельность к внешним магнитным полям, что требует применения за­щитных экранов; низкую перегрузочную способность и, как следствие, относительно высокую стоимость.

В приборах ферродинамической системы магнитные потоки дей­ствуют, в основном, в магнитопроводе, выполненном из магнитомягкого ферромагнитного материала, благодаря чему они слабо подвержены воздействию внешних магнитных полей. Это достоинство; однако, применение магнитопроводов существенно снижает точность прибо­ров вследствие влияния гистерезиса и вихревых токов; наиболее высо­кий класс точности у них - 0,5.

Приборы электродинамической и ферродинамической систем ис­пользуются в качестве измерителей силы тока - амперметров, напряже­ния - вольтметров, мощности - ваттметров и сдвига фаз - фазометров.

Шкала прибора

Движущаяся стрелка и шкала образуют устройство отсчета изме­рительного прибора. Шкала представляет собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением

делением шка­лы. Разность значений измеряемой величины, соответствующих сосед­ним отметкам, называется ценой деления шкалы. Наименьшее значе­ние измеряемой величины, указанное на шкале, называется нижним, а наибольшее - верхним пределами измерения прибора; разность между верхним и нижним пределами - диапазон измерения прибора. Нижний предел у электроизмерительных приборов чаще всего устанавливается равным нулю, однако он может быть как положительным, так и отри­цательным числом, отличным от нуля. В зависимости от принципа действия и особенностей конструктивного устройства измерительные приборы могут иметь равномерную шкалу (длина деления в угловых или линейных единицах одинакова по всей шкале) или неравномерную (длина деления или цена деления разные на участках шкалы). У прибо­ров повышенной точности шкалу обычно выполняют зеркальной, что снижает до минимума ошибку при отсчете показания прибора. Много­предельные или универсальные приборы могут иметь не одну, а иногда и несколько шкал с разной ценой деления.

Для правильного отсчета показания измерительного прибора не­обходимо предварительно определить цену деления шкалы. Цена деле­ния с определяется как отношение разности двух значений А₁ и А₂ измеряемой величины, соответствующих двум числовым отметкам шкалы, в том числе нижнему и верхнему пределам измерения, к числу делений шкалы между этими отметками ΔN

У многопредельных измерительных приборов цена деления шка­лы определяется с учетом конкретного верхнего предела измерения, установленного с помощью переключателя пределов. У многопредель­ных ваттметров цена деления определяется как отношение произведе­ния предельных (номинальных) значений напряжения и тока, подво­димых к прибору и указанных у соответствующих переключателей или присоединительных клемм, к полному числу делений шкалы.

Точность измерительных приборов

Точность - важнейшее свойство измерительных приборов и изме­рений, выполняемых с их помощью. Точность прибора характеризует­ся его погрешностями. Различают несколько видов погрешностей: аб­солютную, относительную и приведенную. Абсолютная погрешность Δ представляет собой разность между показанием прибора (значением измеряемой величины) а_и и действительным значением а₀ измеряе­мой величины

Относительная δ и приведенная γ погрешности представляет собой отношение, в процентах, абсолютной погрешности к действи­тельному значению измеряемой величины или к нормирующему зна­чению а_N, в качестве которого принимают диапазон измерений или верхний предел измерений прибора.

Погрешности конкретных экземпляров измерительных приборов носят индивидуальный характер и могут принимать разные значения, однако они у исправных приборов не должны выходить за пределы допускаемых погрешностей, устанавливаемых в нормативной доку­ментации на приборы данного типа. Для электроизмерительных при­боров такой предел без учета знака устанавливают для приведенной погрешности γ_n и называют его классом точности. Класс точности указывается в документации на измерительные приборы, а также нано­сится на их лицевые панели или циферблаты без указания обозначения процента. Количество и значения классов точности установлены стан­дартами в виде ограниченного числового ряда, который для электро­измерительных рабочих приборов имеет вид: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5- 1015-2,5; 4,0.

Для оценки точности результата конкретного измерения с помо­щью данного измерительного прибора необходимо знать пределы до­пускаемой абсолютной погрешности ± Δ_n, которые можно вычислить по известным классу точности и верхнему пределу (диапазону) изме­рений прибора по формуле

Зная пределы допускаемой абсолютной погрешности, можно представить полный результат измерения в виде

Сведения о технических данных измерительных приборов

Технические, в том числе и эксплуатационные, данные и характе­ристики измерительных приборов приводятся не только в технической документации; основные из них указываются на самих приборах - на циферблатах и (или) на передних панелях. К ним обычно относятся: обозначение единицы измеряемой величины, что определяет и назва­ние прибора, диапазон измерения, класс точности, род измеряемого тока, частота измеряемого тока, положение прибора в пространстве (вертикальное, горизонтальное, наклонное), условное обозначение сис­темы прибора, условное обозначение категории защищенности от влияния внешнего магнитного поля, значение напряжения, которыми испытана изоляция измерительной цепи от корпуса прибора, условное обозначение группы эксплуатации прибора и некоторые другие.

По условиям эксплуатации приборы разделяют на 4 группы. Со­ответственно их обозначение - А, Б, В, Г, которое на циферблате при­бора обычно заключается в треугольник.

Группа А - приборы предназначены для работы в закрытых сухих отапливаемых помещениях; Б - для работы в закрытых неотапливае­мых помещениях; В - для работы в полевых или морских условиях; Г - для работы в условиях тропического климата.

Основные условные обозначения, наносимые на циферблате электроизмерительных приборов, представлены в таблице 4.

Таблица 4

Включение приборов для измерения тока, напряжения, мощности

Для измерения тока в цепь включают амперметр последовательно с объектом, ток в котором подлежит измерению (рисунок 4). Во избе­жание изменения параметров цепи амперметр (его измерительная цепь) должен иметь возможно малое внутреннее сопротивление х_А.

В цепях постоянного тока используют магнитоэлектрические, ре­же электромагнитные амперметры. В цепях переменного тока на час­тоте 50 Гц - электромагнитные и электродинамические амперметры, выпрямительные миллиамперметры.

Включение электродинамического амперметра, который имеет две катушки, соединенные при измерении тока параллельно, показано на рисунке 6.

Рисунок 4 Рисунок 5

Для измерения напряжения на каком-либо участке цепи вольт­метр включают параллельно этому участку (рисунок 5). Во избежание изменения параметров цепи вольтметр должен иметь большое внут­реннее сопротивление r_v по сравнению с сопротивлением цепи.

В цепях постоянного тока для измерения напряжений применяют магнитоэлектрические вольтметры. В цепях переменного тока - пре­имущественно электромагнитные вольтметры, а для более точных из­мерений - электродинамические.

Включение электродинамического вольтметра, катушки которого в этом случае имеют большое число витков и снабжаются добавочным сопротивлением, показано на рисунке 6.

Для измерения малых переменных напряжений используют вы­прямительные и электромагнитные вольтметры, а при повышенных частотах - электронные вольтметры.

Для измерения малых переменных напряжений используют вы­прямительные и электромагнитные вольтметры, а при повышенных частотах - электронные вольтметры.

Для измерения мощности (в цепях переменного тока - активной мощности) в цепь включают ваттметр, при этом одна его катушка (не­подвижная, с малым сопротивлением) включается последовательно, другая (подвижная, с большим сопротивлением), при необходимости, с добавочным резистором - параллельно нагрузке, потребляемую мощ­ность которой необходимо измерить (рисунок 6).

В цепях постоянного тока, а также в цепях переменного тока, со­держащих только активные элементы, мощность (в цепях переменного тока - активную мощность) можно измерить косвенно с помощью ам­перметра и вольтметра, измеряющих одновременно ток и напряжение в одной и той же нагрузке.

На схеме (рисунок 7) показано включение в цепь амперметра, вольтметра и ваттметра с использованием их условных обозначений.

Рисунок 6 Рисунок 7

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Вычислить допустимую абсолютную погрешность измерительных приборов и записать в таблицу.

Задание 1

Таблица 5

Задание 2

Напишите формулы:

1. Абсолютной погрешности ∆ А:

2. Относительной погрешности ϒ:

3. Приведённой погрешности ϒ_пр:

Задание 3

Найти соответствие между условными обозначениями и родом тока, для которого они

предназначены:

Ответ:

Задание 4

1. Класс точности прибора 1,0. Чему равна приведённая погрешность?

а. 1,0

б. 0,1

в.

2. Какой системы амперметры и вольтметры имеют равномерную шкалу?

а. Магнитоэлектрической

б. Электромагнитной

в. Электродинамической

Вывод:

В ходе данной лабораторной работы ознакомился с общим устройством и назначением основных электроизмерительных приборов, изучил принципы их действия, схемы подключения приборов в электрическую цепь. Изучил понятие точности и погрешности прибора. Научился определять цену деления прибора, определять по знаку его систему, класс точности, диапазон измерений а также снимать показания с прибора

Литература:

Основные источники:

Синдеев Ю.Г. Электротехника с основами электроники: учеб. пособие для проф. училищ и колледжей: соответствует гос. стандарту, утв. Минобразования РФ / Ю.Г.Синдеев – 6-е

изд.стер. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2014. – 384 с. – (Начальное профессиональное образование).

1. Ярочкина, Володарская А.А. «Рабочая тетрадь»

Дополнительные источники:

Задачник по электротехнике: учеб. пособие для НПО: рек. ФЭС Минобразования России / П.Н.Новиков, В.Я.Кауфман, О. В. Толчеев и др. – 2-е изд. стереотип.– М.: Академия, 2002. – 336с.

Сибикин Ю.Д. Справочник электромонтажника:: учеб. пособие для НПО: допущено Минобразования России / Ю.Д. Сибикин.- М.: Академия, 2008.- 336.

Ярочкина Г.В., Володарская А.А. Электротехника: Рабочая тетрадь: учеб. пособие для НПО: допущено Минобразования России / Г.В. Ярочкина, А.А. Володарская. – 5-е изд., стер. - М.: Академия, 2008.- 96с.