Практическое занятие 1 и 2
Изучение устройств, характеристик и правил пользования приборами UIR
общего назначения
А. Теоретические вопросы
Общие сведения об измерении напряжения и силы тока
Измерения напряжения и тока (правильно: силы тока), а также сопротивления участка цепи (элемента цепи) являются самыми распространенными видами измерений. Чаще измеряют напряжение, поскольку вольтметр (прибор для измерения напряжения на участке цепи) включается параллельно участку цепи, имеет достаточно большое сопротивление, так что практически не влияет на режим работы цепи. При измерении тока амперметр (прибор для измерения силы тока в цепи) включается в разрыв цепи (требует разрыва цепи, что не всегда реализуемо), и, несмотря на малое внутреннее сопротивление, оказывает влияние на работу цепи.
Задача измерения постоянных напряжений и токов сводится к определению их полярности и значения. Задача измерения переменных напряжений и токов более сложная, так как результаты измерений зависят от частоты сигнала, формы сигнала и др.
У переменного напряжения может быть определено:
амплитудное значение (рис. А.1 а,б,в,г) - максимальное мгновенное значение напряжения за период (амплитуда – высота, устаревшее, но еще встречающееся название – пиковое значение). Напряжение может иметь два амплитудных значения (рис. А.1 б), может измеряться на фоне (при наличии, при действии) постоянного напряжения (рис. А.1 г);
среднее квадратическое значение напряжения – определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения напряжения за время наблюдения или период Т.
.
Если сигнал не синусоидален, то квадрат среднего квадратического значения напряжения равен сумме квадратов постоянной составляющей и всех гармоник
.
среднее значение (постоянная составляющая) напряжения – определяется как среднее арифметическое всех мгновенных значений напряжения за время наблюдения или период Т.
.
средне выпрямленное значение напряжения – определяется как среднее арифметическое всех абсолютных мгновенных значений напряжения за время наблюдения или период Т.
.
Для напряжения одной полярности (рис.А.1 а) среднее и средне выпрямленное значения совпадают, у разнополярных эти значения могут существенно различаться.
Проще всего (поэтому чаще применяется на практике) измеряется среднее квадратическое значение напряжения. Для того чтобы определить другие параметры напряжения надо знать коэффициенты пересчета с учетом формы КФ и амплитуды КА:
;
.
Некоторые значения коэффициентов представлены в табл.1.
Таблица 1.
Форма сигнала |
Параметры сигнала |
||||
|
Средневыпрямленное значение U CP B |
Среднее квадратическое значение U |
Коэффициент формы KФ |
Коэффициент амплитуды КА |
|
Гармонический |
|
0,637 Um |
0,707 Um |
1,11 |
1,414 |
Меандр (без нуля) |
|
Um |
Um |
1 |
1 |
Пилообразный симметричный |
|
0,5 Um |
0,577 Um |
1,155 |
1,733 |
Электромеханические приборы для измерения напряжения и силы тока
Напряжение и силу тока измеряют приборами непосредственной оценки или (значительно реже) компенсаторами. Первыми и достаточно широко используемыми в настоящее время являются электромеханические приборы. Они часто входят в состав других более сложных приборов.
Электромеханические приборы просты в устройстве и эксплуатации, достаточно надежны, на переменном токе (при использовании преобразователей) реагируют на среднее квадратическое значение.
Структурная схема электромеханического прибора приведена на рис. А. 2
Измерительная схема – набор радиодеталей, соединенных определенным образом, обеспечивающих преобразование входной величины в электрическую величину, на которую реагирует отсчетное устройство.
Измерительный механизм – устройство, преобразующее входной электрический сигнал в угловое или линейное перемещение указательного элемента отсчетного устройства.
Электромеханические приборы классифицируются в зависимости от измерительного механизма. Условное обозначение измерительного механизма наносится на шкале прибора (см. приложение).
Магнитоэлектрическая система
Измерительный механизм такой системы состоит из подвижной проволочной рамки с прикрепленной к ней стрелкой, находящейся в поле постоянного магнита (рис А.3). При протекании по рамке тока (пропорционален измеряемому параметру) рамка за счет взаимодействия магнитных полей поворачивается на угол, пропорциональный протекаемому току. Отсчет параметра производится непосредственно по шкале прибора.
Измерительный механизм магнитоэлектрической системы имеет достаточно высокую точность (класс точности 0,05 … 0,5), сравнительно малое потребление энергии из измерительной цепи (до 10-4 Вт), высокую чувствительность, однако требуют постоянного входного тока.
Для расширения пределов приборов используются:
шунты (для амперметров и миллиамперметров), которые включаются параллельно входу прибора;
добавочные сопротивления (для микро и милливольтметров), которые включаются последовательно входу прибора.
Магнитоэлектрическая система используется в стационарных и переносных многопредельных амперметрах и вольтметрах постоянного тока.
Гальванометры
Измерительный механизм такой системы представляет собой схему равновесия, сравнения или нуль – индикатор. Задача механизма состоит в том, чтобы показать наличие или отсутствие тока в цепи. Гальванометры обладают высокой чувствительностью к току, класс точности им не присваивается.
Электромагнитная система
Измерительный механизм такой системы использует принцип взаимодействия катушки с током с ферромагнитным сердечником (см. рис.А.3). Последний располагается так, что при любом направлении протекания тока он втягивается внутрь катушки. Следовательно, измерительный механизм такой системы способен работать в переменном токе. Однако из-за возрастающего индуктивного сопротивления катушки от частоты используется только на низких частотах.
Измерительный механизм системы прост в конструкции, способен выдерживать значительные перегрузки, может работать по постоянному и переменному току. Вместе с тем он потребляет существенно большее количество энергии измеряемого тока (1 … 6 Вт), имеет невысокую чувствительность, подвержен сильному влиянию магнитных полей.
Область применения – щитовые приборы промышленной частоты с классом точности от 0,5 до 2,5. Могут использоваться на повышенной частоте: амперметры – до 8 кГц, вольтметры – до 400 Гц.