Виды и методы электрических измерений
При изучении электротехники приходится иметь дело с электрическим, магнитными и механическими величинами и измерять эти величины.
Измерить электрическую, магнитную или какую-либо иную величину — это значит сравнить ее с другой однородной величиной, принятой за единицу.
В этой статье рассмотрена классификация измерений, наиболее важная для теории и практики электрических измерений. К такой классификации можно отнести классификацию измерений с методологической точки зрения, т. е. в зависимости от общих приемов получения результатов измерений (виды или классы измерений), классификацию измерений в зависимости от использования принципов и средств измерений (методы измерений) и классификацию измерений в зависимости от динамики измеряемых величин.
Виды электрических измерений
В зависимости от общих приемов получения результата измерения делятся на следующие виды: прямые, косвенные и совместные.
К прямым измерениям относятся те, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой Y = Х, где Y — искомое значение измеряемой величины; X — значение, непосредственно получаемое из опытных данных. К этому виду измерений относятся измерения различных физических величин при помощи приборов, градуированных в установленных единицах.
Например, измерения силы тока амперметром, температуры — термометром и т. д. К этому виду измерений относятся и измерения, при которых искомое значение величины определяется непосредственным сравнением ее с мерой. Применяемые средства и простота (или сложность) эксперимента при отнесении измерения к прямому не учитываются.
Косвенным называется такое измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях числовое значение измеряемой величины определяется путем вычисления по формуле Y = F (Xl, Х2 . Х n ), где Y — искомое значение измеряемой величины; Х 1 , Х2, Х n — значения измеренных величин. В качестве примера косвенных измерений можно указать на измерение мощности в цепях постоянного тока амперметром и вольтметром.
Совместными измерениями называются такие, при которых искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами . В качестве примера совместных измерений можно привести определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление резистора с его температурой: Rt = R20 [1+α (T1-20)+β(T1-20)]
Методы электрических измерений
В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения.
Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина.
Простейшим примером метода непосредственной оценки может служить измерение какой-либо величины одним прибором, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах.
Вторая большая группа методов электрических измерений объединена под общим названием методов сравнения . К ним относятся все те методы электрических измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Таким образом, отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.
Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.
Нулевой метод — это метод сравнения измеряемой величины с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на индикатор доводится до нуля. Таким образом, при достижении равновесия наблюдается исчезновение определенного явления, например тока в участке цепи или напряжения на нем, что может быть зафиксировано при помощи служащих для этой цели приборов — нуль-индикаторов. Вследствие высокой чувствительности нуль-индикаторов, а также потому, что меры могут быть выполнены с большой точностью, получается и большая точность измерений.
Примером применения нулевого метода может быть измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
При дифференциальном методе , так же как и при нулевом, измеряемая величина сравнивается непосредственно или косвенно с мерой, а о значении измеряемой величины в результате сравнения судят по разности одновременно производимых этими величинами эффектов и по известной величине, воспроизводимой мерой. Таким образом, в дифференциальном методе происходит неполное уравновешивание измеряемой величины, и в этом заключается отличие дифференциального метода от нулевого.
Дифференциальный метод сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и часть признаков нулевого метода. Он может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и мера мало отличаются друг от друга.
Например, если разность этих двух величин равна 1 % и измеряется с погрешностью до 1 %, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01%, если не учитывать погрешности меры. Примером применения дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое является искомой величиной.
Метод замещения заключается в поочередном измерении искомой величины прибором и измерении этим же прибором меры, воспроизводящей однородную с измеряемой величину. По результатам двух измерений может быть вычислена искомая величина. Вследствие того что оба измерения делаются одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, в значительной мере уменьшается погрешность результата измерения. Так как погрешность прибора обычно неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора.
Примером применения метода замещения может быть измерение сравнительно большого электрического сопротивления на постоянном токе путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый резистор и образцовый. Питание цепи при измерениях должно производиться от одного и того же источника тока. Сопротивление источника тока и прибора, измеряющего ток, должно быть очень мало по сравнению с изменяемым и образцовым сопротивлениями.
Метод совпадений — это такой метод, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко применяется в практике неэлектрических измерений.
Примером может служить измерение длины штангенциркулем с нониусом. В электрических измерениях в качестве примера можно привести измерение частоты вращения тела стробоскопом.
Укажем еще классификацию измерений по признаку изменения во времени измеряемой величины . В зависимости от того, изменяется ли измеряемая величина во времени или остается в процессе измерения неизменной, различаются статические и динамические измерения. Статическими называются измерения постоянных или установившихся значений. К ним относятся и измерения действующих и амплитудных значений величин, но в установившемся режиме.
Если измеряются мгновенные значения изменяющихся во времени величин, то измерения называются динамическими . Если при динамических измерениях средства измерений позволяют непрерывно следить за значениями измеряемой величины, такие измерения называются непрерывными.
Можно осуществить измерения какой-либо величины путем измерений ее значений в некоторые моменты времени t 1 , t2 и т. д. В результате окажутся известными не все значения измеряемой величины, а лишь значения в выбранные моменты времени. Такие измерения называются дискретными .
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Измерение основных электрических величин
1. Измерение электрического тока
Электрический ток измеряется амперметром.
Если измеряемый ток не превышает пределов измерения данного амперметра, то его можно измерить включением амперметра непосредственно в цепь (рис. 1).
Для измерения больших токов используются шунты на постоянном токе (рис. 2) и трансформаторы тока на переменном токе (рис. 3).
Рис. 1. Схема включения амперметра непосредственно в цепь
Рис. 2. Схема включения амперметра с шунтом
Рис. 3. Схема включения амперметра с помощью трансформаторов тока: Л1, Л2 — зажимы первичной обмотки трансформатора тока; И1, И2 — зажимы вторичной обмотки трансформатора
2. Измерение электрического напряжения
Электрическое напряжение измеряется вольтметром.
Если измеряемое напряжение не превышает пределов измерения данного вольтметра, то оно может быть измерено путем непосредственного включения вольтметра в сеть (рис. 4).
Для расширения пределов измерения применяют добавочное сопротивление при измерении постоянного напряжения и трансформаторы напряжения (можно использовать и добавочное сопротивление) при измерении переменного напряжения (рис. 5 и 46).
Необходимо иметь в виду, что должно быть использовано то добавочное сопротивление, которое предназначено для данного вольтметра.
Рис. 4. Схема включения вольтметра непосредственно в цепь
Рис. 5. Схема включения вольтметра с добавочным сопротивлением
Рис. 6. Схема включения вольтметра с помощью трансформатора напряжения: А, Х — зажимы первичной обмотки трансформатора напряжения; а, х — зажимы вторичной обмотки трансформатора напряжения; ПР — плавкие предохранители
3. Измерение электрической мощности
Электрическая мощность измеряется ваттметром — прибором, имеющим две обмотки: токовую и напряжения (рис. 7).
Шкала ваттметра проградуирована в ваттах или киловаттах.
Расширение пределов измерения на постоянном токе по напряжению производится с помощью добавочных сопротивлений — шунтов. При измерениях на переменном токе расширение пределов производится с помощью трансформаторов тока и напряжения (рис. 8). При этом необходимо соблюдать правильность включения генераторных клемм (*) ваттметра.
Измерение мощности в трехфазных трехпроводных сетях производится с помощью двух однофазных ваттметров, включенных в две фазы по схеме (рис. 9). В трехфазных четырехпроводных сетях измерение активной мощности производится с помощью трех однофазных ваттметров (рис. 10) или одним трехэлементным ваттметром.
Расширение пределов измерения производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. В этих же сетях для измерения мощности применяется трехфазный ваттметр (рис. 11).
Рис. 7. Схема включения однофазного ваттметра: 1 — последовательная (токовая) катушка; 2 — параллельная (напряжения) катушка; rg — добавочное сопротивление
Рис. 8. Схема включения ваттметра с помощью трансформаторов тока и напряжения
Рис. 9. Схема измерения активной мощности в трехфазной трехпроводной сети двумя ваттметрами: Робщ = Р1 + Р2
Рис. 10. Схема измерения активной мощности в трехфазной четырехпроводной сети тремя ваттметрами: Робщ = Р1 + Р2 + Р3
Рис. 11. Схема включения трехфазного ферродинамического ваттметра
4. Измерение электроэнергии
Выбор приборов. Учет электроэнергии в сетях переменного тока производится с помощью счетчика индукционной системы. Индукционные счетчики выпускаются в однофазном и трехфазном исполнении, причем последние бывают двух модификаций — для трехи четырехпроводной сети.
Измерение расхода активной и реактивной энергии в трехфазной сети может в принципе производиться счетчиками одного и того же типа при включении их по соответствующим схемам.
Чтобы исключить возможность неправильного подключения счетчика и обеспечить правильный учет расхода активной и реактивной энергии, промышленностью выпускаются специальные счетчики активной и реактивной энергии.
Для измерения в трехфазных сетях активной энергии применяются счетчики типов СА3, СА4, СА4У; реактивной энергии — СР3, СР4, СР4У. Цифра 3 в обозначении типа счетчика указывает, что он предназначен для трехпроводной сети, 4 — для четырехпроводной.
Счетчики типов СА4У, СР4У — универсальные, выполняются для включения только с измерительными трансформаторами. Концы обмоток тока и напряжения этих счетчиков выведены на отдельные изолированные друг от друга зажимы. Благодаря этому имеется возможность включать токовые цепи счетчиков активной и реактивной энергии на общие трансформаторы тока.
Остальные типы трехфазных счетчиков Ч трансформаторного и непосредственного (прямого) включения.
Для учета энергии в цепях однофазного тока используются счетчики типа СО. Счетчики активной энергии выпускаются классов точности 1,0; 2,0; 2,5; счетчики реактивной энергии — классов точности 2,0; 2,5; 4,0.
Погрешности измерений электроэнергии, требования к измерительным трансформаторам. При непосредственном включении счетчика в сеть погрешность измерения расхода электроэнергии определяется классом точности самого счетчика. Включение счетчика через измерительные трансформаторы вносит дополнительную погрешность, и точность измерений уменьшается.
Для учета электроэнергии применяются трансформаторы тока класса 0,2; 0,5; 1. Обеспечить необходимую точность измерений можно при условии, что сопротивление токовых катушек всех счетчиков и соединительных проводов, включенных во вторичную цепь, не превышает допустимую номинальную нагрузку трансформаторов тока.
Для ориентировочных расчетов следует принимать сопротивление токовой катушки счетчика равным 0,05 Ом, а сопротивление соединительных проводов — 0,2 Ом.
Рассчитанные из этих соображений наименьшие допустимые сечения соединительных проводов указанных цепей приведены в таблице.
Таблица 4.1. Наименьшие допустимые сечения проводов от трансформаторов тока к счетчикам
Источник
