Цель: Научиться рассчитывать показания приборов различных измерительных систем в цепях постоянного и синусоидального токов.
В результате выполнения практического занятия у студента формируется компетенция ПК-21 (умение проводить опытную проверку оборудования и средств технологического обеспечения).
Актуальность темы практического занятия заключается в необходимости определять показания измерительных приборов.
Теоретическая часть.
По типу отсчетного механизма все измерительные приборы (ИП) подразделяют на две группы: аналоговые (АИП) и цифровые (ЦИП). В АИП показания являются непрерывной функцией изменения входной измеряемой величины. Электромеханические ИП основаны на преобразовании электрической энергии входного сигнала в механическую энергию, чаще всего, угловое перемещение подвижного отсчетного устройства. Эти приборы для своей работы забирают некоторую энергию от измеряемой цепи. Включение таких приборов в исследуемую электрическую цепь изменяет режим ее работы и, как результат, обуславливает появление погрешности взаимодействия прибора в измеряемой цепи, т.е. появляется методическая погрешность измерения.
В ЦИП измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквивалент, который выводится на цифровой индикатор (дисплей). Современные ЦИП построены с использованием или микроконтроллера, или микропроцессора, что существенно повышает производительность и точность ЦИП. Эти приборы могут иметь дополнительные функции для обработки результатов измерения, автоматического выбора пределов измерение, распознавания полярности постоянного напряжения и т.д., а некоторые из них могут быть задействованными в автоматизированных измерительных установках и системах. В практике электрических измерений все шире используются цифровые методы и средства преобразования, хранения, обработки, передачи и представления информации. Цифровые приборы вытесняют аналоговые средства при измерении самых различных физических величин. Среди цифровых средств измерений можно выделить две большие группы: измерительные приборы и измерительные преобразователи. К первой группе обычно относят автономные ИП, предназначенные в основном для статических однократных измерений, обычно выполняемых вручную оператором (пользователем). Ко второй группе относят цифровые преобразователи, используемые в составе информационно-измерительных систем, измерительно-вычислительных систем и т.д. Преобразователи обладают высоким быстродействием.
Основные понятия об электромеханических измерительных приборах (ЭМИП). ЭМИП относятся к аналоговым ИП. Функционирование ЭМИП основано на использовании измерительных механизмов (ИM), в которых реализуются различные физические принципы. ИМ обеспечивает преобразование значения измеряемой величины в пропорциональное изменение показания отсчетного устройства, например, стрелки прибора. В этих ИМ вызывающему поворот стрелки моменту вращения, функционально связанному с измеряемой величиной (чаще всего с током в измерительной катушке), противодействует момент сопротивления закручивающейся пружины.
В зависимости от используемого в приборе ИМ различают следующие ЭМИП: а) магнитоэлектрические; б) выпрямительные; в) термоэлектрические; г) электромагнитные; д) электродинамические; е) электростатические; ж) индукционные.
В зависимости от принципа исполнения ИМ, схемы его использования в ИП реализуются приборы для измерения тока, напряжения, мощности, электрической энергии и т. д.
Особенности работы электроизмерительных приборов в цепях постоянного и синусоидального (тока) напряжения.
Особенности измерения в цепях постоянного тока. Напряжение постоянного тока от долей милливольта до сотен вольт можно измерять аналоговыми стрелочными вольтметрами с магнитоэлектрическим измерительным механизмом ИМ(МЭ). Они имеют достаточно высокую точность (класс точности до 0,05). Входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра, которое определяется значением добавочного сопротивления, включаемого последовательно с измерительной рамкой прибора, не превышает десятков килоом. Это ограничивает их применение при измерениях в высокоомных цепях, например, в электронных, так как приводит к появлению методической погрешности.
Для измерения напряжения постоянного тока в высокоомных цепях целесообразно использовать электронные аналоговые приборы, в которых в качестве отсчетного устройства используется ИМ(МЭ), однако широкое распространение получило использование, например, цифровых мультиметров, переведенных в режим измерений постоянного напряжения (режим DCV).
Для измерения больших постоянных токов может также использоваться ИМ(МЭ), однако его подключают параллельно либо встроенному в прибор малоомному токовому шунту, либо внешнему шунту. В последнем случае шунт имеет метрологические характеристики (класс точности), а падение напряжения на нем при протекании номинального тока составляет 75 мV.
Особенности измерения в цепях синусоидального (тока) напряжения. Измерение синусоидальных напряжений (токов) может выполняться аналоговыми приборами и цифровыми приборами. В большинстве случаев, если нет специальных указаний, вывод информации о величине тока (напряжения) в приборах осуществляется в действующих значениях синусоидально изменяющихся величин, определяемого выражением
, (10.1)
которое связано с амплитудой Im синусоидального тока i(t) выражением 
.
Для измерения в цепях синусоидального (тока) напряжения широко используются цифровые мультиметры, в которых предусмотрен режим измерения переменного напряжения (АСV).
Показания ЦМ в режиме измерения синусоидального напряжения (ACV) соответствуют действующему значению этого напряжения.
Расширение пределов измерения приборов – это важная технико-экономическая задача, целью которой является уменьшение объема приборного парка предприятия без ущерба для метрологического обеспечения испытаний изделий и управления технологическими процессами. При наличии средств расширения пределов измерения оказывается возможным применять один и тот же обычно дорогостоящий прибор для измерения величин различного размера. В конкретных ситуациях может потребоваться изменить предел измерения в сторону увеличения верхнего предела измерений, то есть уменьшить чувствительность прибора, а в других случаях наоборот, – повысить чувствительность, то есть изменить предел измерения в сторону уменьшения верхнего предела измерения. Возможны два варианта решения этой задачи.
В первом варианте средства расширения пределов измерения встраиваются в измерительный прибор, который снабжается ручным переключателем пределов. Такой прибор является многопредельным, и метрологические характеристики этого прибора на разных пределах могут различаться. Тогда они нормируются для каждого предела измерения по отдельности. Об этом потребителю сообщается надписями на шкале или в сопроводительной документации.
Во втором варианте используются внешние средства расширения пределов измерений. Этот вариант используется там, где измерения на одном выбранном пределе выполняются в течение длительного времени, например, в системах управления технологическим процессом.
Такое внешнее средство расширения пределов измерения есть не что иное, как масштабирующий линейный измерительный преобразователь, который изменяет не вид измеряемой величины, а лишь ее масштаб. Эти преобразователи выпускаются промышленностью, как автономные средства измерений. Каждая группа таких преобразователей имеет унифицированные свойства, присоединительные размеры и метрологические характеристики. Поэтому при их соединении с однопредельным измерительным прибором фактически получается новый прибор, метрологические характеристики которого должны быть рассчитаны по метрологическим характеристикам соединенных компонентов.
В качестве внешних средств расширения пределов измерения используются: шунты – для расширения пределов измерения силы тока в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, то есть для уменьшения чувствительности; делители напряжения и добавочные сопротивления – для расширения пределов измерения напряжения в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, то есть для уменьшения чувствительности; усилители тока и напряжения – для расширения пределов измерения тока или напряжения в сторону уменьшения максимального значения измеряемой величины, то есть для увеличения чувствительности; измерительные трансформаторы тока и напряжения – могут применяться для расширения пределов измерения тока или напряжения в обе стороны, но чаще всего применяются для расширения пределов измерения в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, то есть для уменьшения чувствительности.
С помощью токового шунта на основе калиброванного высокоточного резистора 
решается вопрос расширения пределов измерения амперметра рА (рисунок 10.1 а). Выпускаемые промышленностью шунты имеют такое сопротивление , чтобы падение напряжения на нем от номинального тока шунта 
равнялось 75 mV, т. е. было равно 
= 75 mV.
а) б)
Рисунок 10.1
Общая функция преобразования измерительного прибора – амперметра с шунтом определяется выражением:
. (10.2)
Желательно, чтобы 
>> 
.
С помощью добавочных сопротивлений решается вопрос расширения пределов измерения вольтметра рV и повышения входного сопротивления измерительного прибора относительно зажимов а и b (рисунок 10.1 б). Для этих целей используется высокоточный добавочный резистор 
.
Функция преобразования измерительного прибора – вольтметра определяется выражением
, 
, (10.3)
где 
– показание прибора pV. Входное сопротивление относительно зажимов a и b равно 
. Прибор pV может быть проградуирован в значениях напряжения 
. Использование нескольких последовательно включенных добавочных сопротивлений позволяет выполнить многопредельный вольтметр.
Измерительные трансформаторы тока применяются для расширения пределов измерения характеристик переменного тока. Измерительные трансформаторы тока имеют существенное преимущество перед шунтами, которое заключается в том, что при их применении отсутствует гальваническая связь между первичной обмоткой, включенной в мощную электрическую цепь объекта, и вторичной обмоткой. Разрыв этой гальванической связи способствует обеспечению безопасности персонала, снижению действия помех и облегчает выполнение необходимых соединений во вторичной цепи. Кроме того, в ограниченном частотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирования) определяется только отношением числа витков обмоток трансформатора и мало зависит от внешних влияющих факторов.
Схема включения измерительного трансформатора тока в линию с измеряемым током и присоединения амперметра ко вторичной обмотке представлена на рисунке 10.2.
Рисунок 10.2
Опасным режимом для трансформатора тока является режим холостого хода, при котором на вторичной обмотке развивается высокое напряжение, и возможен пробой изоляции. Напротив, благоприятным режимом для трансформатора тока является режим короткого замыкания вторичной обмотки. В связи с этим чрезвычайно важно выполнять следующие правила включения трансформатора тока с амперметром в линию. Перед включением первичной обмотки в линию вторичная обмотка обязательно должна быть замкнутой на амперметр или ключом К.
Измерительные трансформаторы напряжения применяются для расширения пределов измерения характеристик переменного напряжения. Применение измерительных трансформаторов напряжения дает те же преимущества перед применением добавочных сопротивлений, что и применение трансформаторов тока. В ограниченном частотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирования) определяется только отношением числа витков обмоток трансформатора и практически не зависит от действия внешних влияющих факторов. С увеличением частоты сверх этого диапазона начинают расти погрешности передачи амплитуды и фазы измеряемого напряжения. Схемы соединений трансформатора напряжения с участком электрической цепи и с вольтметром во вторичной обмотке особенностей не имеют.
Измерение мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока производится ваттметрами.Ваттметры имеют две обмотки: токовую и напряжения. Направление отклонения стрелки прибора зависит от подключения обмоток ваттметра, поэтому их зажимы имеют специальную маркировку, обеспечивающую правильное подключение прибора. Зажимы, обозначенные знаком * (звездочка), соединяются с проводами, идущими от источника питания. Зажимы, не имеющие этого обозначения, подключаются к нагрузке.
При подведении к обмоткам ваттметра напряжения на нагрузки и протекающего тока через нагрузки показания прибора определяются выражениями: в цепях постоянного тока P = U·I; в цепях синусоидального тока P = U·I ·co s φ, где φ – угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока.
Задания
1. Определить показания цифрового амперметра и ваттметра, включенных для измерений в последовательную RL -цепь, если напряжение на входе цепи изменяется по закону 
. Параметры цепи: 
= 3 Ом, 
= 4 Ом.
2. Измерительный прибор с максимальным отклонением указателя, соответствующим току 50 мкА, имеет внутреннее сопротивление, равное 5 кОм. Какое шунтирующее сопротивление нужно подключить, чтобы прибор измерял ток в пределах 0 – 1 А? Какое сопротивление нужно подключить последовательно для того, чтобы прибор мог измерить напряжение в пределах 0 – 10 В?
3. Определить предел измерения тока 
в схеме двухпредельного миллиамперметра (рисунок 10.3) с током полного отклонения рамки измерительного механизма 
= 50 мкА, внутренним сопротивлением 
= 1,0 кОм. Значения сопротивлений резисторов ступенчатого шунта 
= 0,9 Ом, 
= 0,l Ом.
Рисунок 10.3
4. Определить значение сопротивления добавочного резистора 
,включенного последовательно в цепь магнитоэлектрического вольтметра с пределом измерения 30 В, внутренним сопротивлением 
= 1000 Ом и шкалой на 150 делений для расширения предела измерения напряжения до 300 В. Чему равна цена деления?
Контрольные вопросы
1. Почему нельзя подключать амперметр непосредственно к источнику напряжения?
2. Следует ли соблюдать полярность подключения цифрового вольтметра к цепи, в которой протекает постоянный ток?
3. Каковы принципиальные особенности использования цифровых амперметров и вольтметров?
4. Для чего используются трансформаторы тока?
5. Чем опасен разрыв вторичной обмотки трансформатора тока?
6. Каковы значения номинальных вторичных токов трансформаторов тока и из каких соображений они установлены?
7. Для чего используются трансформаторы напряжения?
8. Чему равны номинальные вторичные напряжения трансформаторов и из каких соображений они установлены?
9. Для чего при измерениях используются шунты?
10. Для чего при измерениях используются добавочные сопротивления?
11. Приведите формулу преобразования амперметра с шунтом?
12. Приведите формулу преобразования вольтметра с добавочным сопротивлением? Зачем используют несколько добавочных сопротивлений?
13. Как определяется входное сопротивление амперметра и вольтметра?
Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме
Основная литература
1. Немцов М.В. Электротехника и электроника (6-е изд., стер.) учебник. –М: Академия, 2013. – 480 с. – ISBN: 9785446804320.
Дополнительная литература
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. – 10-е изд. – М.: Гардарики, 2002. – 638 с.
Учебное пособие
«Инженерные системы зданий и сооружений:
(электроснабжение с основами электротехники)»
для студентов направления подготовки 270800.62 Строительство
профиля подготовки «Городское строительство и хозяйство», «Промышленное и гражданское строительство»,
«Теплогазоснабжение и вентиляция»
Составители: Данилов М.И.
Романенко И.Г.
Ястребов С.С.
Редакторы:
_____________ Подписано в печать
Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. –. Уч.-изд. л. –.
Бумага газетная. Печать офсетная. Заказ Тираж экз.
ГОУВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»
355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2
Издательство ГОУ ВПО Северо-Кавказский федеральный университет
Отпечатано в типографии СКФУ
