Измерение электрических величин на промышленных предприятиях обеспечивает контроль технологических процессов (ТП), контроль за соблюдением установленного режима работы, контроль работы оборудования, контроль изоляции электрооборудования и электрических сетей, условия, позволяющие обслуживающему персоналу ориентироваться при аварийных режимах.
Средства измерений электрических величин должны удовлетворять требованиям по классу точности измерительных приборов (не ниже 2,5), пределам измерений приборов. Измерительные приборы должны быть установлены в пунктах, откуда осуществляется управление .
Измерение тока, напряжения и мощности производится в цепях всех напряжений, где оно необходимо для систематического контроля ТП или оборудования. На подстанциях допускается измерение напряжения только на стороне низшего напряжения, если установка трансформаторов напряжения на стороне ВН не требуется для других целей. Измерение напряжения должно производиться также в цепях силовых преобразователей, аккумуляторных батарей, зарядных и подзарядных устройств, в цепях дугогасящих реакторов. Измерение мощности производится в цепях генераторов активной и реактивной мощности, в цепях синхронных компенсаторов – реактивной мощности, у понижающих трансформаторов в зависимости от напряжения – активной и реактивной мощности.
Учет активной и реактивной мощности и энергии, а также контроль качества электроэнергии для расчетов между энергосберегающей организацией и потребителем производится, как правило, на границе балансовой принадлежности электросети. Учет электроэнергии осуществляется на основе измерений электрической энергии с помощью счетчиков, а также информационно-измерительных систем. Применение автоматизированных систем учета и контроля электроэнергии повышает эффективность учета. В электроустановках используют различные многофункциональные счетчики. Их можно использовать для ежедневной и ежемесячной фиксации потребления электроэнергии, фиксации потребления электроэнергии на первое число месяца, после перерыва питания, 30-минутного значения мощности, попыток несанкционированного доступа к памяти, изменения сезонного времени и др.
Учет активной электроэнергии должен обеспечивать возможность составления балансов электроэнергии для потребителей, контроль за соблюдением потребителями заданных режимов потребления и балансов электроэнергии, расчетов потребителей за электроэнергию по действующим тарифам (в том числе многоставочным и дифференцированным), возможность управления электропотреблением. Учет реактивной электроэнергии должен обеспечивать возможность определения количества реактивной электроэнергии, полученной потребителем от электроснабжающей организации или переданной ей, если по этим данным производятся расчеты или контроль соблюдения заданного режима работы компенсирующих устройств.
При определении количества электроэнергии учитываются только коэффициенты трансформации измерительных трансформаторов, Измеряемая электроэнергия равна разности показаний счетного механизма счетчика, умноженной на коэффициент трансформации, введение других поправочных коэффициентов не допускается.
По схеме подключения к электрической цепи счетчики делятся на устройства прямого включения и трансформаторные. Кроме того, счетчики бывают аналоговые и электронные. До настоящего времени широко распространены аналоговые индукционные счетчики типа САЗУ-670М, СР4У-И673 и другие для измерения активной и реактивной энергии. В то же время получили широкое распространение электронные счетчики . Измерение энергии электронными счетчиками основано на преобразовании аналоговых входных сигналов переменного тока и напряжения в счетный импульс или код. Структурная схема электронного счетчика на основе амплитудной и широтно-импульсной модуляции приведена на рис. 9.17.
Счетчики электронные многотарифные типа СЭА32 различного исполнения предназначены для измерения активной энергии в трехфазных сетях переменного тока частотой 50 Гц и используются в качестве датчика приращения энергии в АСУ контроля и учета электрической энергии (АСКУЭ) и телеизмерения мощности.
Счетчики типа СЭ3000 используются для измерения активной и реактивной энергии и мощности по трем фазам в трехфазных трех- и четырехпроводных цепях переменного тока и организации многотарифного учета (количество тарифов – 4) электроэнергии на промышленных предприятиях и объектах.
Рис. 9.17. Структурная схема электронного счетчика
Схемы прямого подключения трехфазных счетчиков в электроустановках напряжением 380/220 В в четырехпроводных сетях, рассчитанные на номинальные токи 5; 10; 20; 50 А, представлены на рис. 9.18, включение счетчика через измерительные трансформаторы на рис. 9.19. Схема включения выполнена десятипроводной.
Рис. 9.18. Схема включения прямоточного счетчика СЭТ4-1
Рис. 9.19. Схема включения трехэлементного счетчика типа СА4У-И672М в четырехпроводную сеть с раздельными цепями тока и напряжения
Подключение каждого из трех измерительных элементов счетчика требует обязательного соблюдения полярности подключения токовых цепей и соответствия их своему напряжению. Обратная полярность включения первичной обмотки TA или его вторичной обмотки вызывает отрицательный вращающий момент, действующий на диск счетчика. Схема обеспечивает нормируемую погрешность измерений. Подключение нулевого провода обязательно.
Схемы включения счетчика реактивной энергии типа СР4У-И673 и счетчика активной энергии не отличаются (рис. 9.20). Токовые цепи этих счетчиков соединяются последовательно, цепи напряжения – параллельно. Схемы внутренних соединений счетчиков реактивной энергии и активной различны. За счет схемы внутренних соединений катушек, рассчитанных на напряжение 380 В, выполняется дополнительный 90°-й фазовый сдвиг между магнитными потоками.
Трехфазные трансформаторные универсальные счетчики СЭТА и СЭТ4 предназначены для измерения активной и реактивной энергии в трехфазных трех- и четырехпроводных цепях переменного тока 380/220 В, 50(60) Гц и используются для нужд энергетики на напряжение 100/57,7 В, а счетчики СТ1, СЭТ3, «ТРИО», «СОЛО» – для учета потребления активной и реактивной энергии в быту и на производстве.
Рис. 9.20. Схема включения счетчиков для измерения активной
и реактивной энергии в сети напряжением 380/220 В
Счетчики ЦЭ6807 предназначены для измерения активной энергии в однофазных двухпроводных сетях переменного тока 220 В, 40(60) Гц, могут использоваться в качестве датчиков приращения потребления энергии для дистанционных информационно-измерительных систем учета и распределения АСУКУЭ, там же нашли применение и счетчики ЭСч ТМ201. Однофазные однотарифные счетчики ЦЭ6807П, СЕ101, СЕ200, а также многотарифные счетчики СЕ102, СЕ201 предназначены для учета электроэнергии в бытовом и мелкомоторном секторах электропотребления, имеют защиту от недоучета и хищений электроэнергии.
Трехфазные однотарифные счетчики ЦЭ6803В, ЦЭ6804, СЕ300, СЕ302 предназначены для учета электроэнергии в трехфазных цепях переменного тока в бытовом, мелкомоторном и промышленном секторах электропотребления, а многотарифные ЦЭ6822, СЕ301, ЦЭ6850М, СЕ303, СЕ304 – в промышленных секторах электропотребления.
Счетчики электроэнергии многофункциональные микропроцессорные типов ЦЭ6850, ЦЭ6822,и другие подобных модификаций предназначены для измерения активной и реактивной электроэнергии и мощности в зависимости от функционального назначения. Функциональный набор параметров может быть следующий :
· коммерческий учет межсистемных перетоков, выработки и потребления электроэнергии в энергосистемах, на сетевых и промышленных предприятиях;
· учет мощности в региональных, территориальных сетевых и промышленных предприятиях, на предприятиях малого и среднего бизнеса, в жилищно-коммунальной среде;
· учет электроэнергии в промышленном и бытовом секторе (жилых и общественных зданиях, коттеджах, дачах, гаражах) при снабжении потребителей от трехфазной сети, в промышленных помещениях при снабжении потребителей от однофазной сети;
· технический и коммерческий учет генерации и потребления активной и реактивной энергии;
· регистрация суточного графика получасовых мощностей (нагрузок) с глубиной хранения до 45 суток;
· измерение мгновенных значений первичных параметров сети ();
· измерение реактивной мощности в составе АСКУЭ.
Измерительные преобразователи служат для преобразования измеряемой электрической величины (ток, напряжение, мощность, частота) в унифицированный выходной сигнал постоянного тока или напряжения или в частоту. Измерительные преобразователи применяются в системах автоматического регулирования и управления объектов электроэнергетики в различных отраслях промышленности, а также для контроля текущего значения измеряемых величин.
В области электроизмерительной техники высшего класса сложности применяются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), информационные измерительные системы (ИИС), предназначенные для получения, преобразования, хранения и представления измерительной информации.
Измерительно-вычислительный комплекс измеряет постоянные напряжения и выполняет преобразование аналоговых сигналов в цифровой код и цифро-аналоговое преобразование сигналов, поступающих по входным каналам.
Многофункциональные ИИС типа К734 предназначены для сбора, преобразования, измерения, представления, регистрации и запоминания информации различных параметров электрических сигналов.
К современным многофункциональным преобразователям относятся преобразователи типа ПЦ 6806, предназначенные для измерения активной и реактивной энергии в прямом и обратном направлениях (потребленной и возвращенной), частоты, тока, напряжения, активной и реактивной мощностей по каждой фазе сети. Они применяются для коммерческого и технического учета электроэнергии в составе АСКУЭ. В зависимости от назначения выполняют функции телеуправления, телесигнализации, индикацию измеренных и вычисленных параметров на встроенном цифровом индикаторе, фиксацию максимальной мощности в каждой тарифной зоне, архивирование параметров и событий с отметками реального времени и др.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие виды погрешностей имеют измерительные трансформаторы тока и от чего они зависят?
2. Назовите основные конструктивныеособенности применяемых трансформаторов тока.
3. Объясните принцип работы измерительного трансформатора постоянного тока.
4. Какие существуют типы трансформаторов напряжения икаковы их особенности при применении в измерительных схемах?
5. Назовите классы точности трансформаторов напряжения и тока.
6. Назовите типы счетчиков, применяемых для учета активной и реактивной энергии.
7. Какие типы счетчиков применяются в системах АСКУЭ?
8. Назовите типы многофункциональных преобразователей.
9. Нарисуйте векторные диаграммы трансформатора напряжения.
10. Нарисуйте векторные диаграммы трансформатора тока.
11. Какие виды погрешностей имеют трансформаторы напряжения?
1. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию промышленных предприятий и общественных зданий / под общ. ред. С.И. Гамазина, Б.И. Кудрина, С.А. Цырука. М.: Издат. дом МЭИ, 2010. 745 с.: ил.
2. Ополева Г.Н. Схемы и подстанции электроснабжения: справочник/ Г.Н. Ополева: М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. 480 с.
3. Кужеков С.Л. Практическое пособие по электрическим сетям и электрооборудованию / С.Л. Кужеков, С.В. Гончаров. 4-е изд., доп. и перераб. Ростов н/Д.: Феникс, 2010. 492 с.: ил.
4. Герасименко А.А. Передача и распределение электрической энергии / А.А. Герасименко, В.Т. Федин 2-е изд. Ростов н/Д. 2008. 715 с.
5. Герасименко А.А. Передача и распределение электрической энергии: учеб. пособие / А.А. Герасименко, В.Т. Федин. 3-е изд., перераб. М.: КНОРУС, 2012. 648 с.
6. Миронов Ю.М . Электрооборудование и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок: учеб. пособие для вузов. Ю.М. Миронов, А.Н. Миронова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 376 с.: ил.
7. Справочник по проектированию электроснабжения / под ред. Ю.Г. Барыбина и др. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.
8. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / под ред. Ю.Г. Барыбина и др. М.: Энергоатомиздат, 1991. 464 с.: ил.
9. Васильев А.А . Электрическая часть станций и подстанций: учебник для вузов / А.А. Васильев, И.П. Крючков, Е.Ф. Наяшкова и др.; под ред. А.А. Васильева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.: ил.
10. Электрооборудование и электроснабжение электротермических установок: метод. указания к лаб. работам / сост. А.Н. Ми-ронова, Э.Л. Львова; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2011. 48 с.
11. Баптиданов Л.Н. Основное электрооборудование, схемы и конструкции распределительных устройств: учебник для энергетических техникумов / Л.Н. Баптиданов, В.И. Тарасов. Т.1. М.: Гос. Энергетич. изд-во, 1947. 399 с.
12. Электрооборудование электросварочных установок: метод. указания к лаб. работам / сост. Ю.П. Ананьин, Ю.М. Петросов. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2013. 48 с.
13. Орлов Л.Л. Оптимизация структуры и технико-экономи-ческих характеристик цифровых подстанций / Релейная защита автоматизация, 02.06.2012. С. 66.
14. Дарьян Л.А. Цифровые измерительные трансформаторы. Новые подходы к разработке измерительного оборудования / Л.А. Дарьян, А.П. Петров, Н.Н. Дорофеев, А.В. Козлов. Релейная защита автоматизации, 04.12.2012. С.44.
15. Андреев В.А . Релейная защита и автоматика систем электроснабжения / В.А. Андреев. М.: Высш. шк., 2008. 640 с
16. Васильева В.Я . Эксплуатация электрооборудования электрических станций и подстанций: учеб. пособие / В.Я. Васильева, Г.А. Дробиков, В.А. Лагутин. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2000. 864 с.
17. Миронова А.Н. Рациональная эксплуатация электротехнологических установок: учеб. пособие / А.Н. Миронова, И.А. Лавин. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2008. 210 с.
18 . Правила устройства электроустановок. 7-е изд. СПб.: ДЕАН, 2004.
19. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2003.
20. ГОСТ 1983-2001. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2003.
21. ГОСТ Р-52373-2005. Провода самонесущие изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи.
22. ТУ 16. К10-017-2003. Провода с защитной изоляцией для воздушных линий электропередачи напряжения 35 кВ / ОАО «Севкабель». 2003.
23. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для студентов высш. учеб. заведений / Б.И. Кудрин. 2-е изд. М.: Интермет Инжиниринг, 2006. 672 с. ил.
24. Кнорринг Г.М. Справочная книга для проектирования электрического освещения/ Г.М. Кнорринг, И.М. Фадин, В.Н. Си-доров. СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 288 с.
25. Свенчанский А.Д. Электротехнологические промышленные установки: учебник для вузов / И.П. Евтюкова, Л.С. Кацевич, Н.М. Некрасова, А.Д. Свенчанский; под ред. А.Д. Свенчанского. М.: Энергоатомиздат, 1982. 399 с. ил.
26. Милютин В.С. Источники питания для сварки: учеб. пособие / В.С. Милютин, В.А.Коротков. Челябинск: Металлургия Урала, 1999. 368 с.
27. Верещаго Е.Н. Схемотехника инвертоных источников питания для дуговой сварки: учеб. пособие / Е.Н. Верещаго, В.Ф. Квасницкий, Л.И. Мирошниченко, И.В. Пентегов. Николаев: УГМТУ, 2000. 283 с.
28. Макарова И.В. Сварочный трансформатор или инвертор, что дороже? // И.В. Макаров. Ритм. 2009. №8 (46). Окт. С. 27.
29. Специализированные каталоги группы компаний «Вебер Комеханикс». 2007. №2.
30. Львова Э.Л. Оценка вероятностных характеристик высших гармоник тока группы дуговых электропечей / Э.Л. Львова. Автоматизированные электротехнологические установки и системы. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1989. С. 29-34.
31. Львова Э.Л. Анализ гармонического состава процесса плавления группы ДСП / Э.Л. Львова. Межреспубликанский науч.-техн. семинар литейщиков «Современные технологические процессы получения высококачественных отливок, повышения стойкости литейной оснастки и режущего инструмента». Чебоксары, 1987. С. 72.
32. Львова Э.Л. Определение реактивной мощности дуговых сталеплавильных печей / Э.Л. Львова, Н.Б. Иоша, Г.А. Немцев. Промышленная энергетика. 1991. №5. С. 39-42.
33. Львова Э.Л. Обоснование и разработка метода расчета мощности компенсирующих устройств при резкопеременной нагрузке / Э.Л. Львова, Г.А. Немцев, В.П. Шуцкий // Международный симпозиум «Горная техника на пороге 21 века». М., 1996. С. 469-480.
34. Львова Э.Л. Вопросы компенсации реактивной мощности в сетях с дуговыми печами. / Э.Л. Львова, А.Н. Миронова // 8-я Междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. Тула: ТулГУ, 2012. С. 503 – 508.
35. Фишлер Я.Л. Преобразовательные трансформаторы / Я.Л. Фишлер, Р.Н. Урманов. М.: Энергия, 1974. 224 с.: ил.
36. Чунихин А.А . Аппараты высокого напряжения / А.А. Чунихин, М.А. Жаворонков. М.: Энергоатомиздат, 1985.
37. Свенчанский А.Д. Источники питания и высоковольтные выключатели электротермических установок / А.Д. Свенчанский, М.Д. Бершицкий // VIII Всесоюз. совещание по электротермии и электротермическому оборудованию (Чебоксары, 3-5 июля 1985): тез. докладов: М.: Информэлектро, 1985. С.147-148.
38. Электроборудование электротехнологических установок: метод. указания к курсовому проектированию / сост. А.Н. Миронова, Е.Ю.Смирнова; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2003. 64 с.
39. Вагин Г.Я. Электромагнитная совместимость дуговых печей и систем электроснабжения / Г.Я. Вагин, А.А. Севастьянов, С.Н. Юртаев // Тр. Нижегород. гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева. 2010. № 2 (81). С. 202 – 210.
40. Игнатов И.И. Математическое моделирование электрических режимов дуговой сталеплавильной печи / И.И. Игнатов, А.В. Хаинсон // Электричество. 1985. № 8.
41. Драгунов В.К. Современное развитие ЭЛС/ В.К. Драгунов, А.Л. Гончаров// Специализированный журнал. 2009. № 8 (46). С. 28-30.
42. Львова Э.Л. Эффективное применение компенсирующих устройств в условиях промышленных предприятий / Э.Л. Львова, А.Н. Миронова // Социально-экономическое развитие России: опыт, перспективы и инновации: сб. науч. тр. / под ред. профессора О.Г. Максимовой. Чебоксары: ЧИЭМ СПб ГПУ, 2009. С. 286-290, 305.
Чтоб измерять электрическую величину используют технические средства, которые имеют определенные метрологические характеристики. Их называют средствами измерения.
Измерительные установки и приборы, меры, измерительные преобразователи – это все относится к средствам измерения.
Для воспроизведения заданного значения физической величины используют меры.
Меры электрических величин – индуктивность, ЭДС, электрическое сопротивление, электрической емкость и т.д. Образцовыми называют меры высшего класса, по ним сверяют приборы и проводят градуировку шкал устройств.
Устройства, которые вырабатывают электрический сигнал в форме удобной для обработки, передачи, дальнейшего преобразования или хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию называют измерительными преобразователями. Для преобразования электрических величин в электрические относят: делители напряжения, шунты и т.д. Не электрических в электрические (датчики давления, энкодеры).
Если форма сигналов доступна для наблюдения – это измерительные приборы (вольтметры, амперметры и т.д.).
Совокупность измерительных приборов и преобразователей, мер, которые располагаются в одном месте и генерирует при измерении форму сигнала, удобную для наблюдению именуют измерительной установкой.
Все выше перечисленные средства можно рассортировать по следующим признакам: по способу регистрации и представления информации, ее виду и методу измерения.
По виду получаемой информации:
- Электрические (мощность, ток и т.д.);
- Не электрические (давление, скорость);
По методу измерения:
- Сравнение (компенсаторы, измерительные мосты);
- Непосредственная оценка (ваттметр, вольтметр);
По способу представления:
- Цифровые;
- Аналоговые (электронные или электромеханические);
Электроизмерительные приборы характеризуют такими основными показателями как: чувствительность, время установления показаний, надежность, погрешность, вариации показаний.
Самая большая разность показаний одного и того же устройства при одном и том же показании измеряемой величины называют вариацией показаний. Основная причина ее появления это трения в подвижных частях устройств.
Приращение перемещения указателя ∆а, относящееся к приращению измеряемой величины ∆х величают как чувствительность прибора S:
Если шкала устройства равномерна, то формула будет иметь вид:
Постоянная или цена деления прибора – обратная величина чувствительности С:
Равна она числу измеряемой величины на одно деление шкалы.
Потребляемая устройством из цепи мощность изменяет режим работы цепи. Это увеличивает вероятность появления погрешностей при измерении. Отсюда делаем вывод: чем меньше мощность, потребляемая из цепи, тем точнее прибор.
Время, за которое на дисплее (если приборы цифровые) или шкале (аналоговые), установится значение измеряемой величины после начала измерения – время установления показаний. Для аналоговых стрелочных устройств не должно превышать 4 секунды.
Сохранение заданных характеристик, точность показаний при установленных условиях работы и в течении заданного промежутка времени называют надежностью. Еще она характеризуется как среднее время исправной работы устройства.
Можно сделать вывод что при выборе измерительных устройств необходимо учитывать множество факторов, для корректной работы данных средств. Например, такие средства измерения как трансформаторы тока активно используются при измерении токов силовых линий, и не корректный выбор данных средств измерения может привести к авариям на линиях, вывода из строя дорогостоящего оборудования и остановки производства или отключением от питания целых городов.
Ниже вы можете посмотреть видео об основах метрологии и измерениях различных величин.
Измерение и контроль тока и напряжения в условиях агропромышленного производства – наиболее распространенный вид измерений электрических величин. В зависимости от рода, частоты и формы кривой тока применяют те или иные методы и средства измерений и контроля тока и напряжения. Ток и напряжение непосредственно измеряют электромеханическими и цифровыми амперметрами и вольтметрами со стрелочными или цифровыми отсчетными устройствами. Применение метода сравнения с мерой позволяет измерять величины с меньшими погрешностями, чем непосредственно.
Измерения в цепях постоянного тока. В условиях производства и при научных исследованиях возникает необходимость в измерении и контроле в установках постоянного тока от 10 –17 до 10 6 А и напряжений от 10 –7 до 10 8 В . Для этого используют различные средства.
Малые токи и напряжения измеряют непосредственно приборами высокой чувствительности - магнитоэлектрическими гальванометрами.
Постоянные токи не более 200 мА измеряютмагнитоэлектрическими миллиамперметрами.
Непосредственное измерение и контроль напряжений (до 600 В ) в установках постоянного тока осуществляют магнитоэлектрическими вольтметрами.
Для регистрации токов и напряжений в цепях постоянного тока используют самопишущие приборы.
Измерения в цепях синусоидального тока связаны с определением среднего (средневыпрямленного), действующего (среднего квадратичного) и амплитудного (максимального) значений тока и напряжения. Поскольку все эти значения связаны между собой коэффициентами формыилии амплитуды или, можно измерив одно из них, определить другие. Для измерения средних значений применяют электронные и цифровые приборы. Для измерения действующих значений тока (до 100А ) и напряжения (до 600В ) в цепях синусоидального токапромышленной частоты применяют в основном электромагнитные приборы. Для измерения тока и напряжения в установках сповышенными частотами (например, в установках с ручным инструментом) электромагнитные приборы не используют из-за больших погрешностей измерений. Для этого применяют тепловые, электронные и цифровые приборы.Мгновенные значения токов и напряжений различной формы и частоты регистрируют с помощью самопишущих приборов и электронно-лучевых осциллографов.
В трехфазных системах токи и напряжения измеряют теми же приборами, что и в однофазных цепях. В симметричной трехфазной системе для контроля линейных токов и напряжений можно использовать один амперметр или вольтметр. В несимметричных системах для контроля линейных напряжений часто применяют один вольтметр с переключателем.
Независимо от способа и применяемого
средства измерений и контроля тока и
напряжения результаты измерений содержат
погрешности, одна из составляющих
которых обусловлена потреблением
мощности измерительными приборами.
Так, при включении амперметра с
сопротивлением
в цепь с напряжениемU
по цепи протекает ток меньший, чем до
включения прибора. Если ток в цепи до
включения амперметра(здесь– сопротивление цепи без прибора), а
после его включения
,
то относительная погрешность измерения
тока
Поэтому для измерения тока следует выбирать амперметр с возможно меньшим сопротивлением, а для измерения напряжения – вольтметр с возможнобольшим сопротивлением. В этом случае погрешности измерений будут минимальными.
О влиянии метрологических свойств вольтметров на оценку качества напряжения можно судить по следующему примеру. Действующими для сельских электрических сетей нормами допускаются колебания напряжения на входе потребителя до 5 % от номинального. Если для измерения напряжения в сети 22011В (с учетом колебания) использовать вольтметр класса точности 1,5 с диапазоном измерений 0...250В , то он может показать 22014,75В , что превышает нормируемое колебание на1,7%.
«Ни одной точной науки,
ни одной прикладной науки
без измерений.
Новые средства измерений
знаменуют собой настоящий прогресс».
/акад. Якаби Б. С./
Лекция 1
1. Введение и задачи курса.
2. Общие сведения об измерениях и измерительной аппаратуре:
а) основные понятия и определения;
б) системы единиц, основные единицы системы СИ;
в) виды средств эл. измерений;
г) меры электрических величин;
д) классификация электрических измерительных приборов;
е) основные характеристики и параметры электрических измерительных приборов.
Введение
Познание окружающей нас действительности, изучения закономерностей явлений природы, развитие науки и техники неразрывно связано с измерениями.
«Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры». - писал Д. И. Менделеев.
Измерение, т. е. определение числового значения той или иной величины, играет исключительную роль в народном хозяйстве. Нет такой области науки и техники, нет такой отрасли промышленности или сельского хозяйства, где одним из решающих факторов не было бы измерение как таковое.
Научно-технический прогресс является центральной экономической и важной политической задачей нашей страны. Стержнем научно-технического прогресса является повышение производительности труда путем автоматизации производства, автоматизации управления и ускорения научных исследований с целью быстрейшего внедрения их производства.
Главная задача 10-ой пятилетки состоит в последовательном осуществлении курса КПСС на подъем материального и культурного уровня жизни народа на основе динамичного и пропорционального развития общественного производства и повышения его эффективности, ускорения научно-технического прогресса, роста производительности труда, всемирного улучшения качества работы во всех звеньев народного хозяйства.
Для решения этих задач предусматривается в промышленности...
Расширить выпуск прогрессивных, экономичных видов машин, оборудования и примеров для всех отраслей народного хозяйства.
Увеличить выпуск приборов и средств автоматизации в 1,6-1,7 раза, средств вычислительной техники в 1,8 раза.
Развивать производство... устройств регистрации и передачи информации для автоматизированных систем управления технологическими процессами и оптимального управления в отраслях народного хозяйства.
Расширить производство приборов для нужд сельского хозяйства.
Изучение явлений природы, отыскание законов, которым эти явления подчинены, и вообще всякие научные изыскания всегда связаны с измерениями, так как такие исследования сводятся в конечном итоге к определению количественных соотношений, через которые вскрываются и качественные стороны изучаемых явлений и предметов.
Совершенствование техники измерений, проявляющееся в повышение точности измерений и в создании новых методов и приборов, способствует определенным новым достижениям в науке.
Новые открытия в науке в свою очередь приводят к совершенствованию техники измерений, а также к созданию новых приборов.
Современная информационно-измерительная техника располагает совокупностью средств измерения около двухсот различных физических величин электрических, магнитных, тепловых, механических, световых, акустических и др.
Огромное количество различных величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, усиления сравнения, точного измерения.
Поэтому в развитии современной информационно-измерительной технике преобладающие значение приобретает развитие средств измерений электрических величин.
Уровень развития электроизмерительной техники в значительной степени определяет состояние технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства. 29.04.1745г. был представлен академиком Рихмоном общему собранию Петебуржской академии «Указатель электрической искры » - первый электроизмерительный прибор.
В настоящее время без качественной эл. измерительной техники невозможно проведение научных исследований на современном уровне, а также невозможно реализация потенциала современного парка ЭВМ, разработка и внедрение систем автоматизированного контроля и управления – основного средства технического прогресса и повышения производительности труда.
Электроизмерительные приборы и устройства широко применяются в промышленности при научных исследованиях, в космонавтике, на транспорте в системах связи и навигации, в геологоразведке, в гидрометеорологии и во многих других областях трудовой деятельности человека.
Это объясняется преимуществами, присущими электрическим измерениям, основными из которых являются:
1. Широкий диапазон измеряемых величин, характеризуемый 18-го разрядами (например, по напряжению от 10-14 до 106 В, по току от 10-9 до 106 А, по сопротивлению от 10-6 до 10-14 Ом);
2. Высокая чувствительность (например, по току 1*1012 мм/А, по напряжению 1·106 мм/В).
3. Высокая точность. Погрешность современных показывающих приборов доведена до 0,05%, а приборов сравнения – до 0,001%.
4. Возможность получать значение измеряемой величины не только в данный момент, но и записывать изменение ее во времени.
5. Осуществимость измерений на расстоянии (телеизмерения).
6. Возможность измерять неэлектрические величины электрическими методами.
7. Осуществимость автоматизации получения и обработки результатов измерения.
8. Возможность производить измерения без нарушения хода технологического процесса.
9. Возможность измерения как медленно так и быстро изменяющихся величин.
Выполнение величественных планов развития народного хозяйства 10-ой пятилетке, осуществление грандиозных строительств, ставят перед всеми отраслями советской промышленности новые задачи. Такие задачи стоят и перед электротехникой – в частности, и перед электроизмерительной техникой.
Увеличение выработки эл. энергии в стране к 1980 году до 1340-1380 млрд. кВт*ч, осуществление плана комплексной механизации и автоматизации производства потребуют создания качественно новых электроизмерительных приборов и устройств, замены устаревших приборов современными, основанными на новых принципах измерениях.
В настоящее время электроизмерительная техника интенсивно развивается в следующих направлениях:
а) повышение точности и быстродействия, расширение частичного диапазона, улучшение конструкции многообразных эл. измерительных приборов;
б) расширение номенклатуры и улучшение характеристик разнообразных измерительных преобразователей, широко применяемых при измерениях электрических и неэлектрических величин, а также в системах автоматического управления;
в) разработка и выпуск различных специализированных эл. измерительных установок, предназначенных для проверки эл. измерительных приборов, испытания ферромагнитных материалов и других целей;
г) выпуск и совершенствование ИИС, предназначенных для автоматического получения, передачи, обработки и представления в той или иной форме и в значениях измеряемых или контролируемых физических величин (ИИС – информационно-измерительной системы);
д) совершенствование и создание новых государственных эталонов единиц эл. величин, что обеспечивает повышение уровня точности эл. измерений.
Особую роль должны сыграть эл. измерения в электрификации с/х. Возрастающая с каждым годом автоматизация производственных процессов в животноводстве и полеводстве, внедрение эл. энергии в биологические процессы на базе общей электрификации с/х неразрывно связаны с развитием эл. измерительной техники.
В связи с автоматизацией управления и регулирования, которые все меры будут внедрять в с/х производство, значительно усложняются требования к эл. измерительной технике. Наличающийся постепенный переход к технологии поточного производства ив животноводстве и полеводстве выдвигает новые требования к технологическим измерениям, обеспечивающим высокую надежность работы и качества продукции.
Решение указанных задач сегодня требует, чтобы инженер с/х производства хорошо ориентировался в обширном круге вопросов, обладал серьезной технической эрудицией.
В частности, от инженера-электрика требуется глубокое знание теории и практики эл. измерений.
2. Общие сведения об измерениях и измерительной аппаратуре.
а) основные понятия и определения.
Количественная оценка свойств различных объектов измерения (исследования) осуществляется путем измерения физических величин, характеризующих указанные свойства.
Измерением называется познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путем измеряемой величины с некоторым ее значением, принятым за единицу.
В более широком смысле
Измерение – это процесс приема и преобразования информации об измеряемой величине для получения количественного результата ее сравнения с единицей измерения в форме, наиболее удобной для исследования.
Таким образом, измерение представляет собой процесс получения информации: после измерения мы узнаем о численном значении измеряемой величины, ее связях и соотношениях с другими величинами больше, чем мы знали до измерения.
Значит, измерение это экспериментальное сравнение измеряемой величины с другой однородной величиной, принятой и узаконенной в качестве единицы. Так как измерение представляет собой физический эксперимент, оно не может быть осуществлено умозрительно, абстрактно. Из этого следует, что для любого измерения необходимы узаконенная система единиц и технические средства ее осуществления.
Результатом измерения всегда является числовое значение измеряемой величины А, которое равно отношению измеряемой величины Аиз к единице измерения Х. Иными словами, числовое значение показывает, во сколько раз измеряемая величина больше или меньше единицы измерения.
Процесс измерения, следовательно, может быть записан так:
А= Аиз/Х, откуда Аиз= А·Х, т. е. «измеряемая величина Аиз составляет столько-то А единиц Х».
Последнее уравнение называется основным уравнением измерения.
б) система единиц. Основные единицы СИ.
Системой единиц называется совокупность основных и производных единиц измерения, охватывающих некоторую область измерений физических величин.
В СССР с 1 января 1963 года введен в действие ГОСТ 9867-61, которым рекомендуется применение СИ как предпочтительной во всех областях науки и технике, а также при преподавании.
Международная система единиц (СИ) построена на семи основных единицах двух дополнительных и 27 производных.
Основные единицы СИ.
Размер основных единиц устанавливается независимо от размеров других единиц.
Производные единицы – определяются уравнениями связи, выражающими математическую зависимость данной единицы от других единиц.
|
Наименование величины |
Единица измерения |
Сокращенное обозначение |
||
|
русское |
латинское |
|||
|
килограмм |
||||
|
Сила эл. тока |
||||
|
Термодинам. температуры |
||||
|
Сила света |
||||
|
Количество вещества |
моль |
|||
Дополнительные единицы
1. Радиан – угол между двумя радиусами круга, вырезающими на его окружности дугу, длина которой равна радиусу (единицы линейного угла).
2. Стерадиан – телесный угол, величина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной равной радиусу сферы (единицы телесного угла).
В измерительной практике очень часто пользуются кратными и дольными единицами. Они образуются путем умножения целых единиц на 10к, где к – целое число. При этом к наименованиям единиц прибавляют соответствующие приставки.
|
Дольность или кратность |
Наименование приставки |
Сокращенные обозначения (русское) |
Дольность или кратность |
Наименование приставки |
Сокращенное обозначение (русское) |
Виды средств электрических измерений.
Средствами электрических измерений называют технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства.
Различают следующие виды средств электрических измерений:
2. Электрические измерительные приборы.
3. Измерительные преобразователи.
4. Электроизмерительные установки.
5. Измерительные информационные системы (ИИС).
Мерами называют средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. (Вещественно воспроизведенная единица измерения).
Различают однозначные, многозначные меры и набор мер.
Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера.
Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера (конденсатор переменной емкости, вариометр индуктивности и др.).
Набор мер представляет собой специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера (магазин сопротивлений).
Электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, т. е. сигналов функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Меры электрических величин.
В практике электрических измерений в качестве мер широко используют меры э. д.с., электрических сопротивлений, индуктивности, взаимоиндуктивности и емкости.
Мера Э. Д.С. Образцовой мерой э. д.с. служит нормальный элемент, представляющий собой гальванический элемент, характеризующийся весьма стабильным значением, развиваемой им э. д.с. Э. Д.С. н. э. отличаются от 1 В, но она точно известна. Это достигается подбором составных частей элемента из строго определенных по химическому составу веществ, точной их дозировкой и строго однообразной конструкцией. При температуре 20оС э. д.с. насыщенного н. э. составляет 1.0185 – 1.0187 В, т. е. наиболее допустимое расхождение значений э. д.с. превосходит 200 мкВ. Н. Э. изготавливают двух типов: насыщенные и ненасыщенные, отличающиеся друг от друга конструкцией, электролитом и стабильностью развиваемой э. д.с. Ненасыщенные – имеют меньшее внутренние сопротивление (~300 Ом) и малый температурный коэффициент. При температуре от 10 до 40оС – не превышает 15 мкВ на 1оС. У насыщенных – температурный коэффициент в 4 раза больше э. д.с.
Н. Э. мало меняется во времени. Согласно ГОСТ 1954 – 64, допускается изменение э. д.с. насыщенного н. э. за год не более 50 – 100 мкВ.
В зависимости от точности определения э. д.с., ее стабильности н. э. подразделяются на классы.
Н. Э. не может быть использован как источник электрической энергии, его нельзя нагружать током, превышающим допустимые значения.
Меры электрического сопротивления выполняют в виде образцовых измерительных катушек сопротивления или измерительных магазинов сопротивления. Значение сопротивлений их 10±n Ом, где n – целое число.
Образцовые катушки снабжают двумя парами зажимов, два из которых называются токовыми и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными. Сопротивление между потенциальными зажимами равно сопротивлению образцовой катушки к потенциальным зажимам присоединяются провода, идущие к измерительной схеме.
К материалу, из которого изготавливаются катушки, предъявляются следующие требования:
1) возможно больше удельное сопротивление;
2) наименьшей температурный коэффициент и термо э. д.с. в паре с другими металлами;
3) устойчивость металла провода против окисления.
Этим требованиям лучше всего удовлетворяет манганин.
В зависимости от погрешности образцовых сопротивлений и других характеристик (изменение сопротивлений с течением времени, допустимой мощности и др.) образцовые сопротивления делятся на классы точности, для которых погрешности и другие характеристики нормируются соответствующими ГОСТ.
Меры индуктивности и взаимоиндуктивности.
Меры L и M выполняют в виде отельных катушек или магазинов. Образцовые катушки индуктивности и взаимной индуктивности обычно изготавливают в виде плоских катушек из изолированной тонкой проволоки, намотанной на каркас. Катушки должны обладать постоянство индуктивности, малым активным сопротивлением, независимостью индуктивности от величины тока и возможно малой зависимостью индуктивности от чистоты тока.
Для получения независимости L катушки от силы тока каркас катушки изготавливают из материала, М которого равна единицы и не зависит от магнитной индукции в нем (фарфор, мрамор, керамика, пластмассы, реже – дерево). Для обмоток выбирают многожильный провод (для уменьшения влияния частоты – уменьшают распределенную емкость).
Катушки взаимной индуктивности состоят из двух обмоток, жестко укрепленных на общем каркасе.
Мерами с переменными значениями L и М служат вариометры.
Меры емкости . Ими служат воздушные (не более 11000 пФ) или слюдяные конденсаторы постоянной и переменной емкости.
Образцовые меры емкости должны обладать постоянством емкости и малым ее температурным коэффициентом, весьма малыми потерями энергии в диэлектрике, независимостью емкости от частоты и формы кривой тока и высоким сопротивлением и прочностью изоляции.
Классификация мер и измерительных приборов.
Электрические измерительные приборы весьма разнообразны по принципу действия и конструктивному оформлению, вследствие различных требований, предъявляемых к ним.
Меры и измерительные приборы можно классифицировать по ряду признаков.
1. По функциональному признаку:
а) средства сбора, обработки и представления информации;
б) средства аттестации и проверки.
а) рабочие меры и измерительные приборы;
б) образцовые меры и измерительные приборы;
в) эталоны.
Эталон – это мера, воспроизводящая единицу измерения с наибольшей для данного исторического времени точностью.
2. По способу представления результатов измерения:
а) показывающие;
б) регистрирующие.
3. По методу измерения:
а) непосредственного отсчета;
б) сравнения.
4. По способу применения и по конструкции:
а) переносные;
б) стационарные.
5. По точности измерения:
а) измерительные;
б) индикаторы;
в) указатели.
6. По способу воспроизведения измеряемой величины:
а) аналоговые;
б) цифровые.
Аналоговые – электрические измерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями изменений измеряемой величины.
Цифровые – электрические измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы изменения информации, показания которых представлены в цифровой форме.
Современные технические устройства представляют собой совокупность большого числа так называемых «комплектующих изделий», объединенных электрическими, электронными, оптоэлектронными, механическими связями в узлы, блоки, системы, комплексы для решения тех или иных задач. Электронные автоматизированные системы управления и другие устройства могут включать в себя тысячи, десятки и даже сотни тысяч комплектующих изделий. При этом изменения параметров (свойств) одного или нескольких изделий влияют на качество функционирования других взаимодействующих, присоединенных изделий. Любое изделие имеет, к сожалению, не безграничный ресурс и срок службы. Его параметры с течением времени, раньше или позже, начинают изменяться постепенно, а иногда под влиянием внешних воздействий и скоротечно.
Наличие связей между элементами вызывает соответствующее изменение какого-то общего параметра совокупности соединенных комплектующих изделий. При некотором уровне изменения одного или нескольких параметров узел (блок, система, комплекс) теряет свою работоспособность. Чтобы предотвратить потерю работоспособности или восстановить утраченное качество технического устройства, необходимо количественно оценить его основные параметры или параметры его блоков, узлов, даже отдельных комплектующих изделий.
Параметры любых технических устройств, режимы их работы представляются наборами числовых значений совокупности физических величин (электрических, линейно-угловых, тепловых, оптических, акустических и др.). Значения физических величин в данный момент работы технического устройства объективно существуют, но неизвестны, если их не измерить. Следовательно, определение неизвестных числовых значений физических величин и является целью измерений.
Правильность определения значения измеряемой физической величины зависит от качества применяемых средств измерений, являющихся также техническими устройствами, способными измерить ту или иную физическую величину с заранее известной точностью.
В процессе эксплуатации радиоэлектронных комплексов, автоматизированных систем управления для поддержания работоспособности приходится периодически последовательно или одновременно измерять большое число физических величин со значительными пределами изменения в широком диапазоне частот. Прежде всего, практически в каждом сеансе работы сложного технического устройства необходимо контролировать соответствие значений физических величин установленным значениям или пределам (допускам). Подобный контроль параметров и характеристик для определения возможности нормального функционирования технических устройств, связанный с нахождением значений физических величин, называется измерительным. В ряде случаев нет необходимости определять (с заданной точностью) числовые значения физических величин: часто требуется фиксировать только наличие какого-либо сигнала или нахождение параметра в широком поле допуска (не меньше, не больше и т. д.). В таких случаях производится качественная оценка параметров технического устройства, а процесс оценки называется качественным контролем или просто контролем. При контроле часто применяют цветовую индикацию (цвет сигнала указывает оператору на соответствие параметра определенной границе). В ряде случаев для контроля применяют так называемые индикаторы - средства измерений с низкими точностными характеристиками.
Принципиальные различия между измерительным контролем и качественным заключается в следующем: в первом случае измеряемая физическая величина оценивается с заданной точностью и в широком диапазоне ее возможных значений (диапазоне измерений). Любое из полученных при измерении значений физической величины всегда вполне определенно и может быть сопоставлено с заданным значением; во втором случае оцениваемая физическая величина может принимать любое значение (в широком диапазоне ее возможных значений), которое является неопределенным, за исключением одного (или двух), когда значение физической величины становится равным верхней (нижней) границе поля допуска (этот момент сопровождается световым или другим сигналом). Если в качестве индикатора при контроле применяют средство измерений, то соответствующие значения физической величины получают вполне определенными, но без гарантии точности результата контроля, так как индикаторы не подлежат периодической поверке.