Краткая теория. 1. Погрешности измерительных приборов.

1. Погрешности измерительных приборов.

Электрические измерения производятся двумя методами: метод непосредственной оценки, когда измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора, и метод сравнения, связанный со сравнением измеряемой величины с эталоном или образцовой мерой. При измерении неизвестной величины параметра возникает некоторая погрешность. Различают три вида погрешностей измерений: абсолютная, относительная, приведённая.

· Абсолютная погрешность измерения определяется как разность между результатом измерения А_И и действительным значением измеряемой величины А _∆ А = А_И – А,

· Относительная погрешность измерения δ ═ ,

· Приведённая погрешность измерения γ = 100%,

где А_max – максимальное значение шкалы прибора.

Наибольшая приведённая погрешность определяет класс точности прибора.

Если, например, класс точности вольтметра со шкалой 0…500В равен 1,

то γ = ± 1%, а _∆ А = γ А _max = .

2. Измерение тока и напряжения.

Для измерения токов (амперметры) и напряжений (вольтметры)

применяются в основном приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.

Амперметры включаются в электрическую цепь последовательно с потребителями электрической энергии, и их внутреннее сопротивление имеет относительно малую величину.

Вольтметры включаются параллельно потребителям электрической энергии, и их внутреннее сопротивление имеет относительно большую величину.

Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии постоянного магнитного поля, создаваемого подковообразным сильным магнитом, с током подвижной рамки, состоящей из медной проволоки. Относительно оси рамки создаётся вращающий момент М_ВР,

М_ВР = BwsI_К,

где B – магнитная индукция [Тл],

w – число витков обмотки,

s – площадь рамки [мм²],

I_К – ток в рамке [A].

Эти постоянные величины для данного прибора обозначим постоянной величиной К_ВР, тогда: М_ВР=К_ВРI_K,

где К _ВР – коэффициент, определяемый параметрами прибора, когда противодействующий момент создаётся пружинами М_ПР=К_ПР ,

где - угол поворота подвижной рамки.

Приборы этой системы имеют следующие достоинства:

· высокая чувствительность;

· равномерная шкала;

· малое собственное потребление энергии;

· малая зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей.

Недостатки:

· относительно сложное устройство;

· большая чувствительность к механическим и электрическим ударным нагрузкам;

· использование только в электрических цепях постоянного тока;

· для включения в цепь переменного тока в прибор требуется установить выпрямитель на полупроводниках, а это усложняет и удорожает прибор.

Приборы электромагнитной системы работают на принципе взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки с током подвижного сердечника в форме лепестка из магнитомягкого ферромагнитного материала. Вращающий момент такой системы М_ВР = К_ВР I²_K и М_ПР = К_ПР α.

Направление М_{В Р} в этой системе не зависит от направления тока, поэтому приборы этой системы можно использовать в цепях переменного и постоянного токов.

Достоинства:

· простота устройства;

· относительно низкая стоимость;

· устойчивость против электрических и механических перегрузок;

· широко применяются в качестве технических щитовых приборов.

Недостатки:

· неравномерная шкала;

· отрицательное влияние на точность прибора потерь на гистерезис и вихревые токи в сердечнике;

· значительное влияние внешних магнитных полей на показание приборов, необходимо применять экранирование;

· относительно большое потребление энергии.

В электрических цепях переменного тока для измерения больших токов и напряжений применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения, которые кроме того в электрических сетях высокого напряжения обеспечивают электробезопасность обслуживающего персонала.

3. Измерение мощности и энергии.

Для измерения мощности, электрической энергии применяют приборы электродинамической и ферродинамической системы.

Принцип действия измерительного механизма электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей, образованных переменными токами неподвижной катушки и подвижной катушки.

Недостатки:

· значительное собственное потребление энергии;

· подвержены воздействию внешних магнитных полей;

· необходимо применять экранирование.

Достоинство – большая точность измерений в цепях постоянного и

переменного токов.

Ферродинамические приборы в отличие от электродинамических приборов имеют магнитопровод неподвижной катушки, что позволяет повысить вращающий момент. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод изготовлен из тонких листов электротехнической стали или из ферромагнитного порошка с электроизоляционным наполнителем.

Неподвижная катушка включается в электрическую цепь последовательно, а подвижная катушка параллельно (рис. 1.1).

Две клеммы I^* и U^* соединяют перемычкой и включают в цепь со стороны источника питания (генераторные зажимы).

Ток неподвижной катушки I₁=I, т.е. равен току в последовательной цепи ваттметра, который равен току нагрузки.

Рис. 1.1 Ток подвижной катушки равен току в параллельной цепи ваттметра I₂ = ,

где U – напряжение источника питания,

R_U – внутреннее сопротивление параллельной обмотки,

R - добавочное сопротивление параллельной обмотки (рис. 1.1).

В цепи постоянного тока М_ВР = К_ВР Р,

где Р – мощность цепи постоянного тока.

В цепи переменного тока М_ВР = К_ВР UI cos φ или М_ВР = К_ВР Р,

т.е. М_ВР - пропорционален активной мощности.

Равенство М_ВР = М_ПР позволяет получить зависимость пропорционально углу поворота стрелки прибора от величины измеряемой мощности Ð @ Р.

В трёхфазной цепи при равномерной нагрузке мощность измеряют одним ваттметром в одной фазе, общая мощность Р_3Ф = 3Р_1Ф.

При неравномерной нагрузке применяют схему с двумя одноэлементными ваттметрами.

В четырёхпроводной трёхфазной цепи можно применить одновременно три ваттметра или один трёхэлементный ваттметр, в котором конструктивно объединены три измерительных элемента, а подвижные их части находятся на общей оси.

Кроме ваттметров такие же системы используются в фазометрах – приборах для измерения коэффициента мощности - cos φ.

4. Учёт расхода электрической энергии. Индукционный счётчик. Принцип действия индукционного измерительного механизма основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками в подвижной части прибора обычно в виде диска. Имеется два независимых магнитопровода, магнитные потоки которых Ф₁ и Ф₂, возбуждаемые токами I₁ и I₂ и сдвинутые по фазе, пересекают диск, индуцируя в нём ЭДС Е₁ и Е₂, отстающие от потоков на угол , а токи совпадают по фазе с индуктированными ЭДС, т.к. индуктивное сопротивление мало.

Такой прибор может работать только в цепях переменного тока. В конструктивную систему прибора кроме двух электромагнитов и алюминиевого диска входит постоянный магнит.

Вращающий момент создаётся в результате действия переменного магнитного потока первого электромагнита на ток, индуктируемый магнитным полем второго электромагнита, и наоборот. Вращающий момент пропорционален активной мощности цепи М_ВР = К_ВР UI cos φ = K _ВР P. Под действием этого момента диск вращается. Край алюминиевого диска входит в зазор постоянного магнита, который создаёт электромагнитные силы, направленные против вращения. Величина тормозного момента пропорциональна частоте вращения диска n М_Т = К_Т n. При равенстве М_ВР = М_Т,

получается зависимость P t = W = C N,

где W [кВт× час] – энергия, израсходованная в цепи,

С - действительная постоянная счётчика,

N – число оборотов диска счётчика, t – время.

Для измерения расхода электроэнергии нужно считать количество оборотов диска, что выполняет специальный счётный механизм, который позволяет читать на цифровом указателе расход электроэнергии в кВт× час.

Для измерения расхода электроэнергии в трёхфазных цепях применяют трёхфазные двухэлементные счётчики.