Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Основы технических измерений - файл лекции комплект.doc


Лекции - Основы технических измерений
скачать (136.1 kb.)

Доступные файлы (1):

лекции комплект.doc786kb.09.03.2009 17:28скачать

содержание

лекции комплект.doc

  1   2   3
Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»
КАФЕДРА АВТОМАТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

УТВЕРЖДАЮ
Проректор
по инновационному образованию
_______________ Ребрин О.И.
“____”_______________2008 г.
основы технических измерений
Конспект лекций

Рекомендован Методическим Советом ГОУ ВПО УГТУ-УПИ

для подготовки бакалавров

по направлению подготовки бакалавров и магистров

550200 (220200) – Автоматизация и управление



^ Укрупненная группа по ОКСО

Направление, специальность

Квалификация

550200

(220200)

Автоматизация

и управление

550201

Управление

в технических системах

62

бакалавр техники и технологий

Екатеринбург 2008

Конспект лекций составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и учебным планом бакалавриата по направлению подготовки 550200 (220200) – Автоматизация и управление (регистрационный номер 24 тех/бак от 10.03.2000 г.), утвержденному приказом Министерства образования Российской Федерации № 686 от 02.03.2000 г., профилю 550201 – Управление в технических системах.

Конспект лекций составлен авторами:


 

Фамилия

Имя

Отчество

Уч. звание

Уч. степень

Должность

Кафедра

1

Секисов

Юрий

Николаевич

доцент

канд. физ-мат. наук

доцент

автоматики
и управления
в технических системах

2

Паутов

Валентин

Иванович

доцент

Канд.техн. наук

доцент

автоматики
и управления
в технических системах



Конспект лекций одобрен на заседании кафедры:


 

Наименование кафедры

Дата

заседания

Номер протокола

Решение

кафедры

ФИО

зав. кафедрой

Подпись

1

автоматики и управления в технических системах

05

июня

2008 г.

6

одобрить,

рекомендовать
к использованию
в учебном

процессе

Лисиенко В.Г.

 


Конспект лекций одобрен на заседании Методической комиссии

Радиотехнического института – РТФ

«» 2008 г., протокол №

Председатель Методической комиссии Д.В. Астрецов

^ АННОТАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина ОПД.Р.01 – «Основы технических измерений» посвящена изучению методов и приемов проведения радио- и электротехнических измерений, изучению измерительных приборов, приобретению опыта работы с электротехническими цепями и схемами.

Редактор Ю.Н. Чесноков канд. техн. наук, доц., доц. каф. АУТС.

Оглавление

№ п/п

Наименование

страница

1

Лекция 1

Измерение силы постоянного тока

Устройство амперметра постоянного тока

Организация измерительного процесса

4

5

5

7

2

Лекция 2

Измерение постоянного тока

Многопредельные амперметры

Измерение переменного тока

Амперметр магнитоэлектрической системы

Амперметр переменного тока с преобразованием в постоянный

9

9

9

10

10

11

3

Лекция 3

Измерение электрических напряжений

Измерение электрических сопротивлений

Основные причины возникновения погрешностей

Методы измерения сопротивлений (метод амперметра и вольтметра)

Модификация метода амперметра и вольтметра

15

15

16

16
17
18

4

Лекция 4

Измерение сопротивлений

Мостовые методы измерения сопротивлений

Измерение малых сопротивлений

Измерение комплексных сопротивлений

20

20

20

21

23

5

Лекция 5

Электронные измерительные приборы

Структура электронных измерительных приборов

Электронные приборы бесконтактного измерения тока (токовые клещи)

Амперметр на базе датчика Холла

25

25

25
26
27

6

Лекция 6

Измерение электрических сигналов с помощью осциллографа

31

31

7

Лекция7

Электронные приборы

Генераторы

Основные требования, предъявляемые к генераторам

Функциональная схема генератора

37

37

37

37
38

8

Лекция 8

Электронные измерительные приборы

Измерение частоты

Электронные вольтметры

Вольтметр переменного тока

Цифровой вольтметр постоянного тока

Многофункциональные электронные приборы

42

42

42

44

44

45

46

-3-

Лекция 1

Введение

Измерение – процесс количественной оценки материальных объектов, их свойств, или параметров процесса, или физического явления.

Проблема измерения возникла в давние времена с появлением товарообмена. Одновременно с ним появились первые эталоны мер длины. Такими эталонами могли служить части тела (локоть, стопа, И т. д.). Позднее на смену примитивным эталонам пришли другие эталоны (аршин, фут, метр).

Развитие международной торговли потребовало создания международных мер длины и эталонов других физических величин.

Под эталоном подразумевается объект или физический процесс, пригодный для воспроизведения меры, признанной единицей измерения.

В виде материальных объектов могут быть изготовлены эталон длины – метр, эталон массы – килограмм. Другие физические величины, как правило, воспроизводятся с помощью физических опытов и расчетов.

Воспроизводство эталонов требует значительных экономических затрат, поэтому в практике технических измерений используются вторичные эталоны. Эти вторичные эталоны воспроизводят первичный эталон с некоторой погрешностью. По величине погрешности вторичные эталоны разбиваются на классы.

Класс точности измерительного эталона (прибора) равен доле полной величины эталонной меры (полной шкалы измерительного прибора) выраженной в процентах. Класс точности характеризует относительную ошибку измерения.

В данном курсе мы познакомимся с приборами для измерения электрических величин, таких как: - электрический ток, электрическое напряжение, электрическое сопротивление. При выполнении электрических измерений, в большинстве случаев достаточно использовать приборы с классом точности 1. Первый класс измерительного прибора обеспечивает измерение электрической величины с ошибкой 1% от предельного показания прибора (шкалы).

При выборе измерительного прибора для выполнения работы по наладке электронной аппаратуры следует руководствоваться следующими правилами:

- погрешность измерительного прибора не должна превышать допустимой погрешности, указанной в технической документации на настраиваемый прибор.

-значение измеряемой величины должно приходиться на середину шкалы измерительного прибора.

В производственных условиях использование приборов завышенного класса точности экономически не оправдано, правильный выбор измерительных приборов может дать ощутимый экономический эффект. Достоверные результаты измерений получаются только при использовании проверенных приборов, соответствующих указанному на них классу. Все приборы должны быть аттестованы и, подвергаться периодической поверке.

^ Аттестация прибора: - сравнение прибора с эталонными измерительными приборами проводится Государственными метрологическими службами и заключается в проверке работоспособности и точности измерений. Устанавливается основная погрешность измерений в « Нормальных условиях», а также дополнительные погрешности, возникающие при работе в условиях указанных в «Технических условиях» на данный измерительный прибор. Порядок и сроки аттестации нормируются системой Государственных стандартов. Методики аттестации также определяются Стандартами.

^ Поверка приборов: - это проверка работоспособности и точности измерительного

-4-

прибора силами метрологической службы предприятия, использующего приборы. Проводится в сроки определяемые предприятием, по стандартизованным методикам, согласованным с Государственными метрологическими службами. Во время поверки результаты измерений поверяемого прибора сравниваются с показаниями измерительного прибора, имеющего класс точности на порядок выше.
^ Измерение силы постоянного тока

Для измерения силы постоянного тока применяются стрелочные и электронные цифровые приборы. Они относятся к классу амперметров (независимо от пределов измерения). С учетом диапазона измеряемой силы тока к названию амперметр добавляется приставка:

– микро- измеряется сила тока кратная 10-6А,

- милли – измеряется сила тока кратная 10-3А,

- кило - измеряется сила тока кратная 103А.

^ Устройство стрелочного амперметра постоянного тока.

Работа амперметра основана на взаимодействии постоянного тока с постоянным однородным электрическим полем. Магнитное поле создается магнитной системой в кольцевом зазоре. Схема магнитной цепи приведена на рисунке 1.



Рис.1. Схема магнитной цепи амперметра постоянного тока. (1 – магнитомягкая вставка, 2 – постоянный магнит).

П
остоянный магнит создает магнитный поток, замыкающийся через магнитомягкую вставку. Вставка обеспечивает минимальные потери магнитного потока и формирует однородное поле в зазоре. Направление магнитных силовых линий в зазоре показано на рис.2.

Рис.2. Магнитная система амперметра (вид сверху).

-5-

Силовые линии магнитного поля в кольцевом зазоре всегда направлены по нормали к поверхностям магнитных полюсов и магнитомягкой вставки. В кольцевом зазоре магнитной системы размещается рамка с намотанной на ней катушкой проводника, содержащая n витков. Система крепления рамки показана на Рис.3. Рамка с катушкой 1 закреплена в зазоре магнитной системы амперметра с помощью пружинных элементов 2, механически связанных, но электрически изолированных от корпуса прибора. На рамке жестко закреплена стрелка 3 прибора. Катушка гибкими проводниками связана с зажимами «+» «-», служащими для включения прибора в электрическую цепь. Такое устройство обеспечивает протекание электрического тока только по измерительной катушке. Проводники, соединяющие рамку 1 с зажимами «+»,«-» не препятствуют вращению рамки.

П
ри включении амперметра в электрическую цепь по катушке протекает электрический ток, а так как катушка находится в магнитном поле, то на проводник с током действует сила Лоренца. Сила действует только на проводники находящиеся в зазоре магнитной системы. Величину этой силы можно вычислить используя формулу

Где ^ I –сила тока в проводнике А., В – индукция магнитного поля в зазоре, l –длина активной части проводника, n – число витков в катушке. Размеры катушки показаны на Рис.4

Р
ис. 4. Эскиз рамки.

Сила Лоренца действует на каждую из активных частей проводника, находящихся в

магнитном зазоре. Направления силы по разную сторону от оси вращения

6

противоположно. Под действием этих сил катушка стремится повернуться в сторону, определяемую правилом левой руки. Силы создают вращающий момент, равный



- где D=2R..

Повороту катушки препятствуют пружины, поддерживающие катушку. Момент Мп, создаваемый пружиной при изменении ее углового положения определяется выражением



- где - угол поворота рамки.

Взаимодействие моментов, созданных протекающим током и возникающим при повороте рамки упругой силой пружин, поворачивает рамку на угол, при котором моменты уравниваются. При этом можно записать равенство моментов



Выразим отсюда силу тока



Обозначим выражение, стоящее в правой части перед сомножителем -, как – С, получим выражение для силы тока в виде

I=C

Постоянная – ^ С - содержит только конструктивные параметры амперметра, и не зависит от силы тока, отсюда видно, что шкала измерительного прибора является линейной. Зависимость между током и углом поворота рамки линейная.

Константа - С - называется «постоянной прибора».



Постоянная прибора численно равна току, при котором отклонение прибора равно единице угла отклонения от положения равновесия при токе равном нулю. Измерив угол поворота рамки при известном тока можно проградуировать всю шкалу прибора.

Чувствительность прибора определяется значением ^ С . Чем меньше величина С, те м меньшие значения тока можно измерять. Выражение константы – С



позволяет провести простейший анализ чувствительности прибора от элементов конструкции. Чувствительность возрастает:

- при увеличении магнитной индукции в зазоре,

- с ростом геометрических размеров рамки,

- при увеличении числа витков измерительной катушки,

- при использовании пружин малой жесткости.

Перечисленные методы повышения чувствительности приводят к увеличению габаритов прибора, кроме того, накладываются и другие ограничении технологического плана. Для переносных измерительных приборов важно иметь малые габариты вес амперметров.
^ Организация измерительного процесса.

Для измерения силы тока в любой электрической цепи необходимо разорвать эту цепь и включить амперметр в этот разрыв. Все перечисленные действия выполняются при

-7-

отключенных источниках напряжения или тока. После включения источников напряжения производится измерение силы тока. Включение амперметра в электрическую цепь вносит дополнительное электрическое сопротивление. Полученный результат будет отличаться от реального значения тока. Ошибка измерения зависит от величины электрического сопротивления, а не только от класса точности измерительного прибора. Рассмотрим на римере цепи, показанной на Рис.5.

На рис.5. амперметр представлен идеальным измерительным прибором ^ А, и сопротивлением r. Сопротивление r равно по величине омическому сопротивлению катушки амперметра и соединительных элементов. Сопротивление R – сопротивление нагрузки. Е – источник напряжения.

Предположим, что сопротивление нагрузки ^ R – равно - 0,1 Ом, сопротивление амперметра r – равно 0,01 Ом. В этом случае сопротивление нагрузки много больше, чем сопротивление измерительного прибора, и можно ожидать, что результат измерения буде достаточно точным. Рассчитаем относительную ошибку измерения. До включения измерительного прибора сопротивление цепи R равно 0,1 Ом, после включения амперметра в цепь сопротивление цепи равно R + r =0,11 Ом. Относительное изменение сопротивления цепи составит .

Р
ис.5. Схема электрическая принципиальная измерения силы тока в электрической цепи (пунктиром показана эквивалентная схема амперметра, сплошной линией сема электрической цепи в которой измеряется ток).

Рассмотренный пример показывает, что точность измерения зависит от правильного выбора измерительного прибора для каждого случая измерений. Основное требование при измерении силы тока – включение амперметра в цепь не должно существенно влиять на электрические режимы в исследуемой цепи

^ Мы ознакомились с основными понятиями науки метрологии такими как:

- измерение,

- эталон,

- единица измерения.

- шкала прибора,

- класс точности измерительного прибора,

- правила выбора диапазона измерительного прибора для конкретного измерения.

- поверка и аттестация приборов.

Ознакомились с принципом действия амперметра постоянного тока,

- оценкой постоянной прибора,

- оценкой чувствительности прибора,

- электрической схемой включения прибора в цепь для измерения силы тока в этой цепи.

^ Основная литература

  1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы технических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008. Электронная версия.

-8-

Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. Учебник для студентов вузов./ М.: Высш. шк., 2002.

  1. Миронов Э.Г. Основы метрологии. Учеб.пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2000.

  2. Лившиц Н.С., Телешевский Б.Е. Радиотехнические измерения. М., Высш. Шк., 1992.

  3. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов./ Под ред. Е.М.Душина. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

  4. Миронов Э.Г. Погрешности измерений: Учеб.пособие. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 1994.


Лекция 2

Тема – Измерение постоянного тока

Многопредельные амперметры.

При проведении отладочных работ сложной аппаратуры часто возникает потребность измерять силу тока в нескольких диапазонах значений, не перекрываемых шкалой одного прибора. Использование нескольких измерительных приборов, в этом случае неудобно. Это неудобство устраняется при использовании многопредельных амперметров.

Многопредельный амперметр получается из однопредельного, путем введения дополнительных элементов, позволяющих изменять постоянную прибора -с, или ответвляющих часть тока в дополнительный элемент. Элемент, по которому пропускается часть тока, называется шунтом. Схема подключения шунтирующих элементов показана на Рис. 1.



Рис.1. Схема подключения шунта к амперметру.

(Rпр – активное сопротивление измерительной катушки амперметра, Rш – сопротивление шунтирующего элемента, А – идеализированный амперметр).

Измеряемый ток – IX, согласно с законом Кирхгофа, разветвляется на два тока: -IПР – ток прибора, и, IШ – ток шунта. Распределение токов по ветвям новой цепи диктуется выбором значений омических сопротивлений включенных в каждую из них.

Допустим, что нам необходимо измерить ток IX в 10 раз, превышающий предельное значение тока, указанное на шкале амперметра IX =10IПР. Для этого необходимо выбрать сопротивление шунта таким, чтобы удовлетворить решению уравнения 10IПР = IПР + IШ, отсюда

-9-

IШ =9 IПР. Падения напряжения на приборе и шунте равны друг другу, поэтому можно записать ; . Сопротивление прибора - RПР –известно, Можно определить сопротивление шунта RШ. . Видим, что для расширения шкалы прибора в 10 раз, необходимо зашунтировать прибор сопротивлением в 9 раз меньшим, чем собственное сопротивление амперметра.

Включение дополнительных элементов в измерительную цепь вносит дополнительную погрешность в результаты измерений. Оценим эту погрешность. Погрешности, амперметра и шунта аддитивно суммируются, следовательно , отсюда, для получения многопредельного амперметра высокого класса точности шунтирующий резистор должен быть выполнен с малой погрешностью. При серийном производстве многопредельных амперметров необходимо выбирать резисторы не только с малым отклонением номинального значения, но и с малым разбросом значений сопротивления в партии резисторов.

Особое внимание необходимо обращать, при включении амперметров в электрическую цепь, на качественное выполнение соединений прибора с элементами электрической цепи. Высокое сопротивление в местах соединений является дополнительным нагрузочным элементом, включенным последовательно с сопротивлением нагрузки источника питания цепи. Причинами высоких переходных сопротивлений могут являться : - загрязнения контактных площадок, окисные пленки, недопустимые контактные пары, малое усилие сжатия контактных элементов.

Тема: - Измерение переменного тока.

Амперметр магнитоэлектрической системы

Рассмотренный нами амперметр постоянного тока не годится для измерения переменного тока, так как сила Лоренца, действующая на проводник с переменным током, изменяет свое направление вместе с изменением направления тока.

Для построения амперметра переменного тока используется принцип взаимодействия магнитного поля, наведенного током, протекающим по измерительной катушке, с магнитным полем, наведенным в магнитомягком материале. Схематическое устройство такого амперметра показано на Рис.2.


Рис.2. Устройство амперметра электромагнитной системы.

(W – измерительная катушка амперметра, 1 – магнитомягкий сердечник, 2 – стрелка амперметра, 3 – шкала прибора, 4 – ось вращения стрелки). Не показаны на рисунке пружина, создающая противодействующий момент и устройство гашения колебаний – демпфер.

-10-

При включении измерительной катушки в цепь переменного тока в ней создается переменное магнитное поле. Магнитное поле намагничивает сердечник из магнитомягкого материала, сердечник притягивается к катушке (втягивается в нее). Повороту стрелки противодействует связанная со стрелкой пружина. Так как под влиянием силы притяжения магнитомягкого сердечника изменяется только угловое положение стрелки прибора, то вращающий момент, создаваемый электрическим током можно определить через электромагнитную энергию системы с индуктивным элементом WЭ.

(1)

Вращающий момент М связан с энергией индуктивной системы выражением - (2)

Подставляем выражение (1) в уравнение (2), получим При измерении переменного тока электрический вращающий момент пульсирует по величине, но не изменяет знака.

Для вращающего момента пружины можно записать . Поворот стрелки завершится, когда МЭ будет равен моменту создаваемому пружиной МЭ=МП , отсюда получаем зависимость угла поворота стрелки от силы тока.



Полученная зависимость угла поворота от силы тока близка к квадратичной, что нежелательно. Подбором параметра добиваются почти линейной шкалы прибора, для токов превышающих ~20% максимального значения шкалы амперметра. Амперметры электромагнитной системы наиболее часто используются в стационарных условиях, там, где необходимо постоянно контролировать силу тока в цепи, они могут измерять как переменный, так и постоянный ток. Изменение пределов с помощью шунтов не допускается, это приводит к сильному снижению класса точности амперметров. Расширение возможно с использованием трансформаторов тока.
^ Амперметры переменного тока с преобразованием в постоянный

Для выполнения измерений в процессе отладки аппаратуры удобно совмещать в одном приборе амперметры постоянного и переменного тока. В основе такого амперметра лежит амперметр магнитоэлектрической системы с преобразованием переменного тока в постоянный. Преобразование выполняется выпрямителем переменного тока на базе полупроводниковых диодов. Схема амперметра переменного тока с однополупериодным выпрямителем приведена на Рис.3.


-11-



Рис.3. Схема электрическая принципиальная амперметра переменного тока с однополупериодным выпрямителем (R1 – токоограничивающее сопротивление, R2 – сопротивление ограничивающее обратный ток диода Д2, Д1,Д2 – выпрямительные диоды, А – идеализированный амперметр)

При включении амперметра в электрическую цепь, на зажимы А ,Б подается переменное напряжение. Ток Iпр по цепи (Д1, А) – протекает только в том полупериоде переменного напряжения, когда потенциал зажима А выше потенциала зажима Б, в этом случае диод Д1 включен в проводящем направлении. При смене полярности на зажимах А и Б, диод Д1 запирается (не пропускает электрический ток), диод Д2 отпирается, то есть пропускает электрический ток – Iобр. Отношение этих токов называется коэффициентом выпрямления k.



Сопротивления Rпр и Rобр – сопротивление диода в прямом и обратном включении приложенного напряжения.

Полупроводниковый диод является нелинейным элементом, это означает, что зависимость тока через диод не подчиняется закону Ома. Вольт – амперная характеристика диода I = f(U) приведена на Рис. 4.
-12-





Рис.4. Вольт – амперная характеристика диода

В области прямого включения диода потенциал анода выше потенциала катоде (показано на рисунке в правой полуплоскости). Сопротивление диода уменьшается с ростом приложенного напряжения, и, когда оно достигает значения равного UОТП , сопротивление диода падает. При напряжениях выше напряжения отпирания UОТП , характеристика диода приближается к линейной. В этом случае можно записать для напряжений U>> UОТП .

В области обратного включения диода (левая полуплоскость) потенциал анода ниже потенциала катода. Сопротивление диода велико, и, обратный ток подчиняется закону Ома, при обратных токах значительно превышающих тепловой ток диода. - при I >> IТЕПЛ.

В амперметрах переменного тока с однополупериодным выпрямителем через амперметр протекает пульсирующий ток. Вращающий момент создаваемый рамкой при протекании пульсирующего тока можно записать

,

где: - ^ B-индукция магнитного поля в зазоре, -W – число витков измерительной катушки,- S – площадь рамки, - i – текущее значение тока. Для синусоидального тока текущее значение выражается формулой:

i= ImSint.

Угол поворота рамки - пропорционален вращающему моменту (без учета момента, развиваемого пружиной). Среднее значение угла поворота рамки можно вычислить подставив в формулу вращающего момента среднее значение тока.

После вычисления интеграла получаем



-13-

При использовании двухполупериодного выпрямителя в конструкции амперметра постоянного тока средний вращающий момент удваивается.

Схема амперметра переменного тока с двухполупериолным выпрямителем показана на Рис.5.

Р
ис.5. Включение амперметра постоянного тока в схему выпрямительного моста для измерения переменного тока.

Приведенные выше формулы позволяют оценить среднее значение тока, для практических целей нужно знать действующее значение, действующее значение связано со средним коэффициентом формы измеряемой величины. Так как Kf =,то, подставив это выражение в формулу для угла поворота рамки, получим

.

Видим, что шкала прибора градуируется только для токов одной формы, для измерения силы тока другой формы необходимо брать прибор с другой шкалой.

^ В лекции рассмотрены вопросы:

- расширение пределов измерения амперметра постоянного тока, и превращение его в многопредельный амперметр,

- устройство и принцип действия амперметра магнитоэлектрической системы,

- оценка чувствительности амперметра,

- схемы амперметров переменного тока с преобразованием рода тока,

- влияние формы электрического сигнала на результат измерений.

Основная литература

  1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы электрических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008. Электронная версия.

  2. Гусев В.Г. Гусев Ю.Н. Электроника и микропроцессорная техника. М. ВШ.2005.

  3. Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. Учебник для студентов вузов./ М.: Высш. шк., 2002.

  4. Лившиц Н.С., Телешевский Б.Е. Радиотехнические измерения. М., Высш. Шк., 1992.

  5. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов./ Под ред. Е.М.Душина. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

  6. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб.пособие для вузов. / Под ред. Н.Н.Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990.


-14-

ЛЕКЦИЯ 3

  1   2   3



Скачать файл (136.1 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации