Практическая работа №1
Измерительные приборы
Цель: получить навыки работы с измерительными приборами
Общие свойства приборов.
В процессах измерения применяется различная измерительная аппаратура.
Измерительной аппаратурой называется совокупность всех технических средств, которыми осуществляется сравнение измеряемой величины с единицей измерения или мерой.
В комплекс измерительной аппаратуры входят меры и измерительные приборы.
К мерам относятся технические средства, служащие для конкретного воспроизведения единицы измерения или определенного, наперед установленного, размера.
Измерительным прибором называется устройство, посредством которого осуществляется прямое или косвенное сравнение измеряемой величины с единицей измерения.
Погрешность. Погрешностью прибора называется разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины. Погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины, называется абсолютной погрешностью. Кроме абсолютной погрешности, существует относительная и приведенная погрешности.
Относительная погрешность есть отношение абсолютной погрешности к измеряемой величине, выраженное в процентах. Наибольшая величина погрешности, допускаемая для данного прибора, определяет класс точности прибора.
Приведенной погрешностью называют отношение максимальной абсолютной погрешности прибора в любой точке его шкалы к верхнему пределу измерения.
Поправка — разность между действительными и измеренными значениями величины или она равна погрешности, взятой с обратным знаком.
Точность измерительного прибора — степень достоверности результата измерения, полученного при помощи данного измерительного прибора, т. е. величина отклонения показания прибора от действительного значения измеряемой величины. Точность прибора характеризуется погрешностью: чем меньше абсолютная величина погрешности, тем больше точность измерительного прибора.
Чувствительность измерительного прибора — отношение линейного или углового перемещения указателя (стрелки и связанной с ней подвижной части прибора) к изменению значения измеряемой величины, вызвавшему это перемещение:
где S — чувствительность прибора; Δa — угловое или линейное перемещение указателя прибора; ΔА —соответствующее изменение измеряемой величины.
Инерционность прибора — это время, проходящее с момента изменения измеряемой величины до момента указания этого отклонения прибором. В большинстве случаев на инерционность приборов влияют тепловые, механические и гидравлические факторы.
Цена деления — число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы.
Для получения цены деления следует разделить предел измерения прибора на число делений шкалы.
Пример. Число делений шкалы 150; предел измерения 75 А. Цена деления 75/150 = 0,5 А/дел.
Вариация. В результате трения в опорах приборы могут давать разные показания при одних и тех же значениях измеряемой величины несмотря на то, что прибор отградуирован правильно. Наибольшая разность показаний прибора между его отдельными повторными показаниями, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях, называется вариацией показаний. Очень часто вариации являются следствием плохого качества пружинок, растяжек, подвесок или остаточного намагничивания железных пластинок в приборах электромагнитной системы.
Уравновешенность. Для обеспечения правильности показаний приборов в случае небольших отклонений их от нормального положения необходимо, чтобы подвижная часть была уравновешена, т. е. ее центр тяжести совпал с осью вращения. Достигается это с помощью особых подвижных грузиков, закрепленных в хвостовой части стрелки.
Влияние температуры. С изменением температуры окружающего воздуха показания электроизмерительных приборов изменяются. Причинами этого являются:
1. изменение упругости пружинок;
2. изменение сопротивления обмоток приборов, добавочных сопротивлений и шунтов;
3. изменение магнитного поля постоянного магнита.
Собственное потребление мощности. Для приведения прибора в действие требуется затрата мощности. Она обычно невелика (несколько ватт), но в ряде случаев существенно влияет на правильность показаний, что следует учитывать при выборе прибора.
Кратковременная перегрузочная способность. В процессе эксплуатации электроизмерительные приборы могут подвергаться кратковременным перегрузкам, возникающим при аварии, ошибочных включениях и т. п. Основную опасность для прибора в этих случаях представляют резкие удары об упорный штифт на шкале.
Согласно требованиям ГОСТ 1845—59 щитовые приборы должны выдерживать без повреждения их подвижной части девять ударов током, десятикратным номинальному, продолжительностью 0,5 с каждый с интервалами между ними 1 мин и один удар током, десятикратным номинальному, продолжительностью 5 с.
Электрическая прочность изоляции. Безопасность работы с электроизмерительной аппаратурой зависит от качества изоляции токоведущих частей прибора. Изоляция проверяется путем приложения повышенного напряжения переменного тока частотой 50 Гц в течение 1 мин между всеми изолированными электрическими цепями и корпусом. Величины испытательного напряжения в зависимости от нормального напряжения прибора приведены в табл. 1.
Классификация приборов.
Измерительные приборы в основном классифицируются по роду измеряемых величин, т. е. приборы для измерения уровня жидкости, измерения механических величин (числа оборотов крутящего момента и др.), электрических величин (силы тока напряжения, сопротивления, частоты и др.).
По назначению и условиям использования приборы делятся на две основные группы — промышленные и лабораторные приборы. Первые представляют собой, как правило, стационарны» конструкции, которые монтируют непосредственно на установках вторые — переносные настольные приборы.
По характеру действия приборы подразделяются
на приборы непрерывного, непрерывно-циклического и периодического действия. Подавляющее большинство промышленных приборов относится к приборам непрерывного действия.
По степени автоматизации различают автоматические, полуавтоматические и неавтоматические приборы. Почти все промышленные приборы являются автоматическими. Исключение составляют применяемые иногда переносные приборы. Значительная часть лабораторных приборов относится к неавтоматическим.
По выполняемым функциям в системе контроля и автоматизации приборы и их отдельные блоки делятся на датчики
(преобразователи), измерительные (вторичные) приборы, регуляторы, исполнительные механизмы, вычислительные устройства, вспомогательные устройства и др. Чаще всего в приборах совмещается несколько упомянутых функций.
По способу использования результатов измерений приборы делятся на указывающие, сигнализирующие и регулирующие, причем также часто два или несколько из этих свойств объединяются в одном приборе.
Электроизмерительные приборы классифицируются по роду измеряемой величины, принципу действия, степени точности и роду измеряемого тока, кроме того, они делятся на эксплуатационные группы.
На шкале каждого электроизмерительного прибора условными знаками указаны необходимые сведения о конструкции и эксплуатации прибора. Например, на шкале вольтметра (рис. 1) указано:
|
вольтметр (V) электромагнитной системы (
) предназначен для измерения переменного напряжения в пределах от 0 до 250 В; при измерениях напряжения прибор следует устанавливать вертикально, изоляция испытана напряжением 2 кВ; класс точности 1,5; заводской номер 5140; год выпуска 1966; эксплуатационная группа А.
Основные системы измерительных приборов.
Магнитоэлектрические измерительные приборы. Работа приборов основана на взаимодействии тока, протекающего по обмотке подвижной катушки, с магнитным полем постоянного магнита. Основными деталями магнитоэлектрических приборов (рис. 2) являются постоянный магнит 5 и подвижная катушка (рамка) 7, через которую проходит измеряемый ток. Протекая по обмотке мтушки, ток взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита, вследствие чего создается сила, стремящаяся повернуть катушку. К рамке, установленной на двух полуосях, прикреплен стрелкодержатель 3 со стрелкой 2. Рамка связана с противодействующими пружинами 4.
|
Магнитоэлектрические приборы служат для измерения только
. Устройство прибора электродинамической системы.
.
|
Магнитоэлектрические приборы служат для измерения постоянного тока, так как направление поворота рамки зависит от направления тока в обмотке. На зажимах этих приборов имеются обозначения «+» и «—», которые указывают, как надо включать прибор, чтобы стрелка отклонилась вдоль шкалы.
Электродинамические приборы. Работа приборов электродинамической системы основана на принципе взаимодействия двух катушек (рамок), по которым течет ток. Основными частями прибора (рис. 3) являются: неподвижная катушка 2 и подвижная катушка 1, расположенная на оси 6, к которой прикреплена стрелка 5. Ось связана с алюминиевым крылом воздушного успокоителя 4, помещающегося в камере 3. Ток к подвижной катушке подводится через спиральные пружины 7, создающие противодействующий момент. С нижней пружиной соединен корректор 8.
Перемещение подвижной и неподвижной катушек друг относительно друга обусловливается тем, что проводники, по которым протекают токи одного направления, притягиваются, а проводники с токами различных направлений отталкиваются.
Катушки электродинамических приборов соединяются между собой в зависимости от их назначения. В амперметрах катушки в большинстве случаев соединяются параллельно, в вольтметрах — последовательно, а в ваттметрах — одна катушка включается в цепь последовательно, как амперметр, а другая — параллельно нагрузке, как вольтметр.
|
Ферродинамические приборы являются разновидностью приборов электродинамической системы, у которых неподвижная катушка установлена на магнитопровод из листовой электротехнической стали. Конструкция такого прибора аналогична прибору магнитоэлектрической системы с той разницей, что постоянный магнит заменен электромагнитом.
Приборы ферродинамической системы, так же как и электродинамической, применяются для измерения силы тока, напряжения и мощности.
Электромагнитные приборы. Принцип работы приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки (соленоида) с сердечником из ферромагнитного материала, внесенного в это поле. Наиболее широкое распространение получили приборы двух типов: втяжные (с плоской катушкой) и отталкивающие (с круглой катушкой).
Устройство электромагнитного прибора с плоской катушкой показано на рис. 4.
Когда по обмотке катушки 1 протекает электрический ток, создается магнитное поле и стальной сердечник 4 втягивается в катушку. В зависимости от силы тока в обмотке сердечник втягивается в катушку в большей или меньшей степени, поворачивая на некоторый угол ось со стрелкой 7.
|
Конструкция электромагнитного прибора с круглой катушкой показана на рис. 5.
Когда по обмотке катушки 1 протекает ток, концы сердечников намагничиваются с одинаковой полярностью и в результате этого подвижный сердечник 10, отталкиваясь от неподвижного 11, поворачивает ось 2 со стрелкой 5 на некоторый угол.
Электромагнитные приборы используются преимущественно для измерения переменных токов и напряжений промышленной частоты.
Индукционные приборы. Принцип работы приборов индукционной системы основан на взаимодействии магнитного потока, созданного одной или несколькими неподвижными катушками, с токами, индуктированными в цепи подвижной части. Наибольшее распространение эти приборы получили в качестве счетчиков электрической энергии (рис. 6). Основная часть счетчика — магнитная система 1 с двумя обмотками. Одна обмотка включается в цепь последовательно, а другая параллельно. Переменные токи, протекающие по каждой обмотке, возбуждают переменные магнитные потоки, которые образуют вращающееся магнитное поле. Эти потоки пронизывают алюминиевый диск 6 счетчика и индуктируют в нем вихревые токи. Воздействие вращающегося магнитного поля, образованного магнитными потоками, на вихревые токи приводит диск во вращение. Ось 2 диска через шестерни 3 передает движение счетному механизму 4. Диск, счетчика при своем вращении проходит между полюсами постоянного тормозного магнита 5 и пересекает его магнитные линии. В результате этого постоянный магнит также индуктирует в диске вихревые токи. Взаимодействие магнитного поля постоянного магнита и вихревых токов создает необходимое торможение диска, пропорциональное скорости его вращения.
Рис. 6 Счетчик электрической энергии:
а – устройство; б – схема; в – табличка счетчика
Содержание отчета
Общие свойства приборов.
Классификация приборов.