АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра «Электроника и компьютерные технологии»

 

   

 

 

 

 

 

 

 

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Программа, методические указания и контрольное задание

(для дистанционного обучения студентов энергетических специальностей)

 

 

 

 

Алматы 2006

 

 

ОСТАВИТЕЛИ: Э.А. Иванов, М.О. Дулатбаева. Информационно- измерительная техника. Программа, методические указания и контрольное задание для студентов энергетических специальностей, обучающихся по программе бакалавриата, дистанционной формы обучения Алматы:

АИЭС, 2006 – 26 с.

 

 

 

 

 

 

В работе приведены программа, задания и методические указания для выполнения контрольных работ. Материал контрольного задания охватывает основные разделы курса.

Методические указания предназначены для студентов дистанционного обучения энергетических специальностей.

Ил. 2, табл. 18,библиогр. – 6 назв.

 

 

Рецензент: канд. техн. наук, проф. Джангозин А.Б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2006г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ÓАлматинский институт энергетики и связи, 2006 г.

 

Введение

Информационно-измерительная техника предназначена для получения опытным путем количественно-определенной информации от разнообразных энергосистем и их объектов.

Целью курса является получение знаний, касающихся принципов действия и устройства различных электроизмерительных и радиоизмерительных приборов, их основных метрологических свойств, методики применения, обработки результатов наблюдений; физических основ, теории, методов расчета основных видов измерительных преобразователей, а также основных структур, алгоритмов работы и характеристик основных разновидностей информационно-измерительных систем и их частей.

Материал данной дисциплины базируется на знании теоретических основ физики, электровычислительной техники, а также теории вероятностей и математической статистики в объеме программ технических вузов.

Общий объем часов, запланированных на изучение дисциплины, составляет 90 часов, из которых большая часть отводится для самостоятельной работы.

По дисциплине предусмотрено выполнение контрольного задания, лабораторного практикума, сдача экзамена.

Бюджет времени студента по дистанционному обучению.

Аудиторная работа

Самостоятельная работа

Лекции

Лабораторные занятия

Итого

Изучение курса

Выполнение контрольной работы

Итого

10

12

22

40

18

80

 

Основной упор при изучении курса делается на самостоятельную работу с учебной литературой.

К экзамену по курсу студенты допускаются только после выполнения контрольной работы и защиты лабораторных работ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Содержание учебного материала

1.1 Содержание дисциплины

1.1.1 Основные понятия и определения в информационно-измерительной технике

Измерения и физические величины в энергетике. Классификация измерений: статические, динамические, прямые, косвенные, совокупные, совместные, абсолютные, относительные.

Квалиметрические характеристики измерений: точность, достоверность, сходимость, воспроизводимость.

Средства измерений (СИ) и их метрологические характеристики. Классификация СИ: меры, измерительные преобразователи, приборы, измерительные системы, приспособления.

Устройство меры сопротивления, емкости, индуктивности, э.д.с., напряжения. Магазины мер.

Погрешность средств измерений, их нормирование и обозначения: абсолютная, относительная и приведенная, аддитивная и мультипликативная. Классы точности.

Методы измерений: определение, классификация (непосредственной оценки, сравнения).

Измерительная техника как совокупность СИ и процедуры проведения измерений. Информационно-измерительная техника как способ получения измерительной информации.

 

1.1.2 Линейные масштабные преобразователи токов и напряжений

Шунты и добавочные сопротивления: назначение, устройство и параметры, классы точности. Многопредельные шунты и добавочные сопротивления. Способы их включения в электрические цепи. Выбор шунта и добавочного сопротивления.

Делители напряжений: резистивные, емкостные, индуктивные (назначение, коэффициент деления и преобразования).

Измерительные трансформаторы тока. Назначение, основные метрологические параметры. Токовая и угловая погрешности, зависимость их от тока сети, нагрузки трансформатора. Классы точности.

Измерительные трансформаторы напряжения. Назначение. Метрологические параметры однофазных и трехфазных трансформаторов. Погрешность по напряжению и углу. Классы точности. Схемы соединений однофазных и трехфазных трансформаторов.

 

1.1.3 Аналоговые приборы непосредственной оценки

Аналоговые приборы электромеханической группы: приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем. Принцип действия, назначение. Уравнение шкалы, основные схемы их включения. Чувствительность, постоянная прибора. Особенности конструкций гальванометров и логометров.

Аналоговые приборы с преобразователями рода тока. Выпрямительные приборы для измерения тока и напряжения. Устройство, назначение. Уравнение и градуировка прибора.

Термоэлектрические приборы для измерения несинусоидальных форм тока. Устройство термопреобразователя. Уравнение и градуировка шкалы прибора.

Электронные амперметры и вольтметры постоянного и переменного тока. Комбинированные приборы-мультиметры. Преобразователи переменного тока в постоянное напряжение, ток. Особенности построения измерительных схем приборов компенсационного типа на базе операционных усилителей, микропроцессоров, программируемых контроллеров. Особенности из использования для измерений. Измерения нелинейных искажений, измерители нелинейных искажений.

 

1.1.4 Цифровые приборы

Упрощенная блок-схема цифрового прибора. Аналого-цифровые преобразователи и их назначение. Классификация аналого-цифровых преобразователей по способу преобразования аналоговой величины в код. Времячастотно-импульсные преобразователи. Принцип действия и метрологические характеристики. Понятия о преобразователях, использующих принцип сравнения.

 

1.1.5 Наблюдение и измерение электрических параметров времени

Электронный осциллограф (ЭО). Упрощенная блок-схема ЭО. Режим работы ЭО. Линейная непрерывная ждущая и синусоидальная развертки, их назначения, принцип получения изображения. Разновидности ЭО: двухлучевые, скоростные, стробоскопические, запоминающие. ЭО на газоразрядных матричных панелях. Понятие об ЭО с микропроцессорами.

Электромеханический осциллограф. Устройство и принцип действия. Устройство осциллографических гальванометров и выбор их параметров. Организация измерений при большем числе измеряемых параметров. Электромеханические осциллографы для записи аварийных ситуаций.

Понятие о виртуальных осциллографах на базе ПЭВМ. Принцип построения аналого-цифровых преобразователей для IBM PC/AT-совместимых компьютеров.

 

1.1.6 Методы и приборы измерения электрических величин

Измерение сопротивления, проводимости, емкости и индуктивности. Особенности измерения малых и больших сопротивлений. Четырехзажимная схема подключения малых сопротивлений и экранирование при измерении больших сопротивлений.

Омметры непосредственной оценки. Схемы омметров, уравнение шкалы приборов. Классы точности и определение погрешности измерения. Электронные схемы омметров.

Мосты постоянного тока. Одинарный и двойной мост. Уравнение равновесия. Примеры отдельных видов мостов. Согласование гальванометра с мостовой схемой.

Измерение сопротивления изоляции. Мегаомметры и тераомметры. Измерение сопротивления заземления. Использование мостовых схем для обнаружения мест повреждения кабеля.

Мост переменного тока для измерения сопротивления, емкости, индуктивности, угла потерь конденсаторов и добротности катушек. Схемы мостов, уравнение равновесия. Особенности балансирования мостов. Индикаторы равновесия в мостах переменного тока.

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока

Измерение мощности в цепях постоянного тока. Ваттметры на базе электродинамического и ферродинамического измерительного механизма. Особенности измерения мощности в однофазных и трехфазных цепях. Метод одного, двух, трех ваттметров.

Схемы подключения ваттметров в сетях с большими токами и напряжениями свыше 1000 В. Особенности измерения реактивной мощности.

Измерение мощности при наличии в сетях высших гармонических составляющих.

Цифровые ваттметры. Способы перемножения мгновенных значений тока и напряжения.

Измерение расхода электрической энергии

Принцип действия и устройство индукционного счетчика. Типы и характеристики счетчиков. Номинальная и действительная постоянная счетчика. Классы точности. Нагрузочная диаграмма счетчика.

Схемы включения индукционных приборов в сетях низкого и высокого напряжения. Приборы двухставочного тарифа.

Электронные (цифровые) счетчики. Основные их достоинства.

Измерения частоты и угла сдвига фаз

Частотометры и фазометры непосредственной оценки для однофазных и трехфазных цепей.

Принципы построения приборов на базе электродинамического логометрического измерительного механизма. Самопишущие приборы на базе ферродинамического механизма.

Электронные аналоговые частотометры и фазометры. Цифровые частотометры (периодометры) и фазометры на основе электронно-счетного метода. Особенности точного измерения отклонения и колебания частоты.

 

1.1.7 Методы и приборы для измерения неэлектрических параметров.

Измерение температуры

Характеристики измеряемой величины и классификация методов измерения. Контактные и бесконтактные методы измерений.

Термометры сопротивления, термопары. Вторичное устройство для работы с ними: неуравновешенный мост постоянного тока, компенсатор постоянного тока (схемы, принцип действия), автоматические приборы для измерения температуры.

Измерение параметров движения жидких и газообразных веществ

Характеристики измеряемых величин и классификация методов измерения.

Гидродинамические методы измерения расхода переменного перепада давления частотные (вихревые), постоянного перепада давлений тахометрические, вибрационные. Кинематические (скоростные) методы:                            термоанемометрический, индукционный, ультразвуковой. Для каждого из методов: блок-схема, принцип действия. Область применения, параметры.

Методы измерений механических напряжений, сил, моментов и давлений

Характеристика измеряемых величин и классификация методов измерения. Тензометрические преобразователи. Метод преобразования разностей давлений в деформацию упругого элемента, индуктивные датчики с чувствительным элементом.

 

1.1.8 Информационно-измерительные системы (ИИС)

Определение и классификация: по назначению (контроля, диагностики, распознавания образов, измерительные), по методу сбора информации (последовательные, параллельные и смешанного типов, пассивные и активные, децентрализированные и централизированные).

Структурная схема измерительного канала ИИС. Структурная схема ИИС в общем виде. Функциональные стандартные блоки ИИС.

Унифицированные измерительные преобразователи, коммутаторы, усилители, преобразователи аналоговой величины в код и наоборот.

Используемые стандартные информационные, управляющие и вспомогательные сигналы.

Измерительные интерфейсы. Понятие об интерфейсах. Реализация интерфейсов с использованием управляющих мини- и микро- ЭВМ. Характеристики интерфейса: структура соединений функциональных блоков, режим и единица обмена данных.

Интеграционные процессы в области ИИТ. Стандарт IEEE-488 для управления приборами с помощью компьютера. Виртуальные среды сбора и обработки информации – HP VEE и LabWiew.

 

1.2 Примерный перечень лабораторных работ

1.2.1 Измерение малых и больших сопротивлений методами непосредственной оценки и сравнения (2ч).

1.2.2 Измерение мощности и расхода энергии (2ч).

1.2.3 Измерение напряжений, токов, сопротивлений компенсационным методом (2ч).

1.2.4 Работа с универсальным электронным осциллографом и измерение энергетических и частотно-временных параметров сигналов (2ч).

1.2.5  Измерение нелинейных искажений и частотных спектров сигналов (2ч).

1.2.6 Измерение частоты, периода, интервалов и длительности импульсов (2ч).

1.2.7 Измерение параметров электрических цепей (R, C, tgб, L, Q) (2ч).

1.2.8 Измерение параметров несинусоидальных сигналов в графической среде LabView.

 

1.3. Содержание лекций

Лекция 1 (2ч). Введение. Измерения и физические величины в энергетике. Средства измерений. Метрологические характеристики. Нормирование погрешностей, классы точности. Погрешности косвенных измерений.

Лекция 2 (2ч). Методы измерения тока, напряжения и мощности на постоянном токе.

Лекция 3 (2ч). Методы измерения тока, напряжения и мощности на переменном токе. Трансформаторы тока и напряжения.

Лекция 4 (2ч). Электронные аналоговые и цифровые измерительные приборы. Электронные и цифровые вольтметры. Цифровые частотометры и фазометры.

Лекция 5 (2ч). Информационно-измерительные системы.

 

2 Методические указания по дисциплине

Основой информационно-измерительной техники являются измерения. Все измерения ФВ делятся на группы:

а) непосредственно измеряемые, которые могут быть воспроизведены с заданными размерами и сравнимы с подобными, например длина, масса, время;

б) преобразуемые с заданной точностью в непосредственно измеряемые величины, например температура, плотность.

Измерения должны быть количественными. Процедурой измерения, методами и средствами измерений занимается метрология. Она разрабатывает и устанавливает метрологические характеристики (МХ).

Качественной стороной измерений занимается наука квалиметрия. Она определяет понятия достоверность и воспроизводимость  измерений.

Для получения информации в локальных системах служат аналоговые приборы электромеханической группы.

Приборы магнитоэлектрической электромагнитной систем распространены везде для измерения постоянных и переменных напряжений и токов.

Для расширения пределов измерения служат преобразователи: шунт, сопротивление, трансформаторы тока и напряжения. Следует обратить особое внимание на различие метрологических характеристик трансформаторов тока классов точности 0,5 и 0,5S.

В последнее время широкую известность получили мультиметры (комбинированные приборы), эти средства измерения хороши при ремонте и наладке различных электрических устройств.

Цифровые измерительные приборы обладают высокой точностью. Цифровая часть измерительного комплекса является общей для обработки сигналов различных электрических и неэлектрических преобразователей. Важными элементами этих устройств является  преобразователь аналог-код-аналог. Электронный оссцилограф позволяет легко и просто искать неисправность в любой аппаратуре. В последнее время появились цифровые оссцилографы, которые просто, легко стыкуются с вычислительной техникой. Измерение электрических параметров элементов цепей встречается на практике весьма часто: сопротивление рабочих частей аппаратов,  сопротивление утечек, заземление; индуктивности реакторов, емкость по потери конденсаторов, компенсации реактивной мощности; резисторы, индуктивности и емкости в радиоэлектронной аппаратуре. Для измерения этих параметров могут использоваться косвенные методы 2-х  и 3-х приборов, точные мостовые методы, комбинированные приборы и специальные средства измерений.

Измерения мощности и расхода электрической энергии занимает ведущее место на предприятиях. Баланс расхода энергии определяется правильным выбором электросчетчиков., трансформаторов тока и напряжения и каналами передачи информации.

Сейчас внедрены на ряде предприятий информационно-измерительные системы учета расхода энергии. Ведущее место в этих системах  занимают цифровые электросчетчики.

Эти системы позволяют легко и просто решать задачи контроля параметров, качество электрической энергии.

Методы и приборы измерения неэлектрических величин – расхода энергоносителей (вода, пар, мазут, газ) – обеспечивают эффективность производства.

Измерение температуры широко применяется в энергетических котлах, нагревательных устройствах и в системах теплоснабжения.

 

3 Контрольное задание

Общие указания по выполнению и оформлению контрольного задания.

3.1 По дисциплине предусмотрено контрольное задание из пяти задач. Вариант задания определяется первой буквой фамилии студента и двумя последними цифрами номера зачетной книжки.

Каждая задача состоит из десяти вариантов, выбор которых определяется последними цифрами номера зачетной книжки.

3.2 При выполнении контрольного задания следует придерживаться следующего порядка:

а) контрольное задание выполняется в отдельной ученической тетрадке в клетку с полями не менее 4 см;

б) формулировка каждой задачи и числовые исходные данные должны быть переписаны в тетрадь;

в) приступая к решению задач, необходимо предварительно очень внимательно проработать тот раздел курса по учебнику, на материале которого построена данная задача;

г) при оформлении решения до записи математических действий надо коротко указать цель расчета и привести расчетную формулу в буквенном виде, пояснив введенные в нее обозначения;

д) при расчете в общую формулу подставляются числовые значения известных величин, приводятся результаты промежуточных вычислений и конечный результат. В промежуточных вычислениях размерности не указываются, а в конечном результате должна быть обязательно представлена размерность рассчитанной величины;

е) все величины должны выражаться в стандартных величинах Международной системы единиц СИ;

ж) для однотипных расчетов необходимо промежуточные и окончательные результаты сводить в таблицы;

з) величины, подставляемые в общие формулы, должны выражаться в основных (или производных) единицах, конечные же результаты расчетов должны выражаться в стандартном виде, для чего необходимо пользоваться кратными или дробными величинами;

к) все расчеты должны выполняться с соблюдением правил округления;

л) рисунки, выполнение которых требуется в задании, должны быть сделаны карандашом с соблюдением масштаба. При этом масштаб должен выбираться так, чтобы рисунок был наглядным;

м) графики строятся на миллиметровой бумаге с указанием масштаба и размерностей по осям. На графиках должны быть представлены расчетные точки;

н) при оформлении контрольных работ необходимо указывать номер зачетной книжки, номер варианта и в конце работы необходимо поставить свою подпись.

Студенты, имеющие свой персональный компьютер, оформляют работу в печатном виде в соответствии со стандартом АИЭС «Учебные работы».

 

Задача 1

 

Физическая величина (таблица 1.1) измерена прибором непосредственной оценки. Предел измерения прибора Ан, шкала содержит N делений, его класс точности К. При измерении прибор показывает округленно n делений.

Найдите метрологические характеристики прибора и измерения: цену деления С, чувствительность S, результат измерения А, инструментальную абсолютную погрешность прибора и относительную погрешность данного измерения.

Таблица 1.1

Параметры

прибора

Вариант, последняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Ан

10 В

1 В

5 В

30 В

1 А

2 А

5 А

7,5 А

15 В

0,5 А

К, %

0,5

1,0

1,5

2,5

0,5

1,0

1,5

2,5

0,2

0,1

 

 

 

Таблица 1.2

Показание прибора и числоделений шкалы

Вариант, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

N, дел

50

75

100

50

75

100

50

75

150

150

n, дел

31

55

75

35

45

82

37

64

132

102

 

Указания к решению

Цена деления связана с характеристикой шкалы прибора. Чувствительность связана с характеристикой преобразования измерительным прибором измеряемой величины в отклонение индикаторной стрелки. Класс точности определяется приведенной погрешностью средства измерения. Относительная погрешность измерения определяется классом точности и отношением Ан/А.

 

 

Задача 2

 

Необходимо измерить постоянный ток I и постоянное напряжение U в электрической сети (таблица 2.1). В наличии имеется два миллиамперметра на Iн с внутренним сопротивлением R (таблица 2.2), с зеркальной шкалой на 150 делений класса точности 0,5. Определите параметры шунта и добавочного резистора, необходимые для измерения. Определите погрешность измерения, если шунт и добавочный резистор выполнены по классу точности 0,1. Нарисуйте схему измерения тока и напряжения.

Таблица 2.1

Параметры

сети

Вариант, последняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Напряжение;

U, В

100

50

220

500

150

660

300

30

200

250

Ток; I, А

5

10

15

2,5

7,5

12,5

3

6

9

11

 

Таблица 2.2

Параметры

прибора

Вариант, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Предел;

Iн, мА

1

5

10

15

20

30

50

7,5

12,5

25

Сопротивление

R, кОм

1

0,78

0,62

0,56

0,42

0,37

0,28

0,64

0,68

0,4

 

 

Указания к решению

На основании параметров миллиамперметра и данных сети постоянного тока надо рассчитать сопротивления шунта и добавочного резистора. Погрешности измерения будут складываться из относительных погрешностей миллиамперметра, шунта и добавочного резистора.

 

 

Задача 3

 

Измерение переменного тока промышленной частоты производится при помощи измерительного трансформатора тока класса точности 0,5 с первичной обмоткой в виде проходного провода, вторичной обмоткой с числом витков       ω  2 и амперметра электромагнитной системы класса точности 1,0 на АН со шкалой на w делений.

Определите ток в сети и его предельную погрешность измерения, если амперметр показал n делений его шкалы. Нарисовать схему измерения.

Таблица 3.1 – Исходные данные

Данные

Вариант, последняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Вторичные

витки; ω  2

50

75

100

125

150

175

200

225

250

300

Предел измерения

амперметра; АН, дел.

5

7,5

10

5

7,5

10

5

7,5

10

5

 

Таблица 3.2 – Исходные данные

Хар-ки прибора

Вариант, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

N, дел

50

75

100

50

75

100

50

75

100

50

a, дел

35

45

80

17

65

10

22

70

90

42

 

Указания к решению

Необходимо найти показания прибора в амперах, воспользовавшись ценой деления амперметра. Ток в сети определяется с учетом коэффициента трансформации трансформатора тока.

Погрешность измерения тока определяется в виде

,

где  - относительная погрешность измерения тока амперметром;  - токовая погрешность трансформатора тока.

Последняя установлена стандартом в виде ломаной кривой с координатами, приведенными в таблице 3.3

Таблица 3.3

Первичный ток, % от

номинального

Предел допустимой

токовой погрешности, %

5

±1,5

20

±0,75

100-120

±0,5

Примечание – для трансформатора класса точности 0,5.

 

 

Задача 4

 

Для измерения напряжения в однофазной сети переменного тока использован однофазный трансформатор напряжения с первичным напряжением U, вторичным напряжением U=100 В класса точности γн и вольтметр на предел измерения Uвн=100 В числом делений N, класса точности γв. Вольтметр показал n делений. Определить напряжение в сети, его максимальную погрешность и нарисовать схему измерения.

Исходные данные

Таблица 4.1 – Параметры трансформатора напряжения

Параметры

Вариант, последняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U, кВ

0,38

0,5

3

6

10

13,8

15,75

18

35

6

γн

0,2

0,5

1,0

0,2

0,5

1,0

0,2

0,5

1,0

0,2

 

Таблица 4.2 – Параметры вольтметра

Параметры

Вариант, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

N, дел

25

50

75

100

150

25

50

75

100

150

n, дел

21

36

60

40

75

11

30

45

50

120

γв, %

0,5

1,0

1,5

0,5

1,0

1,5

0,5

1,0

1,5

0,5

 

Указания к решению

Напряжение в сети

Uc=Uв·Кн,

где  Uв – показания вольтметра в В;

       Кн – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Максимальная погрешность может быть найдена из условия

(Uс±ΔUc)=(Uв±ΔUв)(Кн±ΔКн),

где ΔUв, ΔКн абсолютные погрешности вольтметра (по приведенной погрешности) и витковой погрешности ТН.

ΔКн=γ·Кн/100.

Задача 5

 

Мощность в сети постоянного тока измеряется ваттметром электродинамической системы на предел измерения по току Iн=5А и по напряжению Uн =380 В, класса точности gp =1,0 со шкалой на N=100 делений. Токовая катушка имеет сопротивление Rа =0,07 Ом. Катушка напряжения имеет сопротивление Rв =1940 Ом. Используется добавочное сопротивление Rg =19,8 кОм. Ваттметр показал n делений шкалы при напряжении Uс и сопротивлении нагрузки Rн.

Определить мощность, потребляемую нагрузкой, и пределы погрешности измерения. Нарисовать необходимую схему измерения.

Таблица 5.1

Параметры

Вариант, последняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

n, дел

17

42

40

50

67

66

84

18

17

25

Uс , В

50

250

300

150

250

220

300

75

100

250

 

Таблица 5.2

Сопротивления напряжений

Вариант, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Rн, Ом

10

100

150

30

62,5

48,9

71,4

21,4

40

167

 

Указания к решению

Измеренную мощность в сети Pс можно найти, используя постоянную ваттметра

Ср = Iн Uн /N, Вт/дел.

Погрешность измерения этой мощности определяется систематической погрешностью dсис. Она складывается из относительной инструментальной погрешности ваттметра

dин =± gр Iн Uн /100, %

и методической погрешности dм

dр =ç dинç+ç dм ç.

Последняя зависит от способа включения ваттметра в электрическую цепь (рисунок 5.1)

Подпись: UнПодпись: Uна)                                                                        б)

 

      I                                                                        I

 

 

 

 

 

Рисунок 5.1 - Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать сопротивление объекта чисто активным, то погрешности, обусловленные потреблением катушками ваттметра:

для схемы рисунка 5.1, а

dм = (UIн - Uн Iн )/ Uн Iн = PI/Pн;

для схемы рисунка 5.1, б 

dм = [Uн (IU + Iн)-Uн Iн]/ Uн Iн = PU/PН,

где PI и PU – мощность, потребляемая соответственно последовательной и параллельной цепями ваттметра;

PН– мощность, потребляемая нагрузкой.

Результат измерения записывается в виде   P= Pи ± ∆P , где Pи –измеренная ваттметром мощность; ∆P –абсолютная погрешность ( ∆PdP / Pи×100)

 

Задача 6

 

В однофазной сети переменного тока с высоким напряжением измеряется мощность. Для измерения мощности применены следующие средства измерения:

а) трансформатор тока класса точности 0,5 S с коэффициентом трансформации Кт ; б) трансформатор напряжения класса точности 0,5 с коэффициентом трансформации Кн ; в) ваттметр на ток Ip =5A , напряжение Uр =100В  класса точности 0,2 с числом делений шкалы N.

Определите действительную мощность, потребляемую нагрузкой сети, если ваттметр показал n делений шкалы при коэффициенте мощности cosφ. Нарисуйте схему измерения.

Таблица 6.1

Параметры

трансфор–

маторов

Вариант, последняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Кт

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Кн

6,6

15

30

60

100

180

30

60

100

15

Таблица 6.2

Показание ваттметра

Вариант, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

n, дел

120

64

55

94

88

65

132

82

57

50

N, дел

150

100

75

150

100

75

150

100

75

100

cosj

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,95

0,85

0,75

0,65

0,55

 

Указания к решению

Мощность, отдаваемая сетью в нагрузку, равна .P=UI cosφ=n×(IpUр)/N×т Кн).

Погрешность измерения складывается из инструментальной погрешности ваттметра ∆P, токовой dI и угловой θI погрешностей трансформатора тока, погрешности по напряжению dU и угловой погрешности θU трансформатора напряжения. Для трансформатора тока класса точности 0,5S погрешности задаются стандартом (таблица 6.3)

Таблица 6.3

Первичный ток,

% от Iн

Предел допустимой погрешности

Токовой; dI, %

Угловой; θI, мин

1

± 1,5

± 90

5

± 0,75

± 45

20

± 0,5

± 30

100

± 0,5

± 30

120

± 0,5

± 30

 

Для всех трансформаторов напряжения следует принять dU=±0,5 %  и θU=20 мин.

Действительная мощность равна       Pg=P(1-(dI+dи+γ)I/100),

где γ=0,291() tg φ за счет трансформаторной схемы.

По данным Р и Pg следует определить относительную погрешность измерения мощности. На рисунке 6.1 представлена схема измерения мощности. Объясните, почему трансформатор напряжения включен раньше трансформатора тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.1–Схема измерения мощности.

 

Задача 7

 

В трехфазной уравновешенной сети измеряется мощность двумя одинаковыми ваттметрами на номинальный ток Iрн = 5A, номинальное напряжение Upн =100В класса точности 0,5. Ваттметры подключены к трансформаторам тока класса точности 0,5 S с коэффициентом трансформации Кт и двум однофазным трансформаторам напряжения класса точности 0,5 с коэффициентом трансформации  Кн . Определить активную и реактивную мощность сети, коэффициент мощности по показаниям ваттметров. Ваттметр, включенный на опережающую фазу, показал Р1 (Вт), а ваттметр, включенный на отстающую фазу,– Р2 (Вт). Найти действительное значение активной мощности. Нарисовать схему измерения.

Таблица 7.1

Показания

ваттметра

Вариант, последняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Р1,Вт

432

0

-60

250

57

-110

125

195

158

235

Р2,Вт

434

433

400

493

462

368

480

497

493

500

 

Таблица 7.2

Коэффициент трансформации

Вариант, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Кт

15

20

25

10

5

30

35

40

45

50

Кн

30

60

100

150

180

250

280

30

60

100

 

Указания к решению

По показаниям ваттметров мощности составляют

Р=( Р1 + Р2 ) ;

Q=21) ;

tg φ=Q/P.

Активная и реактивная мощность в сети

Рс×Кт Кн ;

Qc =Q×Кт Кн..

Действительная мощность в сети равна.

Рcg1g2g;

Р1g = Р1 Кт Кн (1- (δI1 + δU1 + γ1 /100));

Р2g = Р2 Кт Кн (1- (δI2 + δU2 + γ2 /100));

γ1 =0,0291(θI1 – θU1 )×(2 Р2 - Р1) / Р1 ;

γ2 =0,0291(θI2 – θU2 )×2 -2 Р1) / Р2 .

Токовые и угловые погрешности трансформатора тока следует взять из рекомендации к задаче 6.

Погрешности по напряжению δU и угловые погрешности θU трансфоматора тока принять δU1 = δU2 =± 0,5; θU1 = θU2 =±20 мин.

Погрешности измерения мощности равна δp = (Рc - Рcg / Рcg)×100, %.

Типовая схема включения ваттметров представлена на рисунке 7.1

 

Рисунок 7.1- Схема подключения ваттметров в трехфазной цепи.

 

 

Задача 8

 

Приведите схему измерения, устройство прибора (приборов) и опишите методику измерения следующего физического параметра

Таблица 8.1

Вариант,

первая буква фамилии

Физический параметр

А, Б, Е, Х, З

Сопротивление обмотки трансформатора порядка 200…300 Ом

В, Г, И, Ц, Ф

Сопротивление обмотки электродвигателя порядка 10…30 Ом

Д, Ж, О, Э, И

Сопротивление электрической проводки с напряжением 220 В

 

 

Продолжение таблицы 8.1.

Вариант,

первая буква фамилии

Физический параметр

К, Л, У, Ю, Ш

Сопротивление изоляции кабеля на напряжение 3 кВ

М, Н, С, Я

Сопротивление электроприбора порядка 1 – 10 Ом

П, Р, Т, Щ

Сопротивление электроприбора порядка 200 – 2000 Ом

 

Таблица 8.2

Вариант,

последняя цифра

Физический параметр

0

Температура 0-1000 0С

1

Температура 40…+40 0С

2

Расход воды 100 м3

3

Расход газа 50 м3

4

Температура 2500 0С

5

Расход пара 250 м3

6

Крутящий момент

7

Крутящий момент на валу

электродвигатели мощностью 150 кВ

8

Расход электроэнергии электроустановки 10 МВА

9

Расход воды жилой квартиры

 

Указания к выполнению

Существует большое количество методов, схем и специализированных приборов:

а) косвенные измерения по методу амперметра и вольтметра;

       б) мостовые схемы измерения при помощи постоянного и переменного тока;

в) приборы непосредственной оценки – мегомметры;

г) электронные, аналоговые и цифровые мультиметры.

Необходимо найти самое простое решение, отвечающее поставленной задаче.

Второе задание связано в основном с измерениями неэлектрических величин (кроме электросчетчиков). Необходимо привести принцип и метод измерения, эскизное изображение устройства.

 

 

Задача 9

 

Произведена поверка преобразователя мощности для телеметрической системы. Для этой цели на вход преобразователя был подан сигнал  от образцового источника мощности, от нуля до 100 Вт с интервалом 10 Вт, а на выходе измерялось выходное напряжение . Необходимо по экспериментальным данным найти аддитивную и мультипликативную погрешности и определить класс точности преобразователя. Номинальная характеристика преобразователя мощности

Экспериментальные данные помещены в таблицу 9.1

Таблица 9.1

Вариант,  последняя

цифра

Погрешность преобразователя по выходу  (мВ)

в точках шкалы  (Вт)

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

0.05

0.1

0.2

0.3

0.25

0.2

0.4

0.5

0.45

0.5

0.4

1

0.02

0.2

0.1

0.15

0.25

0.2

0.3

0.25

0.15

0.1

0

2

-0.01

0.3

-0.1

0.2

0.25

0

0.15

0.6

0.5

0.4

0.4

3

-0.03

0.25

0.3

0.25

0.4

0.2

0.6

0.6

0.7

0.65

0.5

4

0.01

-0.1

0.2

0.1

-0.1

-0.2

-0.15

-0.16

-0.2

-0.3

-0.2

5

0.03

-0.2

0.15

0.05

0.1

0.1

0.05

0.15

0.1

0.15

0.2

6

0.02

0

-0.1

-0.05

-0.1

-0.2

-0.15

-0.15

-0.2

-0.1

-0.3

7

0.05

0.1

0.15

0.1

0.2

0.15

0.2

0.25

0.3

0.27

0.25

8

0.04

0.15

0.1

0.05

0.2

0.15

0.3

0.4

-0.5

0.3

0.2

9

-0.02

-0.15

-0.1

-0.2

-0.1

-0.05

0

0.1

0.2

0.15

0

Номинальная характеристика преобразования задается коэффициентом пропорциональности (таблица 9.2)

Таблица 9.2

Коэффициент

пропорциональности

Варианты, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

, мВ/Вт

1

0.5

0.4

0.6

0.8

1.5

1.2

0.75

0.8

1

 

Указания к выполнению

        По существу преобразователь имеет погрешности (рисунок 9.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9.1 – Характеристика преобразования.

Каждому значению мощности 0, 10, …,100 соответствует свое значение выходного напряжения . Эти значения как-то расположены на плоскости относительно номинальной характеристики.

Для решения данной задачи необходимо линеаризировать кривую зависимости  и представить ее в виде . Для этого удобно воспользоваться методом наименьших квадратов. Согласно этому методу, наилучшим образом экспериментальные данные описывает такая зависимость, при которой сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от сглаживающей кривой обращается в минимум.

При линейном сглаживании для нахождения коэффициентов  и  необходимо решить систему уравнений (метод наименьших квадратов)

Класс точности преобразователя нормируется пределом допускаемой основной погрешности и имеет вид

где  – предел измерения;

 – аддитивная погрешность;

 – мультипликативная погрешность.

После расчета коэффициентов  и  необходимо взять их номинальные значения из рекомендуемого ряда (ГОСТ 8.401-80)

.

Класс точности записывается в виде 2-х цифр, разделенных косой чертой .

 

 

Задача 10

 

Найдите показания электронных вольтметров с преобразователями:

а) среднего значения (СЗ);

б) среднего выпрямленного значения (СВЗ);

в) среднеквадратического значения (СКЗ);

г) амплитудного значения с закрытым (АЗЗ) и открытым (АОЗ) входом, включенных одновременно на напряжение несинусоидальной формы (таблица 10.1).

Исходные данные

 

 

 

Таблица 10.1

 

Таблица 10.2

Параметры сигнала

Вариант, предпоследняя цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

А, В

10

15

30

20

25

35

50

40

60

55

f, Гц

50

100

200

50

100

250

300

50

100

200

 

Указания к выполнению

При наладке электрорадиоэлектронных устройств необходимо измерять различные по форме сигналы.

Преобразование этих сигналов основано на выполнении операций:

а) среднего значения

б) среднего выпрямленного значения

в) среднего квадратичного значения

г) амплитудного (пикового) значения

 (с открытым входом);

 (с закрытым входом).

Шкала приборов с преобразователями градуируется в действующих значениях 50 периодного синусоидального напряжения (тока).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Список литературы

 

1. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. – М.: Высш. шк., 1989.

2. Основы метрологии и электрические измерения. / Под ред. Е. М. Душина. – Л.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. – В 3-х кн. Кн. 3. Электрические измерения и основы электротехники / Г. П. Гаев, В. Г. Герасимов, О. М. Князьков и др.; Под ред. проф. В. Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998.

4. Классен К. Б. Основы измерений: Электронные методы и приборы в измерительной технике. – М.: Постмаркет, 2000.

 

 

Содержание

 

Введение. 3

1 Содержание учебного материала. 4

2 Методические указания по дисциплине. 7

3 Контрольное задание. 8

Список литературы.. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

Сводный план 2006 г., поз.207

 

 

 

Эдуард Александрович Иванов

Меруерт Оразбаевна Дулатбаева

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Программа, методические указания и контрольное задание

для студентов энергетических специальностей, обучающихся по программе

бакалавриата, дистанционной формы обучения

 

 

 

 

Редактор Ж.М. Сыздыкова

 

 

 

Подписано в печать                                   Формат 60 × 84   1/16

Тираж 150 экз.                                            Бумага типографская №1

Объем 1,6 уч. – изд. л.                               Заказ 65 тенге

 

 

 

 

 

 

 

Копировально – множительное  бюро

Алматинского института энергетики и связи

050013, Алматы, Байтурсынова, 126