Лекція №2

Тема: Електричні вимірювання та засоби, які для цього застосовуються

До початку вивчення матеріалу про вимірювання конкретних електричних величин доцільно ознайомитись: з низкою термінів, що є загальними для всіх вимірювань, з класифікацією електровимірювальних приладів, які використовуються на електроенергетичних підприємствах, а також при розподілі та споживанні електричної енергії. Необхідно також засвоїти сенс умовних позначень на шкалах електровимірювальних приладів, щоб запобігти користуванню приладами не за призначенням,тобто коли прилади можуть мати неприпустимі похибки і коли їх використання іноді шкідливе для приладів (наприклад, коли ці прилади будуть використані в умовах надто високої вологи або вібрації, рівень яких перевищує допустимі значення). Доцільно також усвідомити значення окремих ділянок шкали електровимірювальних приладів та раціональність проведення вимірів на тих із них, де гарантовано найбільшу точність вимірювань.

1.1 Терміни та визначення вимірювальної техніки

Для електричних вимірювань застосовується низка термінів і понять, прийнятних за яких завгодно вимірів. До них належать визначення вимірювання фізичної величини, видів і методів вимірів, мір, еталонів, приладів та термінів, які доцільно зрозуміти ще до початкувивчення дисципліни “Основи електричних вимірювань” або окремих її частин, що передбачено програмами спеціальної технології та виробничого навчання.

Вимірювання — це сукупність дій, виконуваних за допомогою засобів вимірювання з метою знаходження числового значення вимірюваної величини у прийнятих одиницях вимірювання.

Засоби вимірювань — це технічні засоби для проведення експериментальної частини вимірювань, які мають нормовані метрологічніm властивості. До засобів вимірювань відносять міри, вимірювальні прилади та перетворювачі, а також вимірювальні установки та системи, що складаються з цих засобів.

Фізична величина — це особливість чи властивість, загальна у якісному відношенні для багатьох фізичних об’єктів, однак кількісно відмінна для кожного з них. Наприклад, довжина, маса, електричний опір, електричний струм, електрична ємність тощо.

Міра — це засіб вимірювань, призначений для відтворювання фізичної величини певного розміру. Міри використовують як еталони, зразкові чи робочі засоби вимірювань.

Еталон — це міра, вимірювальний прилад або вимірювальна установка для відтворення, збереження або передання одиниць будь-якої величини з найвищою можливою точністю.

Одиниця фізичної величини — це фізична величина, якій надано числове значення, що дорівнює одиниці.

Зразкова міра — це міра для перевірки і градуювання робочих мір і вимірювальних приладів.

Робоча міра — це міра, що її використовують для перевірки електровимірювальних приладів в умовах виробництва та в наукових дослідженнях.

Вимірювальні перетворювачі (датчики) — це засоби вимірювання, призначені перетворювати вимірювані фізичні величини у вихідні сигнали, зручні для подальшого перетворення, передання, оброблення чи реєстрації, але не здатні для безпосереднього сприймання та оцінки людиною. їх застосовують для перетворення величин температури, тиску, рівня, швидкості та інших у функціонально зв’язані з ними величини електричної напруги чи струму.

Вимірювальні прилади — це засоби вимірювання, що забезпечують можливість безпосереднього відрахунку людиною (чи автоматичного запису) значень вимірюваних величин (наприклад, електричних напруг, струмів, потужностей, електричних опорів тощо).

Вимірювальна установка — це сукупність засобів вимірювань та допоміжних пристроїв, зібраних переважно в одному місці, призначена для одержання інформації, зручної для безпосереднього спостереження і оцінки людиною, або для автоматичної реєстрації.

Вимірювальна система — це сукупність засобів вимірювань та допоміжних пристроїв, розташованих у різних місцях та з’єднаних між собою засобами зв’язку, призначена для одержання вимірювальної інформації, здатної до сприйняття людиною, реєстрації та для використання у системах автоматичного управління.

Аналоговий вимірювальний прилад — це прилад, у якому вихідний сигнал, що сприймається людиною (наприклад, кут відхилення стрілки приладу), є фізичним аналогом вимірюваної величини. У цих приладів ця величина зчитується зі шкали приладу людиною чи реєструється на якомусь носії інформації (наприклад, на градуйованій паперовій стрічці).

Цифровий вимірювальний прилад — це прилад, у якому вихідний сигнал, що сприймається людиною, є цифровим і зчитується у вигляді числа, що є на екрані чи на цифровому табло приладу, або реєструється у вигляді числа на якомусь носії інформації (наприклад, на неградуйованій паперовій стрічці).

Прямі вимірювання — це такі, за яких значення вимірюваної фізичної величини визначають безпосередньо з показів приладів.

Посередні вимірювання — це вимірювання, засновані на відомих залежностях між величиною, яку визначають, та безпосередньо вимірюваними величинами. Наприклад, визначення електричного опору за вимірюваними значеннями напруги і струму.

Метод вимірювання — це спосіб досягнення мети вимірювання, що складається з сукупності заходів і операцій, необхідних для практичного виконання вимірювання потрібної фізичної величини.

Точність вимірювань — це характеристика вимірювання, що показує ступінь наближеності його результату до істинного значення вимірюваної величини.

1.2. Класифікація електровимірювальних приладів

В енергетиці більшість вимірювань виконують за допомогою електровимірювальних приладів. Ними користуються навіть тоді, коли вимірювану фізичну величину не можна безпосередньо виміряти електровимірювальним приладом. У подібних випадках (а їх, наприклад, на електричній станції, чи не найбільше) використовують вимірювальні перетворювачі неелектричних величин у електричну напругу чи струм, які вимірюють електричними приладами.

Саме тому в цьому підручнику, що призначений для підготовки робітників енергетичних спеціальностей, особлива увага приділена електровимірювальним приладам як найбільш розповсюдженим на електричних станціях, підстанціях, розподільчих пристроях та в енергетичних господарствах промислових підприємств. Щит управління потужним енергоблоком електричної станції з електричними приладами, встановленими на панелях щита та на пультах керування, показано на рис. 1.1.

Рисунок. 1.1. Щит управління енергоблоком електричної станції

Класифікація електровимірювальних приладів, тобто розподіл приладів на групи, що різняться між собою, здійснюється:

  • за точністю;
  • за виконанням для різних умов експлуатації;
  • за умовами впливу механічних факторів на прилади;
  • за захищеністю від дії зовнішніх магнітних і електричних полів;
  • за способом перетворення електричної енергії в механічну енергію переміщення рухомої частини вимірювального механізму;
  • за способом створення моменту протидії;
  • за конструкцією опори рухомої частини вимірювального механізму;
  • за видом відліку показів;
  • за положенням нульової позначки на шкалі;
  • за принципом дії перетворювача, застосованого у вимірювальному колі приладу;
  • за характером шкали;

За точністю всі електровимірювальні прилади поділяються на класи.

За виконанням для різних кліматичних районів Землі розрізняють прилади для районів з:

  • помірним кліматом;
  • помірним і холодним;
  • вологим тропічним;
  • сухим тропічним;
  • сухим і вологим тропічним кліматом.

Є прилади для морського і загальнокліматичного використання.

За умовами впливу механічних чинників на прилади їх поділяють на:

  • звичайні;
  • звичайні з підвищеною 5 міцністю;
  • стійкі до механічного впливу (стійкі до трясіння, вібрації, нечутливі до вібрації та трясіння, удароміцні).

За видом захисту від дії зовнішніх магнітних і електричних полів прилади поділяють на:

  • захищені від дії зовнішніх магнітних полів;
  • захищені від дії зовнішніх електричних полів;
  • встановлені на феромагнітних щитах; встановлені на немагнітних щитах;
  • встановлені на будь-яких щитах.

За способом перетворення електричної енергії на механічну прилади поділяють на:

  • магнітоелектричні;
  • електромагнітні;
  • електродинамічні;
  • індукційні;
  • електростатичні;
  • вібраційні;
  • теплові.

За способом створення моменту протидії прилади поділяють на:

  • прилади з механічним моментом протидії;
  • з магнітним моментом протидії і логометри (де момент протидії настає в результаті перетворення електричної енергії в механічну).

За конструкцією опори рухомої частини вимірювального механізму прилади бувають такі:

  • з рухомою частиною на кернах;
  • з рухомою частиною на розтяжках або на підвісі.

За видом відліку показів прилади бувають такі:

  • зі строковим покажчиком;
  • зі світловим вказівником;
  • з пристроєм, що записує показання;
  • з пристроєм, що друкує показання; прилади з пластинами, що вібрують.

Залежно від положення нульової позначки на шкалі прилади бувають такі:

  • з однобічною шкалою;
  • з двобічною симетричною шкалою;
  • з двобічною несиметричною шкалою;
  • прилади зі шкалою, де нуль відсутній.

За характером шкали і положенням її робочої частини прилади бувають:

  • з рівномірною шкалою;
  • з нерівномірною шкалою;
  • з робочою частиною, що відповідає всій довжині шкали;
  • з робочою частиною шкали, обмеженою в її початковій частині;
  • з робочою частиною шкали, обмеженою в її кінцевій частині;
  • з робочою частиною шкали, обмеженою з обох сторін.

За принципом дії перетворювача, застосованого у вимірювальному колі приладу, прилади бувають:

  • : з випрямлячами струму (напівпровідниковими чи електромеханічними);
  • електронні;
  • термоелектричні (з неізольованими чи ізольованими термоперетворювачами);
  • компенсаційні (з негативним зворотним зв’язком).
1.3. Класифікація електровимірювальних приладів

Відліковим пристроєм електровимірювального приладу прямого відліку є шкала з нанесеними на ній позначками у вигляді коротких прямих відрізків, радіальних на дугових шкалах і перпендикулярних до напрямку руху покажчика (стрілки чи світлової плями з зображенням риски або стрілки) на прямолінійних шкалах. Відстань між сусідніми позначками шкали називається довжиною поділки шкали.

Величина відношення приросту переміщення покажчика (виражена у числі поділок шкали) до величини приросту вимірюваної приладом фізичної величини (вираженої в одиницях, позначених на цій шкалі), що викликала це переміщення, називається чутливістю приладу. Наприклад, поділок на один вольт — для вольтметра, поділок на один ампер для амперметра, поділок на один ват — для ватметра і т.д. Величина, обернена до чутливості, називається ціною поділки. Наприклад, вольт на одну поділку — для вольтметрів, ампер на одну поділку — для амперметрів, ват на одну поділку — для ватметрів тощо.

Якщо довжина всіх поділок однакова або майже однакова, як і ціна кожної з цих поділок, то шкала називається рівномірною. Якщо не всі поділки шкали однакові, чи ціна бодай однієї з них відмінна від ціни інших поділок, то шкала називається нерівномірною.

Рисунок 1.2. Шкали електровимірювальних приладів

Шкали низки електровимірювальних приладів зображено на рис. 1.2: а) стаціонарного електромагнітного вольтметра (нерівномірна); б) стаціонарного магнітоелектричного вольтметра постійного струму (рівномірна); в) переносного електродинамічного багатограничного ватметра (рівномірна); г) стаціонарного електромагнітного амперметра змінного струму, призначеного дія роботи з вимірювальним трансформатором струму (нерівномірна); д) переносного електростатичного вольтметра (нерівномірна); е) переносного багатофункціонального приладу — вольтамперомметра (рівномірна для постійних напруг і струмів, нерівномірна для змінних напруг і струмів та для опорів).

Позначення на шкалах приладів несуть інформацію про призначення приладу, одиниці вимірювання, на які він розрахований, рід струму, клас точності (у відсотках від нормованого значення, частіш за все — від вимірюваної ним величини, що відповідає останній цифровій позначці шкали приладу), систему вимірювального механізму, застосованого у даному приладі; нормальне положення приладу; величину випробної напруги електричної міцності ізоляції струмопровідних частин приладу відносно його корпуса; 8 величину опору електричних кіл переносних приладів (а для послідовних кіл — і величину їхніх індуктивностей); про наявність власного захисту від дії сторонніх магнітних чи електричних полів; захист від впливу зовнішнього оточення; про необхідність попереднього ознайомлення з додатковими вказівками, що є у паспорті чи описі приладу; відомості про підприємство, де цей прилад виготовлено, та рік його виготовлення.

Написи і позначення на шкалах електровимірювальних приладів та пояснення до них наведені у табл. 1.1. Звичайно, для прикладу наведено лише деякі позначення. На шкалах окремих приладів роблять написи, вкрай необхідні лише користувачеві даним приладом. Наприклад, на шкалах стаціонарних амперметрів, ватметрів, фазометрів і на табличках лічильників роблять написи про необхідні додаткові пристрої (шунти, трансформатори струму), з якими ці прилади необхідно застосовувати; на шкалах вольтметрів, ватметрів, фазометрів і табличках лічильників можуть бути відомості про необхідні трансформатори напруги чи додаткові опори, з якими необхідно застосовувати ці прилади. На шкалах малокосинусних ватметрів обов’язково має бути позначено номінальну величину косинуса кута зсуву фаз, бо, незважаючи на цей показник, можна суттєво перевантажити прилад по обертовому моменту, не перевантажуючи його ні струмом, ані напругою.

Таблиця 1.1 Написи й позначення на шкалах електровимірювальних приладів

На шкалах позначають величину номінальної частоти на яку розраховано прилад (за винятком частоти 50 Гц яку не позначають числом, якщо на шкалі вже є позначка, що прилад придатний до вимірювань на змінному струмі чи на постійному та змінному).

Якщо ж прилад використовують не тільки за його номінальної частоти, а й у дещо розширеному діапазоні частот (де для нього буде допустима більша похибка, ніж та що вказана класом приладу), то на шкалі цей розширений діапазон позначають трьома крапками, а номінальну частоту підкреслюють (наприклад: 50..500 Гц). Тобто прилад призначено для роботи на частоті 50 Гц, але ним можна користуватись за частот до 500 Гц, враховуючи, що, працюючи в розширеному діапазоні частот, прилад може давати додаткову похибку. Про величину цієї похибки можна дізнатися з опису приладу. Звичайно ця додаткова похибка не перевищує величини, що позначена класом точності приладу.

На шкалах приладів з нерівномірним характером шкали, безпосередньо біля кінців позначок, є крапки, що обмежують робочу частину шкали, тобто ту, якою варто користуватись, бо там гарантована точність вимірів.

Основними позначками на шкалах є ті, що відповідають певним значенням вимірюваної величини при знаходженні над ними покажчика приладу (кінця стрілки), чи при проектуванні на них лінії, що є на світловій плямі світлового покажчика. Ці позначки у більшості стаціонарних приладів мають різну довжину: найбільшої довжини — цифровані, тобто для них позначено цифри, що відповідають конкретним значенням вимірюваної приладом величини в одиницях, назву яких позначено на шкалі.

У переносних приладах, які виконують із двома або більше верхніми границями вимірювань, число поділок шкали роблять зручним для вимірювань у разі вмикання приладу на будь-яку з цих границь. При цьому найдовші позначки шкали цифрують за десятковою системою числення.

Зазначимо, що точні електровимірювальні прилади градуюють через п’ять поділок шкали, а проміжні позначки наносять шкалопишучими машинами, які механічно поділяють відстань між градуйованими позначками за законом, зумовленим характером шкали. На проміжних позначках прилади виробники не повіряють, тому при вимірюваннях на цих позначках похибка може бути дещо більша за величину, що передбачена класом приладу, особливо коли на найближчій цифрованій позначці похибка приладу є на межі допустимої величини.

    Контрольні питання

  1. Що таке міра?
  2. Що таке еталон?
  3. Чим відрізняється аналоговий вимірювальний прилад від цифрового?
  4. Що називають похибкою вимірювання?
  5. Чим відрізняються прямі вимірювання від посередніх? 6. Які бувають похибки вимірювань?
  6. Що таке основна похибка засобу вимірювання?
  7. Які засоби вимірювань використовують в енергетиці?
  8. Як вимірюють неелектричну фізичну величину за допомогою електровимірювального приладу?
  9. Назвіть основні вузли, з яких складається електровимірювальний прилад.
  10. Назвіть типи вимірювальних механізмів, які використовують у електровимірювальних приладах, і поясніть принцип дії кожного з них.
  11. Чому у більшості дво- й багатограничних переносних приладів на шкалі відсутнє позначення вимірюваної величини.
  12. Що позначають крапками біля позначок на шкалах електровимірювальних приладів?
  13. Чому при користуванні електровимірювальними приладами бажано робити виміри на позначках, що знаходяться ближче до кінцевої частини шкали?