"ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ ТА ПРИЛАДИ". Методичні вказівки для самостійної роботи при розв’язуванні задач для учнів електромонтажних професій

Про матеріал

Методичні вказівки для самостійної роботи при розв’язуванні задач з електротехніки розраховані на самостійне вивчення здобувачами освіти матеріалу відповідно до робочої навчальної програми з дисципліни «Електротехніка». На самостійне опрацювання виносяться питання по темі «Електротехнічні вимірювання та прилади». Учні в процесі самостійного вивчення теоретичного матеріалу мають засвоїти матеріал відповідної теми, використовуючи при цьому літературні джерела, названі в списку літератури. Електричні вимірювання виконують за допомогою електровимірювальних приладів, схем і спеціальних пристроїв. Такими приладами можна вимірювати електричні величини: струм, напругу, опір, потужність, енергію, частоту та ін. Тип вимірювального залежить від виду і розміру (діапазону значень) вимірювальної величини, а також від потрібної точності вимірювань. Методичні вказівки рекомендовані для здобувачів освіти в професійно-технічних закладах, викладачам електротехнічних дисциплін, майстрам виробничого навчання та студентам коледжів. Будуть корисними при вивченні дисциплін: «Загальна електротехніка з основами автоматики», «Електротехніка та електроніка», «Основи електротехніки та електроніки».

Перегляд файлу

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Департамент освіти і науки

Закарпатської обласної державної адміністрації

Тячівський професійний ліцей

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ

ТА ПРИЛАДИ

Методичні вказівки

для самостійної роботи

при розв’язуванні задач

для учнів електромонтажних професій

Викладач методист

М.В. Принц-Цимбаліста

7241 "Електромонтажник силових мереж та електроустаткування";

7137 "Електромонтажник з освітлення та освітлювальних мереж".

Самостійна робота здобувача освіти є однією з форм оволодіння навчальним матеріалом поза межами обов'язкових навчальних занять. Її спрямовано на закріплення теоретичних знань, отриманих за час навчання, їх поглиблення, набуття і удосконалення практичних навичок та умінь щодо відповідної спеціальності.

Викладач визначає обсяг і зміст самостійної роботи, узгоджує її з іншими видами навчальної діяльності, проводить поточний та підсумковий контроль, аналізує результати самостійної навчальної роботи кожного учня.

Вивчення теоретичного матеріалу включає опрацювання навчальної, навчально-методичної та іншої літератури, програмних питань та питань, що

виносяться на аудиторні та практичні заняття.

Учні в процесі самостійного вивчення теоретичного матеріалу мають

засвоїти матеріал відповідної теми, використовуючи при цьому літературні

джерела, названі в списку літератури.

Методичні вказівки рекомендовані для здобувачів освіти в професійно-технічних закладах, викладачам електротехнічних дисциплін, майстрам виробничого навчання та студентам коледжів. Будуть корисними при вивченні дисциплін: «Загальна електротехніка з основами автоматики», «Електротехніка та електроніка», «Основи електротехніки та електроніки».

Розглянуто на засіданні методичної комісії

електромонтажних професій

Протокол № 7 від 25.02. 2020.

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ

ТА ПРИЛАДИ

Вимірювання – це знаходження фізичної величини дослідним шляхом за допомогою різних приладів, спеціальних засобів і технічних пристроїв. Результат вимірювання виражають іменованим числом, яке складається з числа та назви одиниці, наприклад, 15В ( 15 – абсолютна величина напруги; В – назва одиниць напруги, вольти).

Фізична величина відтворюється при вимірюванні – мірою, засобом вимірювання певного розміру.

Електричні вимірювання виконують за допомогою електровимірювальних приладів, схем і спеціальних пристроїв. Такими приладами можна вимірювати електричні величини: струм, напругу, опір, потужність, енергію, частоту та ін., а також неелектричні величини: температуру, тиск, геометричні розміри, силу світла і звуку, густину, концентрацію, тощо. Тип вимірювального залежить від виду і розміру (діапазону значень) вимірювальної величини, а також від потрібної точності вимірювань. В електричних вимірюваннях використовують основні одиниці системи СІ: ампер (А), вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генрі (Г), секунда (с).

Щоб зробити відлік величини, яку вимірюють даним приладом, треба визначити ціну поділки (сталу приладу) с його шкали, тобто визначити кількість електричних одиниць вимірюваної величини, що припадає на одну поділку. Для цього треба поділити найбільшу вимірювану приладом величину x (номінальне значення) на кількість поділок шкали :

або

Наприклад, якщо вольтметр розрахований на номінальну напругу 150В і шкала його має 30 поділок, то ціна поділки дорівнюватиме:

Величина s, обернена до сталої приладу с, називається чутливістю приладу:

Чутливість приладу чисельно дорівнює лінійному або кутовому переміщенню стрілки, яке відповідає одиниці вимірювальної величини.

Абсолютна похибка вимірювання – це різниця між виміряним та істинним значеннями вимірювальної величини: де виміряне значення; дійсне (істинне) значення вимірювальної величини.

Відносна похибка вимірювання – це відношення абсолютної похибки Δ до істинного значення вимірювальної величини X :

Основна зведена похибка визначається за формулою: де найбільша можлива абсолютна похибка при нормальних умовах роботи (робоче положення шкали, температура 293К, відсутність зовнішніх магнітних полів, відсутність поблизу приладу феромагнітних мас і т.д.); номінальна вимірювальна величина приладу ( верхня границя його вимірювання).

Основною похибкою називається похибка вимірювання, що проводиться за нормальних умов. Коли умови виходять за межі нормальних, внаслідок впливу негативних чинників на процес вимірювання, тоді має місце додаткова похибка.

Точність вимірювання визначається кількісно як число, обернене до модуля відносної похибки:

Клас точності приладу – це узагальнена характеристика точності засобів вимірювання, яка визначає границі допустимих основної і додаткової похибки.

Таким чином, якщо клас точності деякого засобу вимірювання позначено, наприклад 0,5, то це означає, що допустиме значення зведеної похибки , виражене у відсотках, дорівнює 0,5, тобто

де Х_НОМ – номінальне значення вимірюваної величини.

Адитивна абсолютна похибка, яка не залежить від розміру вимірювальної величини.

Мультиплікативна абсолютна похибка – лінійно збільшується при змішенні вимірювальної величини.

1. У вимірювальних приладах, якщо переважає адитивна складова абсолютної похибки, то клас точності позначається у вигляді десяткового дробу (0,1; 0,5; 1,5). Це означає, що допустиме значення зведеної похибки , виражене у відсотках, дорівнює відповідно: 0,1%; 0,5%; 1,5%.

Якщо відомо клас точності приладу, тоді можна визначити гранично допустимі значення абсолютних та відносних похибок вимірювання.

2. У вимірювальних приладах, якщо переважає мультиплікативна складова абсолютної похибки, то клас точності позначається у вигляді десяткового дробу у кружечку, наприклад: ; .

Запитання для самоконтролю

1. Що таке електровимірювальні прилади ?

2. Як класифікують електровимірювальні прилади?

3. На шкалі електровимірювальних приладів написано назву приладу, або початкова латинська літера одиниці, що вимірюється.

За початковою латинською літерою відповідно розкладіть назви приладів:

V — ; А — ; W — ; Ώ — ; kWh — ; φ — ; Hz — ; mА — ; kV — ;

ватметри; лічильники енергії ; міліамперметри ; фазометри ; вольтметри ; амперметри ; кіловольтметри; омметри ; частотоміри .

4. Які є системи електровимірювальних приладів за фізичним принципом дії?

5. Які умовні позначення на шкалі приладу характеризують класифікацію приладів за родом струму?

6. Які класи точності електровимірювальних приладів передбачені Державним стандартом ( ДСТ )?

7. Як розрізняють електровимірювальні прилади за типом відлікового пристрою ?

8. Як поділяються електровимірювальні прилади у залежності від умов експлуатації, діапазону робочих температур та відносної вологості?

9. Як позначаються на вимірювальній шкалі прилади за принципом дії ?

10. Як поділяються електровимірювальні прилади за стійкістю до механічних впливів?

11. Як поділяються електровимірювальні прилади за ступенем захисту від зовнішніх магнітних та електричних полів?

12. Які прилади використовують для вимірювання величини струму?

(Відповідь. 1.Електровимірювальні прилади — це такі технічні засоби, які виробляють сигнали вимірювальної інформації у формі, що доступна для безпосереднього сприйняття спостерігачем. )

(Відповідь. 2.Електровимірювальні прилади класифікують:

а) за родом вимірювальної величини;

б) за фізичним принципом дії вимірювального механізму;

в) за родом струму; г) за класом точності;

д) за типом відлікового пристрою;

е) за виконанням залежно від умов експлуатації;

є) за стійкістю до механічних впливів;

ж) за ступенем захисту від зовнішніх магнітних та електричних полів ).

( Відповідь. 3. За початковою латинською літерою відповідно назви приладів:

V — вольтметри;

А — амперметри;

W — ватметри;

Ώ — омметри ;

kWh — лічильники енергії;

φ — фазометри;

Hz — частотоміри;

mА — міліамперметри;

kV — кіловольтметри.

(Відповідь. 4. За фізичним принципом дії розрізняють такі системи електровимірювальних приладів:

а) магнітоелектрична;

б) електромагнітна;

в) електродинамічна;

г) феродинамічна (різновидність електродинамічної);

д) індукційна;

е) електростатична;

є) вібраційна;

ж) теплова;

з) термоелектрична;

и) детекторна).

( Відповідь . 5. Умовні позначення на шкалі приладу характеризують класифікацію приладів за родом струму: а) − постійний струм; б) − змінний (однофазна система); в) − постійний і змінний; г) − трифазна система; д) − трифазна несиметрична система ).

( Відповідь. 6. ДСТ передбачає такі класи точності електровимірювальних приладів - 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; для шунтів і додаткових резисторів до приладів - 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0. На практиці при оцінюванні стану обладнання використовують прилади класу точності 0,5-2,5; для превірки приладів – 0,02-0,2; У лічильниках електроенергії класи точності такі: 0,5; 1,0; 2,0; 2,5).

(Відповідь. 7. За типом відлікового пристрою електровимірювальні прилади розрізняються в залежності від призначення і можуть бути: показуючі; реєструючі; самопишучі; друкуючі; інтегруючі; підсумовуючі.

Більш поширені показуючі прилади, тобто прилади безпосередньої оцінки. Відліковий пристрій цих приладів складається звичайно з шкали і показчика. Показчиком може бути стрілка або світлова пляма з рискою. Треба знати правила користування відліковим пристроєм. Такі показуючі прилади називаються аналоговими. Показання таких приладів — це безперервна функція величини, що вимірюється. В цифрових електровимірювальних приладах показання наводяться у цифровому вигляді).

(Відповідь. 8. Залежно від умов експлуатації, діапазону робочих температур та відносної вологості, електровимірювальні прилади поділяються на п'ять груп: 1) група А (температура +10 .+35°С, вологість 80%);

2) група Б (температура -30 .+40°С, вологість 90%);

3) група B₁ (температура -40 .+50°С, вологість 95%);

4) група В₂ (температура -50 .+60°С, вологість 95%);

5) група В₃ (температура -50 .+80°С, вологість 98% ).

( Відповідь. 9. За принципом дії прилади поділяються на електромагнітні, позначення на шкалі – Э; магнітоелектричні – М; електродинамічні – Д; термоелектричні – Т; електронні – Ф ).

( Відповідь. 10. За стійкістю до механічних впливів прилади підрозділяються в залежності від значення максимально допустимого прискорення при ударах та вібраціях (м/с²). За стандартом на групи: електровимірювальні прилади поділяються: 1) звичайні з підвищеною міцністю (ОП); 2)нечутливі до вібрацій (ВН); 3) віброміцні (ВП); 4) нечутливі до трясіння (ТН); 5) міцні до трясіння (ТП); 6) міцні до удару (У).

Звичайні прилади групи ОП витримують прискорення до 15 м/с²).

(Відповідь. 11. За ступенем захисту від зовнішніх магнітних та електричних полів прилади поділяються на І і II категорії. Від зовнішніх полів прилади захищаються екранами).

(Відповідь. 12. Для вимірювання струму в колі використовують амперметри, які вмикають послідовно в коло, де проводять визначення величини струму. Його обмотку необхідно виготовити так, щоб її опір був дуже малий, саме в цьому випадку струм в колі не зміниться. Тому обмотка амперметра має мале число витків з провідника великого поперечного перерізу).

Задача 1. Визначити абсолютну Δ та відносну δ похибку результату вимірювання струму І = 79,4мА за допомогою амперметра класу точності 0,1 з номінальним значенням І_НОМ = 100мА.

Задача 1.1. Дано: І = 79,4мА; γ = 0,1; І_НОМ = 100мА.

Знайти: Δ ; δ.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

Оскільки клас точності амперметра – це зведена похибка у відсотках, то абсолютне значення похибки визначається за формулою

Відносна похибка вимірювання

Отже, абсолютна похибка результату вимірювання струму І = 79,4мА не

перевищує , а відносна похибка не перевищує Результат вимірювання доцільно записати у такому вигляді:

Задача 1.2. Дано: І = 89,4мА; γ = 0,1; І_НОМ = 100мА.

Знайти: Δ ; δ.

Задача 1.3. Дано: І = 79,4мА; γ = 0,2; І_НОМ = 100мА.

Знайти: Δ ; δ.

Задача 1.4. Дано: І = 39,7мА; γ = 0,1; І_НОМ = 50мА.

Знайти: Δ ; δ.

Задача 1.5. Дано: І = 39,7мА; γ = 0,2; І_НОМ = 50мА.

Знайти: Δ ; δ.

Задача 2. Визначити абсолютну та відносну похибку результату вимірювання напруги U = 8,2В вольтметром класу точності .

Задача 2.1. Дано: U = 8,2В ; вольтметр класу точності .

Знайти: δ ; Δ.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

1. Відносну похибку δ вимірювання легко визначити, оскільки клас точності приладу 0,5; тобто δ = 0,5%.

2. Абсолютне значення похибки визначається за формулою

Результат вимірювання доцільно записати у такому вигляді: .

Задача 2.2. Дано: U = 8,2В ; вольтметр класу точності .

Знайти: δ ; Δ.

Задача 2.3. Дано: U = 10,2В ; вольтметр класу точності .

Знайти: δ ; Δ.

Задача 3. Обчислити відносні похибки при вимірах 25В і 75В для вольтметра зі шкалою 0 – 100В класу точності 1,5.

Дано: U₁ = 25В ; U₂ = 75В ; вольтметр класу точності .

Знайти: Δ; δ₂₅ ; δ₇₅.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

Для вольтметра зі шкалою 0 – 100В класу точності 1,5 гранична абсолютна похибка Δ 1,5В, а відносні похибки при вимірах 25В і 75В відповідно рівні

Отже, для зменшення відносної похибки виміру потрібно вибирати вимірювальний прилад з такою верхньою межею, щоб при вимірі положення стрілки приладу знаходилося в останній третині (чи половині) його шкали.

Запитання 13. Для чого використовують шунти?

R_A R

I А I_АН

U R₁

I_ш R_ш

На рисунку 1 схема вмикання шунта R_ш до амперметра А.

(Відповідь. 13. Для розширення діапазону вимірювання амперметра магнітоелектричної системи в колах постійного струму використовують шунти-опори R_ш, які приєднують паралельно до амперметра).

Запитання 14. Що таке шунти ?

(Відповідь. 14. Шунти – це манганінові пластини або стержні, запаяні в мідні або латунні наконечники, їх використовують з метою розширення границь вимірювання амперметром. Шунт вмикають в електричне коло послідовно, а паралельно до нього – амперметр (рис. 1.).

Запитання 15. Чому бувають внутрішні та зовнішні шунти?

(Відповідь. 15. На струми до 100А шунти встановлюють всередині приладу, тобто внутрішні шунти. На більші струми шунти роблять зовнішніми і приєднують до амперметрів за допомогою каліброваних проводів, опір яких точно виміряний, інакше розподіл струмів буде іншим, а вимірювання не точним.

Калібровані шунти маркують за величиною номінального струму і спадом напруги на них при цій величині струму. Номінальні перепади напруги на шунтах – 60 і 75мВ, а іноді 100; 150 і 300мВ. Для амперметрів на кілька діапазонів вимірювань використовують комбіновані шунти).

Измерительные шунты и добавочные резисторы

Рис.2. Амперметр. Шунт на передньому плані.

Розрахунок опору шунта.

Струм кола І в точці А ( рис.1. ) розгалужується на І_A та І_ш обернено пропорційно до опорів амперметра R_Aі шунта .

причому ,

звідси опір шунта буде: .

Позначимо відношення стуму І до струму І_А через ( число п називають коефіцієнтом шунтування ), тоді вираз для буде мати вигляд: .

Задача 4. Визначити опір шунта для амперметра з номінальним значенням І_А = 5А , внутрішнім опором R_A= 0,006Ом, при вимірюванні струму І = 20А.

Задача 4.1. Дано: І_А = 5А , R_A= 0,006Ом, І = 20А.

Знайти: .

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

1. Коефіцієнт шунтування

2. Опір шунта

Задача 4.2. Дано: І_А = 5А , R_A= 0,006Ом, І = 15А.

Знайти: .

Задача 4.3. Дано: І_А = 5А , R_A= 0,006Ом, І = 10А.

Знайти: .

Задача 4.4. Дано: І_А = 5А , R_A= 0,003Ом, І = 10А.

Знайти: .

Задача 5. Розрахувати шунт для амперметра з межею вимірювання I_А = 5А для вимірювання постійного струму I = 50А. Визначити ціну поділки до і після приєднання шунта. Шкала амперметра має N = 100 поділок, а його внутрішній опір R_A = 0,015Ом.

Дано: I_А = 5 А ; I = 50 А; N_H = 100; R_A = 0,015 Ом.

Знайти: С_А; С_A^/.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

В двох паралельних вітках струми розподіляються обернено пропорційно до опору цих віток:

, звідси дістанемо

Струм через шунт I_ш = I – I_А = 50 – 5 = 45 А, тому, R_ш = 0,00167 Ом.

За Держ. стандартом (ДСТ) шунти виготовляють на падіння напруги 45, 75, 100, 150 мВ. В данном випадку, R_A · I_A = 0,015Ом ×5 А = 0,075 В = 75 мВ.

Ціна поділки шкали амперметра до приєднання шунта:

[А/поділку],

після приєднання шунта:

[А/поділку].

Шкала амперметра часто градується з врахуванням приєднаного шунта, тоді величину струму I, який вимірюють, читають безпосередньо на шкалі приладу.

Використання шунтів з електромагнітними, електродинамічними, феродинамічними приладами нераціонально, бо в такому випадку власне споживання потужності порівняно більше. В цьому випадку шунти будуть громіздкими і дорогими. При вмиканні шунтів на змінний струм виникає додаткова похибка, зумовлена залежністю їх опору від частоти.

Запитання 16. З якою метою використовують вимірювальні трансформатори напруги і струму в колах змінного струму?

( Відповідь. 16. В колах змінного струму для відокремлення вимірювальних приладів з метою безпеки від проводів високої напруги, а також для розширення меж вимірювання приладів. Для забезпечення високої точності вимірювань трансформатори напруги; чи тр-р. струму не повинні змінювати свій коефіцієнт трансформації і мати постійний кут в 180º між векторами первинної чи вторинної напруги (струму). Ця умова є необхідною при ввімкнені через трансформатори напруги (струму) приладів, покази яких не залежать від кута зсуву між напругою і струмом в мережі: наприклад, ватметри, лічильники, фазометри та ін.).

Запитання 17. Як позначають коефіцієнт трансформації в паспорті вимірювального трансформатора напруги?

(Відповідь.17. Номінальний коефіцієнт трансформації вказують на паспорті трансформатора у вигляді дробу, чисельник якого вказує напругу на первинній обмотці, а знаменник – напругу на вторинний обмотці, наприклад 6000/100; тобто = 60, в цьому випадку).

Запитання 18. За якими параметрами (паспортними даними) вибирають вимірювальні трансформатори струму?

(Відповідь.18. Вимірювальні трансформатори струму вибирають за такими даними:

а) за номінальним первинним струмом;

б) за номінальним коефіцієнтом трансформації. Він показаний в паспорті трансформатора у вигляді дробу: в чисельнику – номінальний первинний струм, в знаменнику – номінальний вторинний струм, наприклад, 100/5А; тобто ;

в) за класом точності;

г) за номінальною напругою у первинному колі).

Задача 6. Покази лічильника на даний час W₂ = 5124, попередні покази лічильника W₁ = 4975. Обчислити витрати електроенергії W.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я. Витрати електроенергії

W = W₂ − W₁ = 5124 – 4975 = 149кВт·год.

Задача 7. Покази лічильника на даний час W₂ = 0047, попередні покази лічильника W₁ = 9950. Обчислити витрати електроенергії W.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я. Витрати електроенергії

W = W₂ − W₁ = 10047 – 9950 = 97кВт·год.

Запитання 19. Що таке постійна (стала) лічильника?

( Відповідь.19. На щитку лічильника наносять постійну лічильника C − число оборотів диска, яке відповідає одній кіловат-годині. Воно дає можливість визначити сумарну потужність навантаження. Необхідно полічити число оборотів диска за визначений час, помножити його на 3600 і поділити на постійну лічильника і на час).

Задача 8. Постійна лічильника C: 1 кВт·год – 450 оборотів диска. Лічильник зробив N = 12 оборотів за t = 60 секунд. Обчислити потужність його навантаження в кВт.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

Задача 8.1. Дано: C = 2500;

Знайти: Р.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

Задача 9. На щитку лічильника позначено: «1 кВт·год = 1200 обертів диска». Під час перевірки лічильника його диск зробив 120 обертів за 50с. Визначити потужність, яку споживає мережа?

Задача 9.1. Дано: С = 1200 ;

Знайти: Р.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

1. Запишемо в системі СІ одиниці вимірювання витрат електроенергії

W=1кВт·год. = 1000Вт × 3600с = 3 600 000Вт·с.

2. Кількість електроенергії, витраченої за час одного оберту диска лічильника, називається постійною лічильника, яка визначається за формулою:

3. Енергія за 120 оборотів:

4. Потужність, яку споживає мережа:

Задача 9.2. Дано: « 1 кВт·год = 12000 об. диска »;

Знайти: Р.

Задача 9.3. Дано: « 1 кВт·год = 12000 об. диска »;

Знайти: Р.

Задача 10. Постійна лічильника C = 1800. Лічильник з трансформатором струму, який має коефіцієнт трансформації К = . Диск лічильника робить N=12 обертів за t=50 сек. Визначити величину приєднаної потужності P.

Дано: С = 1800 ; К = ;

Знайти: Р.

Р О З В’ Я З У В А Н Н Я.

Задача 11. Лічильник трифазної активної енергії на струм 3×5А і напругу 100В. Постійна лічильника C: обертів диска. Лічильник працює з вимірювальними трансформаторами: струму К₁ = і напруги