МПС СССР

ВСЕСОЮ ЗНЫ Й ЗАОЧНЫ Й ИНСТИТУТ

И Н Ж ЕН ЕРО В Ж Е Л Е ЗН О Д О РО Ж Н О ГО ТРАНСПОРТА

ПОДЛЕЖИТ ВОЗВРАТУ

Одобрено кафедрой

Электротехники

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Задание на контрольную работу № 1 с методическими указаниями для студентов III курса специальностей

ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ Ж ЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО

ТРАНСПОРТА

И

АВТОМАТИКА, ТЕЛЕМЕХАНИКА И СВЯЗЬ

НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖ НОМ ТРАНСПОРТЕ

М о с к в а —

ВВЕДЕНИЕ

В современном представлении метрология является н а у ­ кой об измерениях, методах и средствах обеспечения их един­ ства и способах достижения требуемой точности.

Электроизмерительная техника интенсивно развивается во всех направлениях. Электроизмерительные приборы сл у ­ ж а т не только д ля контроля и учета электрической энергии при ее генерировании и распределении, но и д ля контроля технологических процессов в различны х отраслях промы ш лен­ ности и транспорта, контроля качества м атериалов и готовых изделий путем измерения неэлектрических величин эл е ктр и ­ ческими методами.

Непрерывное развитие науки и техники, а т а к ж е универ­ сальность применения электрических измерений определяю т непрерывное расширение номенклатуры средств электриче­ ских измерений.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Контрольную работу студенты выполняют самостоятельно до н ачала занятий в лаборатории, изучив предварительно т е ­ оретический материал курса.

Д л я облегчения изучения курса учебными планами преду­ смотрены лекции по отдельным его разделам.

З а д а н и е на контрольную работу состоит из шести задач.

В ариант контрольной работы выбирается по двум последним цифрам учебного ш ифра студента.

Если учебный шифр студента представляет однозначное число, то за предыдущую цифру следует принять 0.

Студенты долж ны выполнить данную контрольную работу в сроки, установленные индивидуальным планом учебной р а ­ боты.

В целях оказан ия помощи студентам в выполнении кон­ трольной работы, каф едра «Электротехника» В З И И Т а про­ водит устные групповые или индивидуальные консультации для студентов, посещающих занятия в учебно-консультатив­ ных пунктах, а д ля остальных — письменные консультации.

Д л я получения письменной консультации следует обратиться на каф едру «Электротехника» В З И И Т а через д еканат ф а ­ культета.

Оформление контрольных работ д олж но удовлетворять следующим требованиям:

1. В н ач ал е каж д о й контрольной работы долж ны быть указаны: номер контрольной работы; дисциплина; ф ам илия, имя, отчество; курс, факультет, специальность; учебный шифр и дом аш ни й адрес студента.

2. Контрольные работы оф орм ляю тся в тетради ч е р н и л а ­ ми, аккуратно, без помарок и д олж ны быть выполнены так, чтобы можно было без затруднений прочесть к а ж д у ю букву, з н а к,с л о в о.

Р аб оты, оформленны е небрежно, вы зы ваю щ и е за т р у д н е ­ ния или сомнения при их чтении, в озвращ аю тся студенту д ля переработки.

С т р ан и ц ы тетради д о л ж н ы быть пронумерованы, на к а ж ­ дой из них следует о ста в л я т ь поля шириной не менее 3 см для зам ечаний рецензента.

3. Все расчетные действия д олж ны соп ровож даться к р а т ­ кими, но четкими пояснениями.

4. Д л я обозначения электрических величин могут пр им е­ няться только условные буквенные обозначения в соответст­ вии с действую щим ГОСТом.

Б у квен н ы е обозначения единиц измерения могут п рим е­ няться в тексте только после числовых значений величин (налгример: 5 А, 127 В, 800 В т).

5. О бозначения электрических величин в тексте, в ф о р м у ­ лах, на векторных д и а г р а м м а х и электрических схемах д о л ж ­ ны быть согласованы и р асш и ф рован ы один р аз в каж дой задаче.

полняться с применением чертеж ны х инструментов. При в ы ­ полнении схем следует п ользоваться Е С К Д «Обозначения условные графические в схемах». Схемы, рисунки, векторн ы е д иа гр ам м ы и графики д о л ж н ы быть пронум ерованы и иметь подрисуиочные надписи. В текс те контрольной работы нужно обязател ьн о д ел ать ссылки на соответствующ ие схемы, д и а г ­ раммы и графики.

10X10 см. Г раф ики д о лж н ы быть построены на м и л л и м етр о­ вой бумаге и подклеены к тексту работы. При выборе м а с ш т а ­ бов надо иметь в виду, что число единиц в 1 см (или отрезке длины, принятом за единицу, например, в стороне одной к л е т ­ или 5 X 10п, где п — лю бое число.

М ас ш таб долж ен быть указан на координатны х осях.

Надписи, об означаю щ и е величины, о тк л ад ы в аем ы е по осям, д ел ать слева от оси ординат у ее конца и под осью абсцисс т а к ж е у ее конца, а условные зн аки единиц и зм ер е­ ний стави ть у последних числовых значений величин.

заверш ения.

1. Электрические измерения / Под ред. А. В. Фре мке, — М.; Энергия, 1973 или 1980.

2. Справочник по электроизмерительным. приборам / Под ред.

К. К. Илюнина. — М.: Энергия, 1973.

В случае отсутствия учебника под редакцией А. В. Фремке студенты могут пользоваться одной из следующих книг:

3. Электрические измерения Под ред. Е. Г, Шрамкова. — М.: Высшая школа, 1972.

4. В о с т р о к н у т о в Н. Г. Электрические измерения. — М.: Высшая школа, 1966.

5. П о п о в В. С. Э лектрические измерен ия. — М.: Энергия, 1974.

З А Д А Н И Е НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

ПОВЕРКА ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

И ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

Технический амперметр магнитоэлектрической системы с номинальным током / н, числом номинальных делений а„ = = 1 0 0 имеет оцифрованные деления от нуля до номинального значения, проставленные па каж дой пятой части шкалы (стрелки обесточенных амперметров занимаю т нулевое поло­ ж ение).

Поверка технического амперметра осущ ествлялась о б р а з ­ цовым амперметром той ж е системы.

Исходные дан ные д л я выполнения задачи указан ы в табл. 1.

1. У казать условия поверки технических приборов.

2. Определить поправки измерений.

3. Построить граф и к поправок.

4. Определить приведенную погрешность.

5. Указать, к каком у б ли ж айш ем у стандартному классу точности относится данный прибор.

Если прибор не соответствует установленному классу точ­ ности, у казать на э то особо.

6. Н аписать ответы на вопросы:

]) Что назы вается измерением?

2) Что такое мера и измерительный прибор? К а к они под разделяю тся по назначению?

3) Что такое погрешность? Д а й т е определение абсолю т­ ной, относительной и приведенной погрешности.

Методические указания к решению задачи № В метрологии рассм атриваю тся общие вопросы и зм ере­ ний: единицы физических величин и их системы, эталоны и способы передачи размеров единиц от эталонов образцовы м и рабочи м средствам измерений, общие методы обработки Примечание. Абсолютная погрешность А/ в табл. 1 указана для каждого оцифрованного деления шкалы после нуля в порядке их возрастания, включая номинальный ток амперметра.

результатов измерений и оценки их точности и достоверности, основы обеспечения единства измерений.

Под единством измерений понимают такое состояние из­ мерений, при котором их результаты выражены в узаконен­ ных единицах. Такие единицы устанавливаются в каждой стране особым законодательством с учетом рекомендаций международных организаций.

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и в есам в целях международной унификации единиц физических вели­ чин приняла единую Международную систему единиц СИ, которая введена в нашей стране с 1 января 1963 г. Единство измерений необходимо для обеспечения возможности сопо­ ставления результатов измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разны х методов и средств измерений.

Точность измерений характеризуется близостью их резуль­ татов к истинному значению измеряемой величины.

В зависимости от степени точности показываю щ ие и само­ пишущие электроизмерительные приборы согласно ГОСТ 13600—68 делятся на девять классов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5;

1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Число, обозначающее класс, является наибольшей приве­ денной погрешностью прибора на всех отметках рабочей час­ ти его шкалы.

Приборы более высокого класса точности, применяемые в лабораторной практике, называются лабораторными в отли­ чие от приборов ограниченной степени точности, используе­ мых для технических измерений.

Весь необходимый теоретический материал, а так ж е фор­ мулы для решения этой задачи могут быть получены из ре­ комендуемых учебников [ 1, с. 11—22; 5, с. 14—27].

Результаты решения задачи № 1 записать в табл. 2.

Оцифрован­ Абсолютная Поправки ные деления

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Измерительный механизм (ИМ ) магнитоэлектрической системы рассчитан на ток /„ и напряж ение и имеет ш калу на ап делений.

1. Составить схему включения измерительного механизма с шунтом и д ать вывод формулы гш.

2. Определить постоянную измерительного механизма по току С/, величину сопротивления шунта гщ и постоянную ам перметра С'/, если этим прибором нужно измерять ток /„.

3. Определить мощность, потребляемую амперметром при номинальном значении тока 4. Составить схему включения измерительного механизма с д обавочным сопротивлением и дать вывод формулы гд.

5. Определить постоянную измерительного механизма по напряж ению Си, величину добавочного сопротивления лд и постоянную вольтметра С ' и, если этим прибором нужно измерять н апряж ение 1!н.

6. О пределить мощность, потребляемую вольтметром при номинальном значении н ап ряж ен и я 1) х.

Методические указания к решению задачи № Весь необходимый теоретический материал, а т а к ж е ф о р ­ мулы для решения этой зад ач и могут быть получены из р е­ комендуемых учебников [1, с. 59—70, 88— 90; 3, с. 88— 96, 106— 109; 4, с. 53— 62; 5, с. 70— 76].

Исходные данные д ля решения задачи № 2 приведены в табл. 3.

МЕТОДЫ И ПОГРЕШНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Д л я измерения сопротивления косвенным методом исполь­ зовались два прибора: амперметр и вольтметр м агнитоэлект­ рической системы.

Измерение сопротивления производилось при температуре /°С приборами группы А, Б или В. Д ан н ы е приборов, их по­ к азания, а т а к ж е группа приборов и тем пература о к р у ж а ю ­ щего воздуха, при которой производилось измерение сопро­ тивления, приведены в табл. 4.

Определить:

1) величину сопротивления г'х по п оказаниям приборов и начертить схему;

2) величину сопротивления гх с учетом схемы включения приборов;

Числовые значения для задачи № 3) наибольшие возможные (относительную и абсолю т­ ную Дг) погрешности результата измерения этого сопротивле­ ния;

4) в каких пределах находятся действительные значения измеряемого сопротивления.

Методические указания к решению задачи № При измерение сопротивления методом двух приборов — амперметра и вольтметра, применяются две схемы. В этом случае приближенное значение сопротивления г'х согласно закону О ма определится к а к г'ж = - у *.

Одна из схем (без учета внутреннего сопротивления при­ боров) июпользуется в тех случаях, когда измеряемое сопро­ тивление велико по сравнению с сопротивлением амперметра;

другая — в тех случаях, когда измеряемое сопротивление м а ­ ло по сравнению с сопротивлением вольтметра. П оскольку в практике измерений этим методом подсчет сопротивления гх обычно производится по приближенной формуле, то необхо­ димо знать, какую схему следует вы брать д л я того, чтобы в е ­ личина погрешности была наименьшей. Чтобы п р а в и л ь н о в ы брать схему, необходимо сначала определить г / / г А и гу /г'х и по наибольшему из них принять и в ы ч е р т и т ь схему включения приборов, Величина сопротивления гх определяется с учетом внут­ реннего сопротивления приборов г А или гу в зависимо­ сти от принятой схемы.

П ри ступ ая к решению п. 3, необходимо иметь в виду, что погрешности электроизмерительных приборов р азделяю тся на две категории: а) основная погреш ность, зав и ся щ ая только от внутренних свойств и состояния самого прибора; б) д оп ол ­ нительные погрешности, обусловленные влиянием внешних факторов и отклонением условий эксплуатации прибора от нормальных (например, отклонением тем пературы о к р у ж а ю ­ щего воздуха от норм альной).

Погрешность измерения 7 будет представлять собой сум­ му основной погрешности 7Д (класс точности прибора) и дополнительной погрешности 7,, вызванной отклонением температуры окруж аю щ его воздуха от нормальной (прини­ мается обычно (н —20° С); причем следует принимать случай наиболее неблагоприятный, когда О тносительная погрешность при косвенном методе и зм ере­ ния сопротивления определяется по формуле Числовые значения для задачи № где 7 ^ и 7 / — относительные погрешности измерении н ап ря­ Величины 7^ и 7 / могут быть определены по формулам, приведенным в рекомендуемой литературе [5, с. 11]. Так, от­ носительная погрешность при измерении напряж ения будет Аналогично определяется относительная погрешность и при измерении тока.

Д л я определения абсолютной погрешности Дг, а так ж е пределов изменения действительного значения измеряемого сопротивления г следует воспользоваться соотношением По (исполнению в зависимости от условий эксплуатации при­ боры разделяю тся на три группы: Л, Б и В. Н иже, в табл. 5, приводятся нормы для рабочих климатических условий по температуре для приборов различны х групп.

Изменение показаний прибора, вызванное отклонением температуры окруж аю щ его воздуха от нормальной до любой в пределах рабочих температур, не д олж но превыш ать зн ач е­ ний, указан ны х в табл. 6, на к а ж д ы е ± 1 0 ° С изменения те м ­ пературы.

Бол ее подробно с определением погрешностей измерения можно ознакомиться в рекомендуемой литературе [1, с. 44— 59; 3, с. 41—48, 228— 244; 4, с. 15— 17; 5, с. 6— 15].

ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

В ЦЕПЯХ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

Д л я измерения активной мощности трехпроводной цепи трехфазного тока с симметричной активно-индуктивной н а ­ грузкой, соединенной з вездой или треугольником, необходи­ мо выбрать два одинаковых ваттметра с номинальным током / н, номинальным напряжением (/„ и числом делений ш калы ан= 150 дел.

Исходные данные д ля решения задачи приведены в табл. 7.

1. По данны м вари ан та д л я нормального реж им а работы цепи:

а) начертить схему включения ваттметров в цепь;

б) д о к аза ть, что активную мощность трехпроводной цепи трехфазного тока можно представить в виде суммы двух с л а ­ гаемых;

в) построить в масш табе векторную диаграмму, выделив на ней векторы напряжений и токов, под действием которых находятся парал л ел ьны е и последовательные обмотки ватт­ метров;

г) определить мощности Р х и Р 2, измеряемы е к а ж д ы м из ваттметров;

д) определить число делений ш калы а х и а 2, на которые отклоняются стрелки ваттметров.

2. По данны м варианта при обрыве одной ф азы приемни­ ка энергии:

а) начертить схему включения ваттметров в цепь;

б) построить в масш табе векторную диаграмму, выделив на ней векторы напряжений и токов, под действием которых находятся п ар ал л ел ьны е и последовательные обмотки в а т т ­ метров;

в) определить мощности Р х и Р 2> измеряемы е к а ж д ы м из ваттметров;

г) определить число делений ш калы а\ и аг, на которые отклоняю тся стрелки ваттметров.

Р езультаты расчетов записать в табл. 8.

Примечание. Заданная трехпроводная цепь трехфазного тока представ­ ляет собой соединение трех неподвижных магнитно-несвязанных катушек.

Числовые значений для задачи № М етодические указания к реш ению задачи № П ри реш ении п. 1 этой з а д а ч и нео б ходи м о в соответствии метров в тр ех п ро в одн у ю цепь тр е х ф а зн о го тока и д а т ь на ней ная м ощ ность в тр ех ф а зн о й цепи м о ж е т быть и зм ерен а д вум я в а т т м е т р а м и, при этом д о л ж н а быть учтена схем а соединения прием н иков энергии (та б л. 7 ).

Линейное напряжение IIл Номинальное напряжение ватт­ Номинальный ток ваттметра / н Постоянная ваттметра Ср Мощность, измеряемая первым Мощность, измеряемая вторым Мощность, измеряемая вторым Е сл и п риемники энергии соединены по схеме з в е з д а, то трехф азн ой цепи следует пред стави ть к а к где и АВ, и вс и иСА — мгновенные знач-ения ф азн ы х н а п р я ­ П осле этого следует в осп о л ьзо ваться вторым законом К и рхгоф а, по котором у и А В ~\-ивс \ - и СА — 0. И з этого у р а в ­ в аттм етро в н ах о д ятся под действием н ап р я ж е н и й и АС и и в с).

З а тем п роизвод ятся необходимы е п рео б р азо в ан и я, чтобы п о ­ лучить окон ч ател ьное в ы р а ж ен и е мощности, соответствую щ ее схеме вклю чения в аттм етров.

тить схему вклю чени я ваттм етро в, у к а з а в на ней обры в о д ­ ной из ф а з прием ника энергии (см. таб л. 7 ).

Если приемники энергии соединены по схеме тр еуго льн ик, то при обры ве одной из ф аз сопротивление ее будет равно бесконечности, сл ед овательн о, ток в ней будет рав ен нулю.

Токи в двух д р угих ф а з а х о стан утся таким и, к а ки м и были до обры ва фазы. В следствие этого и зм ен ятс я линейны е токи, что и д о л ж н о быть учтено при построении векторной д и а г р а м м у и определении 'показаний ваттм етро в.

Если приемники энергии соединены по схеме з в е з д а, то при обры ве одной из ф аз ток в ней будет равен нулю. Д в е другие ф азы о к а ж у т с я соединенны ми м е ж д у собой п осл ед о­ вательн о и вклю ченны м и на линейное н ап ряж е н и е. Д л я о п р е ­ д ел ен и я тока в этих ф а з а х необходимо п р ед вар и тел ьн о о п ре­ дел ить сопротивление ф азы, исходя из д ан ны х д л я н о р м а л ь ­ ного р е ж и м а р аб оты п рием н ика мой л и т е р а т у р е [1, с. 144— 160; 3, с. 290— 303; 4, с. 206 — 212;

5, с. 23 0 — 2 51 ].

И З М Е Р Е Н И Е РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ

В Ц Е ПЯХ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

гии соединен по схеме з в е з д а или по схеме т р е у г о л ь н и к.

о тветственн о р а в н ы Гф, хф.

в р ем я I.

его об м оток.

н а я о б м о тк и счетчика.

гию.

чиком за в р е м я I.

ем ни ка.

в аем о й счетчиком, и э нерги ей п р и е м н и к а.

Числовые значения для задачи > Методические указания к решению задачи № Весь необходимый теоретический материал, а т а к ж е ф о р ­ мулы и построение векторной д иаграм м ы для решения этой задачи могут быть получены из рекомендуемых учебников [1, с. 100— 166; 3, с. 303— 307; с. 200— 224; 5, с. 256—270].

ВЫБОР ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

В высоковольтной трехпроводной цепи трехфазного тока необходимо измерить линейные токи, линейное напряжение, коэффициент мощности цепи и расход активной энергии всей цепи.

тора тока (И Т Т ), два измерительных трансф орм ато ра н а п р я ­ ж ения (И Т Н ) и подключить к ним следующие измеритель­ ные приборы: два амперметра электромагнитной системы;

два однофазных индукционных счетчика активной энергии;

один трехфазный фазометр электромагнитной или электрод и ­ намической системы; один вольтметр электромагнитной си стемы.

Расстояние от трансф орм атора до измерительных прибо­ ров I (провод медный, сечением 5 = 2,5 мм2), номинальное н ап ряж ени е сети и линейный ток 1\ приведены в табл. 10.

Начертить схему включения ИТТ и И Т Н в цепь, а так ж е по­ казать подключение к ним всех измерительных приборов.

Выполнить разм етку заж им ов обмоток ИТТ, ИТН, счетчи­ ков и фазом етра. П о к азать заземление вторичных обмоток ИТТ и ИТН.

Методические указания к решению задачи № При подборе измерительных трансформ аторов тока необ­ ходимо учитывать, что д л я обеспечения правильности их р а ­ боты общ ее сопротивление всех проводов и обмоток приборов во вторичной цепи не д олж но превыш ать номинальной н а ­ грузки. Номинальной нагрузкой тран сф ор м ато ра тока н а з ы ­ вается наибольшее сопротивление, на которое мож ет быть зам кн ута вторичная обмотка при условии, что погрешности его не превысили допустимых значений.

Выбор трансформ аторов н ап ряж ен и я производится по их допустимой номинальной мощности. Таким образом, к тр ан с­ ф о р м а то р у нап р яж ени я можно подключить так ое количество приборов, при котором их мощность при номинальном н а п р я ­ жении не превыш ает номинальной мощности тр ан сф орм атора.

Н оминальны е данны е измерительных трансф орм аторов то ­ ка и нап ряж ени я согласно ГОСТ 9032—69 приведены в табл.

11 и 12.

Числовые значения для задачи № Измерительные трансформаторы тока При решении этой задачи п реж де всего необходимо опре­ делить сопротивления обмоток амперметров, а т а к ж е сопро­ тивления последовательных обм оток счетчиков и ф азом етра.

При расчете нагрузки, подключаемой к трансф о рм атор ам тока, необходимо учитывать не только сопротивление прибо­ ров, но и сопротивление соединительных проводов.

П а р ам етр ы обмоток приборов приведены в табл. 13.

Более подробно с выбором и схемами вклю чения измери­ тельной аппаратуры можно ознакомиться в рекомендуемой литературе [1, с. 90— 101; 3, с. 115— 119; 4, с. 152— 167; 5, с. 110— 127, 255—256].

Измерительные трансформаторы напряжения Параметры обмоток приборов

СОДЕРЖАНИЕ

В в е д е н и е

Общие методические у к а з а н и я

Слисок рекомендуемой л и т е р а т у р ы

Задание на контрольную работу и методические указания

к решению задач Задача 1. Пр верка технических приборов и основы метро­ Задача № 2 Измерение тока и напряжения в цепях постоян­ ного г о к а

Задача № 5. Изме рение реактивной энергии в цепях трехфаз­