Розрахунок багатомежового електровимірювального приладу

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

курсова робота

“Розрахунок багатомежового електровимірювального приладу”

з дисципліни “Основи метрології та електричних вимірювань”

Вступ

Метою курсової роботи є розрахунок електровимірювального приладу М261М.

Виконання синтезу багатомежового електровимірювального приладу, призначеного для виміру:

-                     постійної напруги на межах 3; 6; 15; 60; 150; 300 В;

-                     постійного струму на межах 0.06; 0.6; 6; 60; 600 мА;

-                     змінної напруги на межах 30 і 120 В;

-                     змінного струму на межах 3 і 30 мА.

Головною задачею курсової роботи є практичне засвоювання матеріалу відносно отриманих теоретичних знань з дисципліни “ Основи метрології та електричних вимірювань”.

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Загальні відомості

Найбільш розповсюдженими видами електричних вимірів є виміри струму й напруги. Для цього застосовують прилади різних типів, які задовольняють умовам і вимогам конкретної вимірювальної задачі. Технічні показники електровимірювальних приладів та їхня класифікація, а також умовні позначки, які наносяться на шкалах і панелях приладів, стандартизовані і визначаються стандартом (ДСТ 1845 – 69 та 13600 – 68).

1.2 Класифікація приладів електровимірювань

1. Коли класифікацію роблять по назві одиниці вимірюваної величини. На шкалі приладу пишуть його повну назву або початкову латинську букву одиниці вимірюваної величини, наприклад: амперметр – А, вольтметр – В, ватметр – W і так далі. Для багатофункціональних приладів ці позначення вказують у перемикальних пристроїв і поєднують з назвою приладу, наприклад «вольтамперметр». До головної букви найменування приладу може бути додано позначення кратності основної одиниці: мілліампер - mА, кіловольт - kV, мегават - MW і так далі.

2. По роду струму. Ця класифікація дозволяє визначити, в ланцюгах якого струму можна застосовувати даний прилад. Це позначають умовними знаками на шкалі приладу. На приладах змінного струму вказують номінальне значення частоти або діапазон частот, при яких їх застосовують, наприклад 20-50-120 Гц; 45-550 Гц; при цьому підкреслене значення є номінальним для даного приладу. Якщо на приладі не вказаний діапазон робочих частот, то він призначений для вимірів в установках з частотою 50 Гц.

3. По класу точності. Клас точності приладу позначають числом, рівним що допускається приведеною похибкою, вираженою у відсотках. Випускають прилади таких класів точності: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Для лічильників активної енергії шкала класів точності дещо інша: 0,5; 1,0; 2,0; 2,5. Цифру, вказуючу клас точності, вказують на шкалі приладу. Клас точності приладу визначає основну похибку приладу, яка обумовлена його конструкцією, технологією виготовлення і має місце в нормальних умов експлуатації (певні діапазони температури і вологості, відсутність зовнішніх електричних і магнітних полів і вібрації, правильна установка і т. д.). Якщо умови експлуатації відрізняються від нормальних, то виникають додаткові похибки, котрі можуть мати як негативне, так і позитивне значення які впливають на точність виміру. Необхідно пам'ятати, що з меншою відносною похибкою виміряється величина, відлічувана при положенні стрілки приладу ближче до межі шкали, тому що відносна похибка виміру зменшується зі збільшенням вимірюваної величини. Наприклад, для вольтметра зі шкалою 0 – 100В класу точності 1,5 гранична абсолютна похибка дорівнює 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.

4. По виконанню залежно від умов експлуатациі. Клас приладу визначається п'ятьма групами по діапазону робочих температур і відносною вологістю. Граничні значення визначають умови при зберіганні і перевезенні.

Групу приладу вказують на шкалі належною літерою. Група А знаку на шкалі не має. У межах робочих температур додаткова похибка лежить в межах класу точності приладів.

1.3 Умовні позначки, які наносяться на електровимірювальні прилади

У відповідності зі стандартом кожен вимірювальний прилад має наступні позначення (на лицьовій стороні, на корпусі та у затискачів): позначення одиниці вимірюваної величини (для приладів з іменованою шкалою); позначення класу приладу; указівка номера стандарту, встановленого на дану групу приладів; умовна позначка роду струму; умовна позначка системи приладу й ступеня захищеності від магнітних та електричних впливів; умовна позначка робочого положення приладу (якщо це положення має значення); умовне позначення іспитової напруги ізоляції вимірювального кола відносно корпуса та ін.

Як приклад на рис. 1 наведена шкала мікроамперметра типу М94.

Рис. 1 - Лицьова панель приладу М94

1.4 Електровимірювальні прилади магнітоелектричної системи

Найбільш розповсюдженими є прилади магнітоелектричної системи, які використовуються в якості:

1) відлікових пристроїв складних вимірювальних приладів, наприклад: а) стрілочних вимірників напруги в електронних вольтметрах різного типу; б) стрілочних вимірників рівня вихідного сигналу й коефіцієнта модуляції в генераторах різного типу; в) стрілочних вимірників добротності, індуктивності, активного опору в приладах для виміру параметрів компонентів й кіл із зосередженими постійними; г) стрілочних вимірників у приладах і схемах для виміру параметрів електронних ламп, напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральних схем;

2) вимірників режимів роботи стаціонарних й пересувних технічних приладів по постійному струмові (напруги живлення, струму споживання), вимірників режиму роботи випрямлячів та стабілізаторів;

3) індикаторів точного настроювання мережних транзисторних радіоприймачів, індикаторів рівня запису в транзисторних магнітофонах й для контролю струму в переносних і стаціонарних магнітофонах і радіоприймачах.

У якості стрілочних вимірювальних приладів в електронних вольтметрах, а також в іншій електровимірювальній апаратурі використовуються, як правило, магнітоелектричні мікроамперметри класів точності 1,0 та 1,5 і великої чутливості (із струмом повного відхилення 100 – 200 мкА). Такі вимірники забезпечують високу чутливість електровимірювальних приладів.

2. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

2.1 Вихідні данні

2.2 Завдання

Виконати синтез багатомежового електровимірювального приладу, призначеного для виміру:

-                     постійної напруги на межах 3; 6; 15; 60; 150; 300 В;

-                     постійного струму на межах 0.06; 0.6; 6; 60; 600 мА;

-                     змінної напруги на межах 30 і 120 В;

-                     змінного струму на межах 3 і 30 мА.

2.3 Розрахунок вхідного опору і відносної похибки вимірювального пристрою

=3В  кОм;

=6В  кОм;

=15В  кОм;

=60В  кОм;

=150В  кОм;

=300В  МОм.

2.4 Розрахунок відносної похибки вимірювального пристрою, обумовленої вхідним опором

де  - значення напруги, відлічуване по вольтметру.

При =3В. В.

При =6В.

В.

При =15В.

В.

При =60В.

В.

При =150В.

В.

При =300В.

В.

При вимірі режимів у електричних схемах звичайно допускається похибка за рахунок шунтуючої дії приладу в межах

,

тобто значення  не повинне відрізнятися від  більш ніж на ±(5 – 10)%.

При =3В.

При =6В.

При =15В.

При =60В.

При =150В.

2.5 Розрахунок коефіцієнтів шунтування і прямого опору діода в системі захисту від перенапруги вимірювального механізму

1. За законом Ома визначим величину номінальної напруги, яка може бути прикладена до затискачачів вимірювального механізму.

= 250 мкА; 600 Ом;

= 0.15 В

2. Будуємо в масштабі вольт - амперну характеристику діода Д9Д

3. Будуємо графік залежності

,

де Uпр. – напруга на приладі при включенні діода у прямому напрямку;

R пр. – опір діода при відповідній напрузі , визначається за формулою

.

При =0.4 В

Ом ;

При =0.6 В

Ом ;

При =0.75 В

Ом ;

При =0.85 В

Ом ;

При =0.88 В

Ом ;

4. Визначаємо коефіцієнти шунтування по напрузі та по струму за формулами:

;

;

де  - струм, який є відповідним до Uвх = 0.8В (за вольт-амперною характеристикою).

5. Опір діода в прямому напрямку

 Ом

2.6 Розрахунок опорів шунтів при вимірюванні постійного струму

Якщо граничне значення вимірюваного струму дорівнює , а струм повного відхилення приладу , то опір шунта  визначають виходячи з того, що , звідки

Визначаємо опір усього шунта , що відповідає найменшій межі виміру (0.06мА);

Ом.

Так як  має від’ємне значення, тому з цього витікає, що на той межі даний вимірювальний прилад не потребує в шунтуючій дії та йому не загрожує перенавантажування. У цьому випадку шунт буде складатися з 4-х резисторів і

 Ом.

Потім розраховуємо опори окремих резисторів, починаючи з :

Ом;

Ом;

Ом;

Ом;

2.7 Розрахунок опорів додаткових резисторів при вимірюванні постійної напруги

Опір додаткового резистора для такого вольтметра можна визначити за формулою

де межова напруга, яку можна вимірити приладом при даному значенні .

=3В

 Ом;

=6В

 Ом;

=15В

 Ом;

=60В

 Ом;

=150В

 Ом;

=300В

 Ом;

Вхідний опір кола вольтметра при цьому буде дорівнювати для відповідних меж

=3В  кОм;

=6В  кОм;

=15В  кОм;

=60В  кОм;

=150В  кОм;

=300В  МОм;

Розрахуємо вольтметр за схемою рис. 11, б на шість меж виміру: 3; 6; 15; 60; 150 та 300В. В якості вимірника використовується мікроамперметр, у якого =300мкА; =500 Ом.

Для =3В

 Ом;

для =6 В

 кОм;

 кОм;

для =15В

 кОм;

 кОм;

для =60В

 кОм;

 кОм;

для =150В

 кОм;

 кОм;

для =250В

 МОм;

 кОм;

2.8 Розрахунок опорів набору шунтів при вимірюванні змінного струму

При використанні електровимірювальних приладів магнітоелектричної системи для вимірів у колах змінного струму необхідно вимірювану величину попередньо перетворити у величину випрямлену. Випрямні прилади складаються з випрямної схеми на напівпровідникових діодах і вимірника магнітоелектричної системи. Вимірювана змінна напруга (чи струм) перетворюється в пульсуючу, середньовипрямлене значення якої (постійна складова) виміряється вимірником.

У випрямних приладах резистори  та  включені в коло змінного струму і тому їхній розрахунок відрізняється від розрахунку аналогічних елементів приладів для постійного струму. Для приладів із двохнапівперіодною схемою випрямлення орієнтовне значення цих елементів визначається в такий спосіб:

де верхня межа виміру вольтметра (середньоквадратичне значення); номінальний струм вимірника (струм граничного відхилення покажчика приладу); опір діода в прямому напрямку;  внутрішній опір вимірника магнітоелектричної системи; коефіцієнт розширення межі виміру; межа виміру струму (середньоквадратичне значення), що розраховується.

для =3 мА  

для =30 мА

для =3 мА  Ом

для =30 мА  Ом

2.9 Розрахунок опорів набору додаткових резисторів при вимірюванні змінної напруги

для =30В

Ом;

для =120В

Ом;

ВИСНОВКИ

У ході виконання курсової роботи розрахували :

Вхідний опір приладу на різних межах виміру постійної напруги;

Відносну похибку вимірювального пристрою, обумовлену вхідним опором;

Опори набору шунтів при вимірюванні постійного струму;

Опори набору додаткових резисторів при вимірюванні постійної напруги;

Опори набору шунтів при вимірюванні змінного струму;

Опори набору додаткових резисторів при вимірюванні змінної напруги;

Враховуючи вольтамперну характеристику діода Д9Д котра береться при , побудували графік залежності .

ЛІТЕРАТУРА

1.  Орнатский П.П. Теоретические основы информационно–измерительной техники - Киев: Вища школа, 1977. – 456с.

2.  Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс). /Под ред. Е.Г. Шрамкова. - М.: Высшая школа, 1977. – 519с.

3.  Вострокнутов Н.Г. Электрические измерения. - М.: Высшая школа, 1972. – 271с.

4.  Зайчик И.Ю. Практикум по электрорадиоизмерениям. - М: Высшая школа. – 1979. – 272c.

5.  Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. - Киев: Техника. – 1980. - 345c.