Погрешности измерений электроэнергии

СОДЕРЖАНИЕ Вопрос 1. Каковы причины возникновения погрешностей при измерениях?

Приведите формулы, дайте определения абсолютной, относительной и приведенной погрешностей. Что означает класс точности прибора 0,5.

Вопрос 2. Компенсационные цепи. Компенсаторы постоянного тока. Назначение и принцип работы Вопрос 3. Измерение мощности ваттметрами с применением измерительных трансформаторов тока и напряжения в однофазных и трехфазных цепях. Начертить схемы включения Вопрос 4. Какова конструкция однофазного счетчика активной энергии. Перечислить способы регулировки счетчика Вопрос 5. Назначение электронного осциллографа. Устройство, принцип действия электронно-лучевой трубки. Производство измерений осциллографом ЗАДАЧА № 1.

ЗАДАЧА № 2.

Вопрос 1. Каковы причины возникновения погрешностей при измерениях?

Приведите формулы, дайте определения абсолютной, относительной и приведенной погрешностей. Что означает класс точности прибора 0,5.

Причинами возникновения погрешностей являются: несовершенство методов измерений, технических средств, применяемых при измерениях, и органов чувств наблюдателя. В отдельную группу следует объединить причины, связанные с влиянием условий проведения измерений. Последние проявляются двояко. С одной стороны, все физические величины, играющие какую-либо роль при проведении измерений, в той или иной степени зависят друг от друга. Поэтому с изменением внешних условий изменяются истинные значения измеряемых величин. С другой стороны, условия проведения измерений влияют и на характеристики средств измерений и физиологические свойства органов чувств наблюдателя и через их посредство становятся источником погрешностей измерения.

Описанные причины возникновения погрешностей определяются совокупностью большого числа факторов, под влиянием которых складывается суммарная погрешность измерения — см. формулу (1). Их можно объединить в две основные группы.

1. Факторы, проявляющиеся весьма нерегулярно и столь же неожиданно исчезающие или проявляющиеся с интенсивностью, которую трудно предвидеть. К ним относятся, например, перекосы элементов приборов в их направляющих, нерегулярные изменения моментов трения в опорах, малые флюктуации влияющих величин, изменения внимания операторов и др.

Доля, или составляющая, суммарной погрешности измерения (1), определяемая действием факторов этой группы, называется случайной погрешностью измерения. Ее основная особенность в том, что она случайно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины.

При создании измерительной аппаратуры и организации процесса измерения в целом интенсивность проявления большинства факторов данной группы удается свести к общему уровню, так что все они влияют более или менее одинаково на формирование случайной погрешности. Однако некоторые из них, например внезапное падение напряжения в сети электропитания, могут проявиться неожиданно сильно, в результате чего погрешность примет размеры, явно выходящие за границы, обусловленные ходом эксперимента в целом. Такие погрешности в составе случайной погрешности называются грубыми. К ним тесно примыкают промахи — погрешности, зависящие от наблюдателя и связанные с неправильным обращением со средствами измерений, неверным отсчетом показаний или ошибками при записи результатов.

2. Факторы, постоянные или закономерно изменяющиеся в процессе измерительного эксперимента, например плавные изменения влияющих величин или погрешности применяемых при измерениях образцовых мер. Составляющие суммарной погрешности (1), определяемые действием факторов этой группы, называются систематическими погрешностями измерения. Их отличительная особенность в том, что они остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. До тех пор, пока систематические погрешности больше случайных, их зачастую можно вычислить или исключить из результатов измерений надлежащей постановкой опыта.

Таким образом, мы имеем два типа погрешностей измерения:

— случайные (в том числе грубые погрешности и промахи), изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины;

— систематические погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях.

В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы:

Для получения результатов, минимально отличающихся от истинных значений величин, проводят многократные наблюдения за измеряемой величиной с последующей математической обработкой опытных данных. Поэтому наибольшее значение имеет изучение погрешности как функции номера наблюдения, т. е. времени? t. Тогда отдельные значения погрешностей можно будет трактовать как набор значений этой функции:

В общем случае погрешность является случайной функцией времени, которая отличается от классических функций математического анализа тем, что нельзя сказать, какое значение она примет в момент времени t. Можно указать лишь вероятности появления ее значений в том или ином интервале. В серии экспериментов, состоящих из ряда многократных наблюдений, мы получаем одну реализацию этой функции. При повторении серии при тех же значениях величин, характеризующих факторы второй группы, неизбежно получаем новую реализацию, отличающуюся от первой.

При проведении измерений целью является оценка истинного значения измеряемой величины, которое до опыта неизвестно. Результат измерения включает в себя помимо истинного значения еще и случайную погрешность, следовательно, сам является случайной величиной. В этих условиях фактическое значение случайной погрешности, полученное при поверке, еще не характеризует точности измерений, поэтому не ясно, какое же значение принять за окончательный результат измерения и как охарактеризовать его точность.

Абсолютная, относительная и приведенная погрешности. Под абсолютной погрешностью понимается алгебраическая разность между номинальным и действительным значениями измеряемой величины. — абсолютные погрешности (см. рис.1).

рис. 1.

Однако в большей степени точность средства измерений характеризует относительная погрешность, т. е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой или воспроизводимой данным средством измерений величины. — относительные погрешности.

Если диапазон измерения прибора охватывает и нулевое значение измеряемой величины, то относительная погрешность обращается в бесконечность в соответствующей ему точке шкалы. В этом случае пользуются понятием приведенной погрешности, равной отношению абсолютной погрешности измерительного прибора к некоторому нормирующему значению. В качестве нормирующего значения принимается значение, характерное для данного вида измерительного прибора. Это может быть, например, диапазон измерений, верхний предел измерений, длина шкалы и т. д. — приведенные погрешности, где X и Y — диапазон изменения величин. Выбор X и Y в каждом конкретном случае разный из-за нижнего предела (чувствительности) прибора.

Класс точности прибора — предел (нижний) приведенной погрешности.

Абсолютной погрешностью измерения? А называется разность между результатом измерения Аx и истинным значением измеренной величины А:

?А= Аx-А Относительная погрешность измерения уА представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, выраженное в процентах:

уА=?А/А· 100.

Приведенная погрешность измерения? В представляет собой отношение, равное отношению абсолютной погрешности измерительного прибора к некоторому нормирующему значению Аn:

?В=100· ?А/Аn.

Согласно ГОСТ 13 600–68 класс точности средств измерений — это обобщённая характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на их точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Классы точности характеризуют свойства средств измерений, но не являются непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств.

В соответствии с ГОСТ 13 600–68 пределы, допускаемые для основной и дополнительной погрешностей средств измерений каждого из классов точности, должны устанавливаться в виде абсолютных, приведённых или относительных погрешностей, или в виде определённого числа делений.

Максимальная приведенная погрешность называется классом точности:

где ?Xmax — максимальная абсолютная погрешность, Xmax и Xmin — минимальные и максимальные значения измеряемой величины.

Например точность прибора 0,5 означает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора. Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 — 30 В, класс точности 0,5 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,15 В.

Вопрос 2. Компенсационные цепи. Компенсаторы постоянного тока. Назначение и принцип работы Характерной особенностью компенсационного принципа является отсутствие тока в цепи нулевого индикатора в момент компенсации, что дает возможность исключить влияние сопротивления соединительных проводов, так как оно не влияет на результат измерения. Следовательно, компенсационный принцип позволяет производить непосредственное измерение ЭДС. Эта особенность свойственна только компенсационному принципу, так как компенсационные цепи имеют два независимых источника энергии, один из которых является эталонным.

Так как компенсатором можно измерить напряжение, то очевидно это дает возможность косвенного определения тока по падению напряжения на известном сопротивлении.

Существует две разновидности компенсационных схем:

1) схемы компенсации ЭДС или напряжений (потенциометры);

2) схемы компенсации токов.

Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемых Э.Д.С. или напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксирует индикатор, имеющий очень высокую чувствительность и реагирующий на очень маленькие токи. Упрощенная схема компенсатора постоянного тока приведена на рисунке 6.

Одним из основных функциональных узлов любого компенсатора является высокоточный переменный резистор, по шкале которого отсчитывают измеряемое значение Э.Д.С. () или напряжение (). Поэтому компенсаторы называют еще измерительными потенциометрами. В качестве образцовой меры Э.Д.С. применяется нормальный элемент (НЭ) — электрохимический источник, Э.Д.С. () которого известна с очень высокой точностью. Однако ёмкость НЭ невелика, и длительное сравнение в процессе измерений () с невозможно. Поэтому схема компенсатора дополняется источником постоянного напряжения с Э.Д.С. () большой ёмкости. Таким образом для сравнения с () используется не, а падение напряжения на образцовом резисторе, которое создается током от источника — рабочим током (), который перед измерением устанавливается. Процесс измерения () состоит из двух этапов: установки и непосредственно измерения ().

Рис. 6 Упрощенная схема компенсатора постоянного тока Для установки требуемого значения переключатель П устанавливается в положение 1 и изменением сопротивления регулировочного резистора добиваются нулевого показания индикатора И. Этому соответствует отсутствие тока в цепи индикатора, что возможно при выполнении равенства. Тогда значение рабочего тока определяется как. Так как и величины постоянные, то и рабочий ток далее в процессе измерений будет оставаться постоянным и следовательно воспроизводить значение .

На втором этапе измеряют значение (). Для этого переключатель П переводится в положение 2, и изменением сопротивления резистора вновь добиваются нулевого показания индикатора И. Так как этому состоянию соответствует равенство и. Таким образом искомое значение () однозначно определяется величиной и может быть отсчитано по шкале потенциометра .

С помощью компенсатора измеряемое () определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы измерительной цепи, так как в момент измерения ток в ней отсутствует. Погрешность измерения () определяется погрешностями образцовых резисторов и, Э.Д.С. нормального элемента и чувствительностью индикатора. В качестве НЭ применяются насыщенные и ненасыщенные обратимые гальванические элементы, классы точности которых регламентируются в пределах 0,0002−0,02 и в значительной степени определяют класс точности компенсатора в целом. Установочный резистор представляет собой катушку сопротивления специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. Потенциометр выполняется также по специальной схеме, обеспечивающей постоянство при измерении и необходимое число знаков (декад) при отсчете (). Индикатором, как правило, является магнитоэлектрический гальванометр.

Современные компенсаторы постоянного тока имеют классы точности в пределах от 0,005 до 0,2. Верхний предел измерения составляет (1 — 2,5) В, а нижний — единицы нановольт. Для увеличения верхнего предела измерения до нескольких десятков вольт в последних конструкциях компенсаторов вместо нормального элемента применяют высокостабильные источники напряжения с более высоким значением стабилизированного напряжения.

В настоящее время существуют и применяются на производстве автоматические компенсаторы, в которых отслеживается разностное значение с помощью следящей системы. и — это части измерительного сопротивления в начале и конце цикла слежения.

С помощью компенсатора можно также измерять ток, предварительно преобразовав его в напряжение с помощью образцового резистора с известным сопротивлением. Искомое значение тока определится по результатам измерения напряжения из формулы .

Компенсационные методы могут использоваться и для измерения переменных напряжений. Однако в этом случае компенсирующее напряжение необходимо регулировать не только по модулю, но и по фазе. Поэтому такие компенсаторы (потенциометры) имеют более сложную схему, чем компенсаторы постоянного тока, а по точности значительно уступают им из-за отсутствия на переменном токе образцовой меры, аналогичный по своим параметрам НЭ. В настоящее время они полностью вытеснены электронными компенсационными вольтметрами.

Вопрос 3. Измерение мощности ваттметрами с применением измерительных трансформаторов тока и напряжения в однофазных и трехфазных цепях. Начертить схемы включения Для измерения активной мощности переменного тока кроме амперметра и вольтметра нужен еще фазометр. Это следует из выражения: Р=UIcosц.

Однако оба эти метода неудобны. На практике мощность измеряют с помощью ваттметра. В цепях постоянного тока применяются электродинамические ваттметры, а в цепях переменного тока — электродинамический или ферродинамический ваттметр, в основе принципа действия которого лежит взаимодействие магнитных полей двух катушек при протекании по ним токов. Одна из катушек включается в измеряемую цепь последовательно с нагрузкой (как амперметр), а другая — параллельно (как вольтметр).

Это взаимодействие катушек приводит к повороту подвижной катушки и, соответственно, стрелки, укрепленной на одной оси с этой катушкой.

Измерение активной мощности в трехфазных цепях может производиться с помощью однофазных ваттметров. При этом может быть использован метод одного, двух и трех ваттметров. Применение каждого из этих методов возможно только при определенных условиях.

Метод одного ваттметра Этот метод применяется для измерения активной мощности в трехфазных цепях при равномерной нагрузке фаз.

При измерении могут встретиться несколько случаев:

а) трехфазная цепь имеет нулевой провод или приемник имеет доступную нулевую точку. При этом для измерения мощности трехфазной цепи достаточно одного ваттметра, измеряющего мощность одной фазы.

Мощность трехфазной цепи определяют по формуле: Р = 3РW.

Очевидно, что при таком включении к зажимам параллельной обмотки ваттметра приложено фазное напряжение UФ, а по последовательной обмотке проходит ток IФ и, следовательно, ваттметр измеряет активную мощность одной фазы. Мощность трехфазной цепи равна: Р = 3PW.

Метод двух ваттметров Этот метод применяется для измерения активной мощности в трехфазных трехпроводных цепях, как при равномерной, так и при неравномерной нагрузках независимо от способа соединения приемников энергии. В качестве измерительных приборов могут быть использованы два однофазных ваттметра или один трехфазный двухэлементный ваттметр.

Для измерения мощности трехфазной цепи по методу двух ваттметров однофазные ваттметры могут быть включены по одной из трех схем.

Общая измеряемая мощность трехфазной цепи определяется в этом случае как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров:

Р = РW1 + PW2.

При измерении активной мощности в трехфазной цепи двумя ваттметрами возможны некоторые частные случаи:

а) один из приборов показывает нуль. Это бывает при активно-индуктивной нагрузке, когда угол сдвига фаз между током и напряжением ц = 60' (cosц=0,5). В этом случае активная мощность трехфазной цепи измеряется только одним ваттметром.

б) один из приборов показывает отрицательное показание. Это бывает при активно-индуктивной нагрузке, когда угол сдвига фаз между током и напряжением ц>60' (cosц < 0,5). Для производства отсчета необходимо переключить зажимы одной из обмоток ваттметра. Активная мощность трехфазной цепи в этом случае определяется разностью показаний ваттметров:

Р = PW2 — РW1;

в) оба прибора дают одинаковые показания. Это бывает при чисто активной нагрузке (cosц = 1).

Метод трех ваттметров Этот метод применяется для измерения активной мощности в трехфазных цепях с нейтральным проводом при неравномерной нагрузке фаз. В качестве измерительных приборов могут быть использованы три однофазных ваттметра или один трехфазный трехэлементный ваттметр. Ваттметры включаются по схеме, изображенной на рис. 7.4. Каждый из ваттметров (элементов) измеряет мощность одной из фаз. Активная мощность трехфазной цепи определяется суммой показаний трех ваттметров:

Р = РW1 + РW2 + РW3.

рис. 1 Схемы включения ваттметров.

При несимметричной нагрузке в четырехпроводной цепи активную мощность измеряют тремя ваттметрами (рис.1), каждый из которых измеряет мощность одной фазы — фазную мощность.

рис 2.

При симметричном приемнике и доступной нейтральной точке активную мощность приемника определяют с помощью одного ваттметра, измеряя активную мощность одной фазы PФ по схеме рис. 2. Активная мощность всего трехфазного приемника равна при этом утроенному показанию ваттметра: P = 3 PФ.

рис. 3.

В случае, если нейтральная точка приемника недоступна или зажимы фаз приемника, включенного треугольником не выведены, применяют схему рис. 3 с использованием искусственной нейтральной точки n'. В этой схеме дополнительно в две фазы включают резисторы с сопротивлением R = RV.

Измерение активной мощности симметричного приемника в трехфазной цепи одним ваттметром применяют только при полной гарантии симметричности трехфазной системы.

На рис. 4 показана одна из возможных схем включения 2-х ваттметров: здесь токовые катушки включены в линейные провода с токами IA и IB, а катушки напряжения — соответственно на линейные напряжения UAC и UBC.

рис. 4.

Для измерения активной мощности в трехфазных цепях промышленных установок широкое применение находят двухэлементные трехфазные электродинамические и ферродинамические ваттметры, которые содержат в одном корпусе два измерительных механизма и общую подвижную часть. Катушки обоих механизмов соединены между собой по схемам, соответствующим рассмотренному методу двух ваттметров. Показание двухэлементного ваттметра равно активной мощности трехфазного приемника.

Схемы включения ваттметров через измерительные трансформаторы (рис.5).

рис. 5.

Схема включения ваттметра в однофазную цепь высокого напряжения через измерительные трансформаторы тока и напряжения: V — вольтметр; А — амперметр; W — ваттметр (рис. 6).

рис 6.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения предназначены для уменьшения первичных токов и напряжений до значений, наиболее удобных для подключения измерительных приборов, реле защиты, устройств автоматики. Применение измерительных трансформаторов обеспечивает безопасность работающих, так как цепи высшего и низшего напряжения разделены, а также позволяет унифицировать конструкцию приборов и реле.

Технические характеристики трансформаторов тока Номинальный первичный и вторичный ток трансформаторов тока Трансформаторы тока характеризуются номинальным первичным током Iном1 (стандартная шкала номинальных первичных токов содержит значения от 1 до 40 000 А) и номинальным вторичным током Iном2, который принят равным 5 или 1 А. Отношение номинального первичного к номинальному вторичному току представляет собой коэффициент трансформации КТА= Iном1/ Iном2.

Токовая погрешность трансформаторов тока Трансформаторы тока характеризуются токовой погрешностью? I=(I2K-I1)*100/I1 (в процентах) и угловой погрешностью (в минутах). В зависимости от токовой погрешности измерительные трансформаторы тока разделены на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Наименование класса точности соответствует предельной токовой погрешности трансформатора тока при первичном токе, равном 1—1,2 номинального. Для лабораторных измерений предназначены трансформаторы тока класса точности 0,2, для присоединений счетчиков электроэнергии — трансформаторы тока класса 0,5, для присоединения щитовых измерительных приборовклассов 1 и 3.

Измерительный трансформатор тока. Схема включения:

рис. 7.

Технические характеристики измерительных трансформаторов напряжения.

Номинальные первичное и вторичное напряжение измерительных трансформаторов напряжения.

Трансформаторы напряжения характеризуются номинальными значениями первичного напряжения, вторичного напряжения (обычно 100 В или 100/), коэффициента трансформации К=U1ном/U2ном. В зависимости от погрешности различают следующие классы точности трансформаторов напряжения: 0,2;0,5; 1:3.

Нагрузка трансформаторов напряжения.

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения—это мощность внешней вторичной цепи. Под номинальной вторичной нагрузкой понимают наибольшую нагрузку, при которой погрешность не выходит за допустимые пределы, установленные для трансформаторов данного класса точности.

Схемы включения трансформаторов напряжения В зависимости от назначения могут применяться разные схемы включения трансформаторов напряжения. Два однофазных трансформатора напряжения, соединенные в неполный треугольник, позволяют измерять два линейных напряжения. Целесообразна такая схема для подключения ваттметров.

Для измерения линейных и фазных напряжений могут быть использованы три однофазных трансформатора, соединенные по схеме «звезда — звезда», или трехфазный. Так же соединяются в трехфазную группу однофазные трехобмоточные трансформаторы.

Трансформаторы напряжения выбирают по условиям Uуст? U1ном,.

S2?S2ном, в намечаемом классе точности. За S2ном принимают мощность всех трех фаз однофазных трансформаторов напряжения, соединенных по схеме звезды, и удвоенную мощность однофазного трансформатора, включенного по, схеме неполного треугольника.

Измерительный трансформатор напряжения. Схема включения.

рис. 8.

Вопрос 4. Какова конструкция однофазного счетчика активной энергии. Перечислить способы регулировки счетчика Наиболее широко распространены счетчики электрической энергии. Они служат для измерения электрической энергии, отдаваемой электрической станцией в сеть или потребляемой в нагрузке. Правильный учет электрической энергии имеет значение не только при расчетах между поставщиками и потребителями электрической энергии, но прежде всего для рационального планирования выработки и расхода электрической энергии и обеспечения оптимальных режимов работы энергосистем.

В ряде случаев правильный учет электрических величин с помощью электрических счетчиков обусловливает правильность технологических процессов. Например, технология некоторых процессов в химической и алюминиевой промышленности базируется на использовании счетчиков ампер-часов и вольт-часов.

Электрические счетчики во многих случаях являются приборами, по которым задаются режимы эксплуатации электротехнического оборудования. Например, применение счетчиков ампер-часов постоянного тока для контроля процессов заряда и разряда аккумуляторных батарей облегчает их эксплуатацию и, в конечном итоге, приводит к увеличению строка службы Счетчик представляет собой измерительную ваттметровую систему также является интегрирующим (суммирующим) электроизмерительным прибором. Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижной элементы прибора (в диске).

Для измерений электроэнергии переменного тока применяются индукционные и электронные счетчики.

Измеряемая активная энергия, кВт · ч, в общем виде определяется произведением мощности на время: W = Pt.

рис. 1.

Работа индукционного измерительного механизма (рис. 1) основана на создании электромагнитами напряжения 2 и тока 1 переменных магнитных потоков ФU и ФI с углом фазового сдвига между ними 90° и направленных перпендикулярно плоскости диска.

Магнитные потоки ФU и ФI пронизывая алюминиевый диск, индуктируют в нем вихревые токи I’I и I’U Взаимодействие магнитных потоков ФU и ФI с полем вихревых токов создает момент вращения подвижной части Мвр = kФU ФIsin (90° + ц).

Магнитный поток ФU пропорционален приложенному напряжению U. Магнитный поток ФI пропорционален току нагрузки Iн. Тогда Мвр = kUIнcosц, где k — постоянный коэффициент, определяемый конструкцией счетчика.

Постоянный магнит 3 создает тормозной момент. Для компенсации трения в опорах, счетном механизме, диска 4 о воздух, червячной передаче электромагнитом 2 создается компенсационный момент, равный тормозному Мк = Мт.

В результате равенства компенсационного и тормозного моментов подвижная часть при отсутствии тока нагрузки находится в состоянии динамического равновесия.

Основное регулирование характеристик индукционного измерительного механизма осуществляется следующим образом:

— тормозного момента — механическим перемещением постоянного магнита 3;

— компенсационного момента — перемещением пластины магнитного шунта электромагнита 2;

— внутреннего угла фазового сдвига ц — перемещением зажима 5 на сопротивлении R;

-«самохода» — отгибанием флажка 6, расположенного на оси диска 4.

Вопрос 5. Назначение электронного осциллографа. Устройство, принцип действия электронно-лучевой трубки. Производство измерений осциллографом Определение: Осцилломграф (лат. oscillo — качаюсь + греч. гсбцщ — пишу) — прибор, предназначенный для исследования электрических сигналов во временномй области путём визуального наблюдения графика сигнала на экране либо записанного на фотоленте, а также для измерения амплитудных и временнымх параметров сигнала по форме графика.

Устройство и принцип действия электронного осциллографа. Электронный осциллограф предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального наблюдения и измерения их параметров на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Электронно-лучевая трубка представляет собой электровакуумный прибор с одним или несколькими лучами, с помощью которых на экране, покрытом люминофором, получается изображение исследуемого сигнала.

Существуют различные виды осциллографов. В зависимости от назначения и характеристик, в соответствии с ГОСТ 15 094–69, осциллограф: подразделяют на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, цифровые и специальные. Наибольшее распространение получили универсальные осциллографы, позволяющие исследовать разнообразные электрические сигналы в широком диапазоне амплитуд, длительностей и частот повторения сигналов. Полоса пропускания таких приборов достигает 250 МГц. Их можно использовать для наблюдения и измерения сигналов с амплитудами от долей милливольта до сотен вольт и длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд. Изображение сигнала на экране появляется почти одновременно с его действием, поэтому такие осциллографы называют приборами, работающими в реальном времени.

Универсальные осциллографы делят по числу каналов на одноканальные, двухканальные и многоканальные, а по числу лучей электронно-лучевой трубки, на однолучевые, двухлучевые и многолучевые. По ГОСТ 15 094–69 универсальные осциллографы имеют обозначение CI, после которого указывают порядковый номер разработки.

При помощи электронного осциллографа можно измерять напряжение, ток, длительность импульсов или их отдельных участков, частоту и фазу электрических сигналов, период следования импульсов, параметры амплитудной и частотной модуляции, амплитудно-частотные характеристики, частотные спектры, искажение сигналов и др.

Электронно-лучевые осциллографы выполняются по различным схемам и отличаются компоновкой, системой управления, степенью универсальности и сложности.

На рис. 1 представлена структурная схема простейшего ЭЛО, предназначенного для воспроизведения на экране электронно-лучевой трубки кривых периодических колебаний, подводимых к входу У канала вертикального отклонения (канал У). Осциллограф содержит также генератор развертки по оси Х и блок питания. Функциональная схема ЭЛО показана на рисунке 1.

Резистором R1 можно менять величину отрицательного напряжения на модуляторе, что ведет к изменению плотность электронного луча ЭЛТ, а значит и к изменению яркости свечения исследуемой кривой на экране. Резистором R2 можно менять величину напряжение на первом аноде а1 ЭЛТ, что позволяет выполнить фокусировку электронного луча, что улучшает резкость кривой исследуемого сигнала.

Электроды ЭЛТ х1 и х2 линейно отклоняют электронный луч по горизонтали, при помощи пилообразного напряжения, формируемого и усиливаемого в блоке «Развертки по Х». Частоту fп пилообразного напряжения можно ступенчато и плавно менять в заданном масштабе. Зная длину развертки на экране ЭЛТ и частоту пилообразного напряжения, можно найти цену единицы длинны развертки в единицах времени. Это позволяет по изображению кривой на экране определить период колебаний и следовательно частоту fc исследуемого сигнала напряжением Uc. Исследуемый сигнал Uс подается на блок усиления БУ, «Канал Y». С выхода БУ усиленный сигнал Uc подается на вертикальные отклоняющие электроды У1 и У2. При этом электронный луч отклоняется по вертикали пропорционально амплитудной величины Ас исследуемого сигнала Uс. На экране появляется изображение кривой. Коэффициент Ку БУ можно менять на заданную величину и следовательно линейные размеры изображения на экране можно оценить в единицах напряжения.

Для удобства отсчета перед экраном ЭЛТ ЭЛО помещается масштабная сетка. А на органах управления частотой развертки fп и величиной коэффициента Ку, установлены шкалы. На шкалах горизонтальной развертки указана цена времени одной клетки масштабной сетки (t/дел), а на шкалах коэффициента усиления отклонения луча по вертикали указана цена в единицах напряжения на одну клетку масштабной сетки по вертикали (Uc/дел).

Таким образом, при получении устойчивого изображения на экране ЭЛО, по клеточкам масштабной сетки и по шкалам горизонтального и вертикального отклонения можно определить: амплитудное значение сигнала, величину постоянной составляющей, период колебаний, частоту колебаний, увидеть форму кривой, определить искажение, определить переменную составляющую. Особенно незаменим осциллограф при исследовании формы прямоугольных импульсов (например строчных и кадровых в телевизионных системах) и определить их параметры. Специальными осциллографами можно исследовать АЧХ (амплитудно-частотные характеристики) усилителей, получая форму АЧХ прямо на экране.

Рис. 1 Устройство электронно-лучевого осциллографа.

В электронных осциллографах используются три типа развертки: автоколебательная, ждущая и однократная. Автоколебательная развертка используется для наблюдения синусоидальных и импульсных сигналов с небольшой скважностью. В этом режиме напряжение развертки вырабатывается непрерывно, а сигнал внешней или внутренней синхронизации используется для обеспечения кратности частоты следования развертки частоте исследуемого сигнала.

Применение электронно-лучевого осциллографа (ЭЛО) при измерении временных параметров.

К временным параметрам следует отнести период колебаний электрических сигналов, скважность прямоугольных импульсов, длительность импульсов, время подъема переднего фронта (крутизна переднего фронта), спад заднего фронта импульса. По периоду колебаний можно определить частоту электрических колебаний.

Для определения временных параметров необходимо иметь осциллограф работающий в диапазоне частот исследуемого сигнала, иметь достоверную масштабную сетку и штатные кабели к осциллографу.

Подключить осциллограф к сети и вход осциллографа по оси У подключить к точке электрической цепи исследуемого сигнала. Ручкой рода исследуемого сигнала переключить работу осциллографа в режим исследования переменного тока или импульсного тока. Пользуясь ручками переключения длительности развертки по оси Х (влияет на масштаб периода видимого сигнала), ручками коэффициента отклонения по оси У (влияет на масштаб амплитуды видимого изображения на экране), ручками фокусировки (влияет на толщину линии изображения сигнала), ручками яркости (влияет на яркость линии изображения), ручками внутренней или внешней синхронизации изображения (устанавливается изображение неподвижным), добиться устойчивого изображения на экране одного или нескольких периодов колебаний.

Точность измерения временных параметров с помощью осциллографа зависит от погрешности скорости развертки выбранного осциллографа. Если для осциллографа дана погрешность к примеру 10%, следовательно необходимо найти 10% от выбранного предела скорости развертки и вычислить доверительный интервал.

Применение ЭЛО при измерении амплитудных параметров электрических сигналов.

Основным режимом работы электронных осциллографов является режим непрерывной развертки, пригодный для наблюдения любых непрерывных периодических сигналов и последовательностей импульсов с малой скважностью. В этом режиме генератор развертки формирует периодическое пилообразное напряжение, синхронное с исследуемым сигналом.

Исследуемый сигнал, поданный на вход У, может вызвать слишком большое или, наоборот, очень малое отклонение луча по вертикали. В этом случае с помощью ручек «Ослабление» или «Усиление» канала У добиваются требуемого размера изображения на экране ЭЛТ.

Переключатель длительности следует экспериментально установить в такое положение, при котором на экране ЭЛТ будет наблюдаться один или несколько периодов исследуемого сигнала.

Для устойчивости изображения на экране ЭЛТ следует синхронизировать колебания генератора развертки с исследуемым сигналом. Для этого ручками «Уровень» и «Стабильность» добиваются устойчивого изображения на экране трубки.

Яркость и фокусировку при этом необходимо отрегулировать так, чтобы изображение исследуемого сигнала было максимально четким.

При исследовании импульсов с большой скважностью, когда период повторения много больше длительности импульсов, может быть два случая: период развертки установлен равным периоду повторения и период развертки близок к длительности импульса; в обоих случаях осциллограммы непригодны для наблюдения. В первом изображение импульса будет слушком узким, во втором — бледным и неустойчивым.

Непериодические, случайные, импульсы большой скважности, а также однократные сигналы исследуют с помощью линейной ждущей развертки. Сущность ее заключается в том, что в отсутствие сигнала на входе У развертывающее напряжение не вырабаты­вается, генератор развертки «ждет»; поступающий на вход У исследуемый сигнал через устройство синхронизации запускает генератор развертки, который вырабатывает одиночный линейно нарастающий импульс напряжения, поступающий на пластины X. Длительность развертки должна соответствовать параметрам сигнала. Переход на ждущий режим работы осциллографа осуществляется регулятором «Стабильность» до появления на экране трубки устойчивого изображения исследуемого сигнала.

Перед измерением амплитуды исследуемого сигнала, рекомендуется произвести проверку калибровки чувствительности усилителя канала вертикального отклонения У с помощью калибратора амплитуды. Для этого переключатель ослабления входного аттенюатора устанавливают в положение «Калибровка», а ручку «Усиление» усилителя канала вертикального отклонения — в крайнее правое положение, которое соответствует максимальному усилению. Вертикальный размер калиброванного напряжения на экране ЭЛТ должен соответствовать заданному значению, указанному в паспорте осциллографа.

Осциллографом можно измерить ток в нагрузке, если знать сопротивление нагрузки или электрическую мощность нагрузки. Для этого осциллографом измерить амплитудное значение напряжения на нагрузке. Затем по формуле найти действующее значение напряжения на нагрузке. Затем по формуле найти величину действующего тока нагрузки. Если известно только сопротивление нагрузки по формуле можно найти мощность нагрузки.

Можно осциллографом определить сопротивление нагрузки, если известен ток через нагрузку. Для этого измерить амплитудное значение напряжения на нагрузке. По формуле найти действительное значение напряжения и затем по закону Ома найти сопротивление.

ЗАДАЧА № 1.

Условие:

рис. 1.

Сопротивления подключены по схеме (рис.1). Ток в неразветвленной части цепи I=12А, в сопротивлениях I1=3А, I2=5А. Чему равны абсолютная и относительная погрешности амперметра, указанного в схеме, если его показания I3=3,8А.

Решение:

Расчетный ток в цепи r3 составляет: I3= I-I1-I2=12−3-5=4(А) Абсолютная погрешность? I=I3-I3расч.=3,8−4=-0,2(А) Относительная погрешность у=?I:I3расч.х100%=0,2:4×100%=5%.

Ответ: абсолютная погрешность составляет -0,2А;

относительная погрешность составляет 5%;

ЗАДАЧА № 2.

Условие:

Счетчик с номинальными параметрами 5А, 100 В и передаточным числом 1квт/час — 2500 оборотов диска, присоединен к измерительным трансформаторам тока с коэффициентом трансформации К=300/5А и напряжения с коэффициентом трансформации К1=600/100 В. При определении мощности отсчитано 15 оборотов диска за 58 секунд. Определить величину активной мощности нагрузки.

Решение:

Определим номинальную постоянную счетчика Сном.:

Сном.=3600*1000:2500=1440(Вт*с/об) Определим учтенную нагрузку с низкой стороны:

Рн=Сном.*Nоб.:t=1440*15:58=372,4 (Вт) Определим активную мощность нагрузки:

Р=Рн*К*К1=372,4*300/5*600/100=372,4*60*60=1 340 640 (Вт)=1340,64(кВт) Ответ: активная мощность нагрузки составляет 1340,64кВт.

1. Работа с электронно-лучевым осциллографом Новопольский В. А. 1999.

2. ГОСТ 6570–96. Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1997.

3. ГОСТ 30 206–94. Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 0,2S и 0,5S). — М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996.

4. ГОСТ 30 207–94. Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 1 и 2). — М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996.

5. ГОСТ 7746–89. Трансформаторы тока. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

6. ГОСТ 1983;89. Трансформаторы напряжения. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

7. Правила устройства электроустановок. / Минэнерго СССР. -6-е изд. перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

8. Загорский Я. Т., Комкова Е. В. Погрешности измерений электроэнергии при влиянии внешних величин и параметров контролируемых присоединений // Метрология электрических измерений в электроэнергетике: Доклады науч.-техн. семинаров и конференций 1998;2001 гг. / Под общ. ред. Я. Т. Загорского. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001.