Выбор измерительного прибора
При поиске дефекта выбирают измерительный прибор и составляют схему измерения в зависимости от измеряемого параметра (величины), диапазона его изменения (номинального и максимального значения), точности, с которой параметр должен быть измерен (погрешности его измерения).
При выборе прибора следует учитывать, что интересующий параметр может быть определен не только прямым измерением, но и косвенно—вычислением через другой параметр, связанный с ним.
Для получения достоверных результатов важно не только правильно выбрать и использовать прибор, но и верно составить измерительную схему или подключить прибор, обязательно учитывая его параметры. В ином случае можно получить ложную информацию о состоянии объекта контроля. Так, падение напряжения на внутреннем сопротивлении миллиамперметра, включенного в эмиттерную цепь транзистора, изменяет потенциал эмиттера, напряжение база-эмиттер Uбэ , ток базы и, в конечном итоге, режим работы прибора.
При этом следует учитывать, что если в схеме с общим эмиттером изменение тока базы (при прочих постоянных параметрах) обратно пропорционально изменению сопротивления в цепи эмиттера Rэ, то в схеме с общим коллектором влияние сопротивления в цепи эмиттера более сильно, а именно обратно пропорционально:
R = Rь + (1 + Р) Rэ , (3)
1де Re—сопротивление в цепи базы; р — коэффициент усиления транзистора по току. Поэтому ток эмиттера рекомендуется оценивать косвенно, измеряя ток коллектора. Особенно важно учитывать влияние параметров измерительного прибора на режим работы схемы при применении технологического перехода «промежуточные измерения», отличающегося тем, что его выполняют в нескольких точках схемы объекта контроля, связанных между собой каким-либо сигналом, прохождение которого проверяется от элемента к элементу, от блока к блоку. Вместе с тем влияние прибора на режим работы схемы может иногда помочь поиску дефекта.
Выбирая прибор, следует помнить, что его можно использовать не только по прямому назначению (амперметр ;— для измерения тока, вольтметр — для измерения напряжения), но и для определения других параметров и характеристик. Так, с помощью вольтметра можно кроме измерения напряжения проверить соединение обмоток, электродвигателей, трансформаторов и др.
Предел измерения прибора выбирают в зависимости от диапазона измерения параметра. При этом необходимо, чтобы ожидаемое значение измеряемой величины лежало возможно ближе к пределу измерения прибора. Кроме того, диапазон изменения измеряемой величины должен перекрываться диапазоном измерения измерительного прибора как в большую, так и в меньшую стороны. Следует учитывать, что приборы с неравномерной шкалой обеспечивают измерение только на участке от 20 до 100 °/о предела измерения. При прочих равных условиях следует отдавать предпочтение приборам, шкала которых имеет нуль слева или справа, так как приборы с нулем посредине при прочих равных условиях имеют большую приведенную погрешность. (Эта рекомендация не относится к случаю использования прибора с нулем в середине шкалы в качестве индикатора нуля).
Стандартом установлены следующие классы точности приборов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,5; 4,0 и др. Класс точности Ск принято определять как наибольшую допустимую для данного прибора погрешность в процентах, отнесенную к конечному значению рабочей части шкалы. Поэтому погрешность бох при любом показании п прибора с пределом измерения N определяют по формуле
б 0x = CKN/n. (4)
При выборе прибора по классу точности следует учитывать, что максимальное приближение погрешности бох к значению класса точности составляет примерно ±2Ск. Поэтому класс точности выбранного прибора должен быть, по крайней мере, на один класс выше требуемой точности измерений.
При работе с выбранным прибором для приближения погрешности бох к его классу точности нельзя допускать отклонения прибора от нормального положения, поскольку наклон на 5—10° может вызвать дополнительную приведенную погрешность, равную классу точности. Кроме того, не допускается значительное отклонение температуры окружающей среды от нормальной (20 °С), так как при изменении температуры на каждые 10—20 СС (в зависимости от группы прибора) возникает дополнительная погрешность, равная классу точности. Если температура окружающей среды значительно отличается от нормальной, необходимо использовать приборы группы Б или лучше В. Применяя приборы группы А, нужно учитывать, что для них дополнительная погрешность при температуре выше 35 °С и ниже 10 °С не нормируется. Необходимо также оберегать прибор от воздействия посторонних магнитных полей.
На результирующую погрешность измерения оказывает влияние не только класс точности и предел измерения, но и число нанесенных на шкалу делений, так как точность отсчитывания показаний в приборах без нониуса не может быть выше половины наименьшего деления шкалы. Поэтому при поиске дефектов следует отдавать предпочтение приборам, шкалы которых имеют не менее 100 нанесенных делений.
При поиске дефектов кроме влияния измерительного прибора на объект контроля возможны также искажения результатов измерений, вызванные влиянием параметров объекта контроля на измерительный прибор.
Пример 9. Определение тока по измеренному напряжению. Пусть необходимо измерить постоянный ток, проходящий через резистор R, сопротивление которого известно, не разрывая для подключения измерительного прибора цепь тока. Это условие исключает применение любых амперметров, а так как измеряется постоянный ток, нельзя применить токоизмерительные клещи. Поэтому воспользуемся законом Ома, согласно которому падение напряжения на сопротивлении пропорционально протекающему через это сопротивление току. Так как сопротивление резистора известно, то, измерив на нем вольтметром напряжение U (рис. 11), можно по закону Ома вычислить искомый ток
I = U/R. (5)
Напомним, что при подключении вольтметра необходимо соблюдать условие
Rpu> 100R, (6)
где Rpu— внутреннее сопротивление вольтметра.
Обратим внимание на то, что рассмотренный в примере способ измерения тока более характерен для перехода «промежуточные измерения».
Пример 10. Измерение сопротивления методом вольтметра-амперметра. Возможны два варианта включения вольтметра: параллельно резистору R (поз. I на рис. 12) и параллельно группе из последовательно соединенных резистора R и амперметра РА (поз. II на рис. 12). Обе схемы включения приборов дадут разные результаты, если для определения сопротивления подставить показания приборов РА и PU в
Рис. 11. Измерение тока по падению напряжения на сопротивлении резистора
Рис. 12. Измерение сопротивления методом вольтметра-амперметра
формулу (5). Происходит это потому, что в формуле (5) не учтено обязательное для работы реальных приборов потребление энергии от схемы.
Амперметр РА при включении вольтметра PU в соответствии с поз. / будет измерять не только ток, проходящий через резистор R, но и ток, проходящий через внутреннее сопротивление вольтметра Rput Поэтому фактическое значение сопротивления
(8)
Пример И. Влияние параметров объекта контроля на показания измерительного
При включении вольтметра в соответствии с поз. II он будет измерять не только падение напряжения на резисторе R, но и на сопротивлении амперметра Rpa, поэтому
прибора. Предположим, что для измерения сопротивления изоляции объекта контроля на номинальное напряжение 380 В выбран мегаомметр напряжением 500 В, имеющий предел измерения 1000 МОм. Результат измерения показал — сопротивление изоляции равно 10 МОм, что значительно превышает норму.
Рассмотрим нагрузочную характеристику выбранного мегаомметра (рис. 13), показывающего зависимость
Рис. 13. Нагрузочная характеристика мегаомметра
напряжения U(%) на его зажимах от измеряемого сопротивления изоляции гх. Согласно этой характеристике при сопротивлении изоляции 10 МОм, составляющей 1 % от предела измерения прибора, напряжение на его зажимах составляет около 70 %, т. е. около 270 В и, следовательно, ниже номинального напряжения питания объекта контроля.
Таким образом, выбранный нами мегаомметр из-за влияния на его выходное напряжение сопротивления изоляции не может выявить грубые дефекты изоляции. Практическим выводом из данного примера является то, что выбирать мегаомметр следует как по пределу измерения, так и по напряжению. Хотя сопротивление изоляции не зависит от приложенного напряжения, но всегда следует применять мегаомметр, номинальное напряжение которого наиболее близко к допустимому для данной изоляции, чтобы при измерении одновременно выявить ее грубые дефекты.
Пример 12. Использование эффекта влияния прибора на объект контроля для поиска дефекта. Рассмотрим схему дистанционной
сигнализации о работе пускателя К (рис. 14), который соединяется со щитом питания Z1 пятижильным кабелем Е1. Три жилы кабеля служат для подачи питания в главную цепь пускателя, а две — для передачи на щит информации о его работе. При разработке схемы предполагалось, что при включении пускателя К кнопкой S на щите Z1 должна загораться сигнальная газосветная лампа Н1. Проверка реальной схемы показала, что своего назначения она не выполняет изза того, что лампа Н1 при подаче питания на щит Z1 горит постоянно, независимо от состояния вспомогательного контакта К: 1.
Рис. 14. Схема дистанционной сигнализации о работе пускателя
Измерим сначала напряжение на зажимах 1-3 лампы Н1. Так как измеряется напряжение питания 220 В постоянного тока, то используем вольтметр с пределом измерения 300 В. Вольтметр показал, что напряжение на зажимах лампы равно 110 В. Попробуем измерить это напряжение точнее, перейдя на шкалу 150 В. Показания вольтметра стали 60 В. Таким образом, измеряя напряжение, мы обнаружили, что при уменьшении предела измерения уменьшаются и показания вольтметра. Поэтому попробуем еще раз изменить предел измерения, уменьшив его до 75 В. В этом случае стрелка вольтметра остановилась на отметке 40 В, а лампа Н1 погасла.
В паспорте газосветной лампы указано, что напряжение зажигания ламп этого типа — не менее 60 В. Поэтому понятно, почему она погасла: напряжение на ее выводах стало ниже напряжения зажигания.
Так как известно, что при уменьшении предела измерения вольтметра его внутреннее сопротивление уменьшается, вполне понятно уменьшение напряжения на зажимах лампы: оно происходит из-за увеличения тока в цепи, Какой же источник в этом случае питает лампу, если она реагирует даже на такое незначительное изменение нагрузки, которое происходит при изменении предела измерения вольтметра? Разумеется, это ни сеть 380 В, от которой получает питание электродвигатель, сеть 220 В, от которой питается схема сигнализации.
Рис. 15. Зависимость тока статора асинхронного двигателя от нагрузки
Рассмотрим схему, из которой видно, что на значительном участке, а именно в кабеле Е1, цепи сигнализации и цепь 380 В находятся рядом. Так как известно, что изоляция между любыми проводниками не идеальна и обладает некоторым сопротивлением и емкостью, можно утверждать, что «лишняя» энергия, вызывающая свечение лампы Н1, проникает в схему из сети переменного тока через сопротивление и емкость изоляции кабеля 111. Вследствие того что сопротивление изоляции достаточно велико, увеличение тока, возникающее при подключении вольтметра, приводит к уменьшению наведенного напряжения.
Таким образом, при поиске дефекта найдена не только его причина, но и определен способ, которым он может быть устранен. Для этого параллельно лампе 111 необходимо подключить резистор, аналогично тому, как подключался вольтметр.
Пример 13. Выбор предела измерения прибора. Пусть необходимо выбрать предел измерения амперметра для измерения тока двигателя, номинальные данные которого таковы: РН=Ю кВт, (/=380 В, 1Н== = 18 А, я =1500 мин-1.
Так как номинальный ток электродвигателя /Н=18А, предел измерения амперметра не может быть меньше 20 А. При этом ожидаемое значение измеряемой величины для уменьшения погрешности измерения должно находиться в правой половине шкалы. Следовательно, предел измерения должен соответствовать неравенству: 36>/п> 18.
Предел измерения прибора для режима холостого хода определим с помощью обобщенных кривых, показывающих зависимость тока статора от нагрузки и рассчитанных Г. П. Мининым для короткозамкнутых асинхронных электродвигателей с различными токами холостого хода (рис. 15). Максимальный ток холостого хода /х.х тах=
= 0,6 1 н. Поэтому диапазон прибора для измерения то-, ка холостого хода находится в следующих пределах: 0,6 /„ = 10,8 < /п< 21,6.
Из этих неравенств следует, что при использовании амперметра с одним пределом измерения /п=20 А, а, применяя два прибора или двухпредельный прибор для измерения тока нагрузки и тока холостого хода, /П1 = =20 А и /П2 = 15 А соответственно.
Результаты измерения тока при реальной нагрузке показывают, что если необходимо повышение точности измерений, должны быть выбраны следующие пределы: /'г =15 А — для измерения тока нагрузки и Ги2 — = 10 А — для измерения тока холостого хода.
Пример 14. Определение мощности асинхронного электродвигателя по измеренному току. Пусть необходимо определить мощность, потребляемую электродвигателем, номинальные данные которого были приведены в примере 13.
Как известно, потребляемая электродвигателем из сети мощность (кВт) равна
(9)
При изменении нагрузки на валу изменяется ток статора 1 и коэффициент мощности cos ф. Поэтому между нагрузкой на валу и током статора нет прямой пропорциональности.
Традиционный метод определения мощности ваттметром требует для его подключения разрыва цепи тока, что при поиске дефекта в асинхронных электродвигателях не всегда удобно, а иногда и невозможно. Использование токоизмерительных клещей и кривых, приведенных на рис. 15, позволяет определить мощность без разрыва цепи тока, для чего необходимо дважды измерить ток статора —при холостом ходе и под нагрузкой.
Пусть, измерив ток холостого хода, получим /х-х=. — 7,2 А. Тогда его значение по отношению к номинальному будет ixx=lxxllн=7,2/18 = 0,4. Ток статора при нагрузке /=13,5 А, а его значение по отношению к номинальному, /=1//н= 13,5/18 = 0,75.
По кривым, приведенным на рис. 15, определим, что »значение мощности по отношению к номинальной для этих двух измерений составит р = Р/Рн=0,73. Искомая мощность Р = 0,73-10 = 7,3 кВт.
Пример 15. Уменьшение погрешности выбором предела измерения п р и б о р а. Пусть для измерения тока в цепи используется амперметр класса точности Ск=1,0, причем его шкала имеет 150 делений. Следует определить погрешность измерения при отклонении стрелки на 15 и на 100 делений.
Воспользуемся формулой (4) и вычислим погрешности бо лг= 1,0-150/15=0,1; 6о х== 1,0-150/100 = 0,015. Отсюда видно, что класс точности приборов не характеризует точность выполненных измерений.
Пример 16. Выбор класса точности прибора по заданной погрешности измерения. Пусть необходимо выбрать амперметр прямого включения для измерения тока до 0,5 А, обеспечивающий максимальную ожидаемую относительную погрешность не выше 2,5 %. Зная, что боя ~ ±2СК, находим примерное значение требуемого класса точности прибора: Ск^ ^2,5/2 = 1,25. Следовательно, необходимо использовать амперметр класса точности 1,0.
