Измерение величин переменного тока

Тест №2 «Электрические измерения»

Вариант 1

1. Укажите, цену деления и показание прибора рис.1.

А. 0,5А; 0,55А. Б. 0,05А; 0,55А В. 0,05А; 0,45А Г. 0,1 А; 0,45А

Рис.1

Установите соответствие между типом прибора и его условным обозначением на панели прибора

1	Магнитоэлектрический с подвижной рамкой	А
2	Электромагнитный	Б
3	Электродинамический	В
4	Электростатический	Г

Установите соответствие между средством измерения и измеряемой величиной.

№	Средство измерения	№	Измеряемая величина
1	Варметр	А	Напряжение
2	Омметр	Б	Сила тока
3	Ампермет	В	Сопротивление
4	Вольтметр	Г	Мощность

4. Как называется кратная приставка единиц измерения напряжения равная 10⁶ ?

А. Километр

Б. Миллиампер

В. Микроом

Г. Мегавольт

Как связаны между собой амплитудные и среднеквадратические значения синусоидальных токов?

А. I_с.к. = I_m Б. I_m = √ 2 I_c.к. В. I_с.к. = √ 2 I_m Г. √ 3 I_m = I_с.к.

Температура по шкале Кельвина равна 312К, чему равна эта температура по шкале Цельсия?

А. – 15⁰С    Б. 25⁰С В. 39⁰С Г. 111⁰С

7. Каков смысл символа « «на электроизмерительном приборе?

А. Измерительный прибор эксплуатируется при вертикальном расположении шкалы.

Б. Измерительный прибор эксплуатируется при горизонтальном расположении шкалы.

В. Измерительный прибор эксплуатируется при вертикальном и горизонтальном расположении шкалы.

Г. Измерительный прибор эксплуатируется при расположении шкалы под углом.

8. Как соединены между собой резисторы R ₅ и R ₆ на рис.2?

А. Смешанно Б. Параллельно  В. Последовательно Г. Среди ответов А-В нет верного

Рис.2

9. Какой из приборов, изображенных на рис.3, включен в цепь неверно и почему?

А. A1 амперметр, включается последовательно Б. A1 амперметр, включается параллельно В. A2 амперметр, включается параллельно Г. A2 амперметр, включается последовательно

A 1                              A 2                     Рис.3

10. Какому виду нагрузки и элементу цепи соответствует график и векторная диаграмма на рис.4?

А. Индуктивная…. катушки Б. Индуктивная ……резистора В. Ёмкостная …..катушки Г. Ёмкостная …..конденсатора

Р   Р ис.4

 

 

Критерии оценки результатов тестирования.

Задания 1, 4 - 10 оцениваются одним баллом. Итого 8 баллов.

Задание 2 и 3 оценивается по четыре балла каждый (одно соответствие – один балл). Итого 8 баллов

Максимальное количество баллов - 16.

За 7- 11 баллов оценка «3»

За 12- 14 баллов оценка «4»

За 15 – 16 баллов оценка «5»

Тест №2 «Электрические измерения»

Вариант 2

1. Укажите цену деления и показание прибора рис.1.

А. 10В; 30В Б. 5В; 25В В. 4В; 28В Г. 3В; 26В

Рис.1

Установите соответствие между типом прибора и его условным обозначением на панели прибора

1	Магнитоэлектрический с подвижной рамкой	А
2	Электромагнитный	Б
3	Электродинамический	В
4	Электростатический	Г

Установите соответствие между физической величиной и единицей измерения.

№	Физическая величина	№	Единица измерения
1	Мощность активная	А	Фарад
2	Напряжение	Б	Ом
3	Сопротивление	В	Ватт
4	Электроемкость	Г	Вольт

4. Как называется дольная приставка единиц измерения силы тока равная 10 ^-6 ?

А. Километр

Б. Миллиом

В. Микроампер

Г. Мегавольт

Измерение величин переменного тока

 

    Переменный ток — электрический ток, направление и сила которого изменяются периодически. Так как обычно сила переменного тока изменяется по синусоидальному закону, то переменный ток представляет собой синусоидальные колебания напряжения и силы тока.

Поэтому к переменному току применимо все то, что относится к синусоидальным электрическим колебаниям. Синусоидальные колебания — колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется по закону синуса. В данной статье поговорим о параметрах переменного тока.

Изменение ЭДС и изменение тока линейной нагрузки, подключенной к такому источнику, будет происходить по синусоидальному закону. При этом переменные ЭДС, переменные напряжения и токи, можно характеризовать основными четырьмя их параметрами:

· Период Т = [c];

· Частота f = [Гц];

· Амплитуда I_mU_m;

· действующее значение I. U.

Есть и вспомогательные параметры:

· угловая частота ;

· фаза ;;

· мгновенное значение i,

· индуктивное и ёмкостное сопротивления Х_L. X_C.

 

Вам уже известно, что переменное напряжение чередует свою полярность, а переменный ток чередует свое направление. Вы также знаете, что отследив чередование направлений переменного тока (полярностей переменного напряжения) во времени, можно построить график в виде "волны". А еще вы можете рассчитать скорость этих чередований (частоту), определив время одного периода волны.

Однако определить величину переменного тока или напряжения. При работе с постоянным током (напряжением) проблем не возникает, так как его величина стабильна. Итак, каким образом можно измерить такую величину, которая постоянно меняется?

Один из способов решения этой проблемы состоит в измерении высоты пика на графике волны (см. рисунок ниже):

Другой способ состоит в измерении общей высоты между противоположными пиками (от пика до пика):

      К сожалению, оба этих способа могут ввести в заблуждение при сравнении двух различных типов волн. Например, прямоугольная волна с пиком 10 вольт будет держать это напряжение в течение большего количества времени, чем треугольная волна с тем же самым пиком - 10 вольт. Воздействие этих двух напряжений на нагрузку будет различным (см. рисунок ниже):

      Одним из способов выражения амплитуды различных форм волны является математическое усреднение значений всех точек графика в единое, общее значение. Такая мера известна как среднее значение волны. Если все точки волны усреднить алгебраически (то есть, учесть их знак, положительный или отрицательный), то среднее значение для большинства волн окажется равным нулю, поскольку положительные точки полного цикла компенсируют отрицательные (см. рисунок ниже):

Это, конечно, будет справедливо для любой формы волны, имеющей равные части выше и ниже нулевой линии графика. Однако, на практике среднее значение волны определяется как математическое среднее всех точек ее цикла. Другими словами, среднее значение рассчитывается с учетом того, что все точки имеют положительные значения (см. рисунок ниже):

      Нечувствительные к полярности стрелочные измерительные приборы (одинаково реагирующие на положительные и отрицательные полупериоды переменного тока/напряжения) будут регистрировать практическое среднее значение волны, так как инерция стрелочного указателя (вызванная напряжением пружины) зафиксирует среднюю силу, создаваемую различными значениями тока/напряжения с течением времени. И наоборот, чувствительные к полярности стрелочные измерительные приборы будут "вибрировать" под воздействием переменного тока/напряжения, их стрелочный указатель будет быстро колебаться около нулевой отметки, показывая истинное (алгебраическое) среднее значение для симметричной волны. Упоминаемое далее в этой статье "среднее" значение волны мы будем соотносить именно с "практическим" средним значением, если не указано иное.

Другой способ получения общего значения амплитуды волны основывается на способности этой волны совершить полезную работу на сопротивлении нагрузки. К сожалению, такое измерение переменного тока/напряжения будет отличаться от "среднего" значения волны, так как мощность, рассеиваемая на заданной нагрузке (работа, выполненная за единицу времени), не прямо пропорциональна величине напряжения или тока.

Мощность будет пропорциональна квадрату напряжения или тока, подаваемого на сопротивление

(Р = E² / R, и P = I²R).

 

Давайте рассмотрим ленточную пилу и электролобзик - два типа современного деревообрабатывающего оборудования. Оба типа пил имеют тонкие зубчатые полотна, приводимые в движение электромоторами. Однако, ленточная пила использует непрерывное движение полотна, в то время как электролобзик - возвратно-поступательное. Сравнение переменного тока с постоянным можно уподобить сравнению этих двух типов пил:

 

 

Проблема описания величины переменной составляющей присутствует и в данной аналогии: каким образом можно выразить скорость движения полотна электролобзика? Полотно ленточной пилы движется с постоянной скоростью, что равноценно постоянному напряжению, величина которого всегда одинакова. Полотно же электролобзика движется взад-вперед, и скорость его движения постоянно меняется. Более того, возвратно-поступательные движения двух электролобзиков разной конструкции не могут быть одинаковыми. Движение полотна одного электролобзика может описываться формой синусоидальной волны, в то время как движение полотна другого лобзика - формой треугольной волны. Оценивать скорость движения полотна электролобзиков по пиковым значениям некорректно, у разных типов лобзиков эти значения будут разными. Несмотря на вышесказанное, все типы пил выполняют одну работу (пилят древесину), и количественное сравнение этой общей функции может служить основой для оценки скорости движения их полотна.

Давайте представим себе, что рядом друг с другом стоят две пилы: одна ленточная, а другая - электролобзик. Обе этих пилы имеют одинаковые полотна (одинаковый шаг зуба, угол и пр.), и в равной степени (с одинаковой скоростью) способны обрабатывать древесину одного и того же типа и одной и той же толщины. В данном случае мы можем сказать, что эти пилы эквивалентны, а их режущие способности (выполняемая работа) равны. Можно ли это сравнение использовать для выражения скорости возвратно-поступательного движения полотна электролобзика через скорость вращательного движения полотна ленточной пилы? Конечно можно!

Эта же идея используется и для "назначения" эквивалента постоянного тока (напряжения) измеряемому переменному току (напряжению): одинаковые значения постоянного и переменного тока (напряжения) произведут одинаковое количество тепла на одном и том же сопротивлении (см. рисунок ниже):

 

 

Обе этих цепи имеют одинаковые сопротивления нагрузки (2 Ома), которые рассеивают одинаковое количество мощности (50 Вт) в виде тепла.

Значение силы тока или напряжения (ЭДС) при этом называется действующим или " Среднеквадратичным значеним ".

Алгоритм расчета среднеквадратического значения прост: каждое значение данных в течение предопределенного периода (обычно это один цикл) умножается само на себя (возведение в квадрат), а затем все такие значения в течение периода усредняются (суммируются с последующим делением на общее количество) и из полученного значения извлекается квадратный корень.

Измерение величины Среднеквадратичного значения используется в подавляющем большинстве случаев при работе с электричеством (является лучшим способом связи величины переменного напряжения/тока с величиной постоянного напряжения/тока, или с другими величинами переменного напряжения/тока, имеющими разные формы волн).

I = I_m /

U = U_m /

Но, в некоторых случаях лучше использовать измерения от пика до пика. Например, при определении необходимого размера провода, предназначенного для поставки электроэнергии от источника питания к нагрузке, лучше использовать измерение RMS величины тока, поскольку основное беспокойство у нас вызовет возможный перегрев провода, являющийся функцией рассеивания мощности при прохождении тока через сопротивление провода. Однако, при оценке изоляции высоковольтных проводов лучше всего использовать измерения от пика до пика, поскольку основное беспокойство в этом случае вызывает возможный "пробой" изоляции именно пиковыми значениями.

Измерение пиковых значений или значений от пика до пика лучше всего проводить при помощи осциллографа, который может захватить "гребни" волны с высокой степенью точности благодаря быстрому действию электронно-лучевой трубки в ответ на изменения напряжения. Измерения можно проводить аналоговыми измерительными приборами (гальванометрами конструкции д’Арсонваля/Уэстона, электромагнитными измерительными приборами, электродинамическими измерительными приборами), если они откалиброваны в Среднеквадратичных значениях".  

Лучше всего для измерения «Среднеквадратичных значений» (RMS). Аббревиатура RMS обозначает "Root Mean Square"  величин подходят специально разработанные электронные измерительные приборы.

 Они производят приборы класса “True-RMS”, которые содержат крошечный резистивный нагревательный элемент, питаемый от напряжения пропорционального измеряемому.

Тепловой эффект данного элемента измеряется термически, и дает истинное значение RMS. Математические вычисления здесь вообще не производятся, все основано на законах физики. Точность таких измерительных приборов не зависит от формы волны.

Для симметричных форм волн существуют простые коэффициенты преобразования между следующими видами значений: пиковым, от пика до пика (Peak-to-Peak или Р-Р), практическим средним (Average или AVG) и среднеквадратичным (RMS):