Электрлік өлшеулер

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ  БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

М. ТЫНЫШПАЕВ АТЫНДАҒЫ КӨЛІК ЖӘНЕ КОММУНИКАЦИЯЛАР АКАДЕМИЯСЫ

 

 

 

 

 

«Электроэнергетика» кафедрасы

 

 

 

 

З.К. Джабагина, К.Ж. Койшибаева

 

 

 

 

ЭЛЕКТРЛік өлшеуЛЕР

 

 

Оқу құралы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы-2008

 

 

УДК 621.31

 

 

 

 

 

 

Джабагина З.К., Койшибаева К.Ж.

Электрлік өлшеулер.  Оқу құралы. Алматы: ҚазККА, 2008-  143 б.

 

Оқу құралы «Электрлік өлшеулер» курсы бойынша теориялық материалдарды және лабораториялық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқауларды қамтиды.

Пән метрология туралы түсініктер, өлшеудің түрлері мен әдістері, өлшеу  дәлдігі мен қателіктері, электр механикалық аспаптар, масштабты  өлшеуіштік түрлендіргіштер, тұрақты  және айнымалы тоқ көпіршелері, электрондық  осциллограф және сандық аспаптар бөлімдерін қамтиды.

Әрбір бөлімнің басында  білімді тексеріп отыру үшін  теориялық негізгі ұғымдар және негізгі формулалар, өздік жұмыстар үшін есептерді шешу үшін үлгілер, білімді  тексеріп отыру үшін  тестілік сұрақтар келтірілген.

Бұл оқу құралы „Электроэнергетика”, „Радиотехника, электроника, телекоммуникация” және „Автоматтандыру және басқару” мамандықтарының студенттеріне арналған.

 

Пікір жазғандар:

 

Қойшиев Т.Қ. - техника  ғылымының докторы, профессор,

Көпесбаева А.А.- техника  ғылымының кандидаты, доцент,

Иманбекова Т.Ж. - техника  ғылымының кандидаты, доцент.

 

Баспаға авторлық нұсқада ұсынылды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

© М.Тынышпаев атын. ҚазҚКА, 2008

 

© Джабагина З.К., Койшибаева К.Ж., 2008

 

 

	МАЗМҰНЫ
	кіріспе	5
1	МЕТРОЛОГИЯ  МЕН ЭЛЕКТР ӨЛШЕУЛЕРІНІҢ НЕГІЗГІ  ҰҒЫМДАРЫ	6
1.1	Өлшемдіктер	6
1.2	Халықаралық бірліктер  жүйелері	12
1.3	Метрология мен электр өлшеулерінің негізгі ұғымдары  тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	18
2	ӨЛШЕУ  ТҮРЛЕРІ  МЕН  ӘДІСТЕРІ	19
3	ӨЛШЕУ ҚАТЕЛІКТЕРІ	24
3.1	Студенттердің өз бетінше «Өлшеу қателіктері» тақырыбына дайындалуына көмекші тәжірибелік материалдар	28
3.2	Өлшеу қателіктері тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	31
4	Өлшеу құрал-жабдықтарының сипаттама-лары жайлы жалпы мәліметтер	32
5	ӨЛШЕУІШТІК  ТҮРЛЕНДІРГІШТЕР	35
5.1	Шунттар	35
5.2	Кернеу бөлгіштер	37
5.3	Студенттердің өз бетінше «Өлшеуіштік түрлендіргіштер» тақырыбы бойынша дайындалуына көмекші тәжірибелік    материалдар	38
5.4	Өлшеуіштік түрлендіргіштер тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	39
6	Айнымалы  тоқ тізбегіндегі тоқ және кернеу түрлендіргіштері	41
6.1	Өлшеуіштік тоқ трансформаторы	41
6.2	Өлшеуіштік кернеу трансформаторы	43
6.3	Айнымалы тоқ тізбегіндегі тоқ және кернеу түрлендір-гіштері тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	44
7	ЭЛЕКТР  МЕХАНИКАЛЫҚ  АНАЛОГТЫ АСПАПТАР	45
7.1	Аспаптың құрылымдық схемасы	45
7.2	Магнит электрлік жүйедегі аспаптар	49
7.3	Электр магниттік жүйедегі аспаптар	52
7.4	Электр динамикалық (ферродинамикалық) жүйедегі  аспаптар	53
7.5	Электр статикалық жүйедегі аспаптар	55
7.6	Индукциялық жүйедегі аспаптар	57
7.7	Электр механикалық  аналогты аспаптар тақырыбы бойынша  тестілік сұрақтар	62
8	ӨЛШЕУДІҢ КӨПІРЛІК СҰЛБАЛАРЫ	66
8.1	Тұрақты тоқ көпірі	66
8.2	Айнымалы тоқ көпірі	67
8.3	Өлшеудің көпірлік сұлбалары тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	70
9	САНДЫҚ ӨЛШЕУІШ  АСПАПТАР (СӨА)	71
9.1	Негізгі түсініктер мен  анықтамалар	71
9.2	Кілттер мен логикалық  элементтер	75
9.3	Уақыт–импульстік  және интегралдаушы  вольтметрлер	81
9.4	«Сандық өлшеуіш аспаптар» тақырыбы бойынша есеп шығару	85
9.5	Сандық өлшеуіш аспаптар тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	85
10	ЭЛЕКТРОНДЫ  ОСЦИЛЛОГРАФ	88
10.1	Негізгі элементтері  мен жұмыс принциптері	90
10.2	Осциллографтың құрылымдық схемасындағы элементтердің міндеттері	90
10.3	«Электронды осциллограф»  тақырыбы бойынша  есеп шығару	92
10.4	Электронды осциллограф тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	95
11	ЭЛЕКТР ӨЛШЕУ  ҚҰРАЛ-ЖАБДЫҚТАРЫНЫҢ ӘДІСТЕРІ. ЭЛЕКТРЛІК  ЕМЕС ШАМАЛАРДЫ ӨЛШЕУ ӘДІСТЕРІ	96
11.1	Электр өлшеу құрал–жабдықтарының  әдістері	96
11.2	Тоқ күшін өлшеу	98
11.3	Кернеуді өлшеу	100
11.4	Қуатты өлшеу	102
11.5	Электр энергиясын өлшеу	106
11.6	Электрлік емес өлшеу  әдістері	107
11.7	Электр өлшеу құрал-жабдықтарының әдістері. Электрлік емес шамаларды өлшеу әдістері тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	109
12	АҚПАРАТТЫҚ  ӨЛШЕУ ЖҮЙЕЛЕРІ	111
12.1	Классификациялары мен  анықтамалары	111
12.2	Ақпараттық өлшеу жүйесінің құрылымы	115
12.3	Ақпараттық өлшеу жүйелері тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар	118
	ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫСТАР	119
	ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ	150

 

Кіріспе

 

 «Электрлік өлшеулер» курсының мақсаты студенттерге:

• метрологияның ең маңызды қалпы бойынша электрлік әдістерді және өлшеу тәсілдерін пайдаланып, шамаларды және үрдістегі параметрлерді өлшеу жөнінде білу;
• электрлік өлшеудің негізгі әдістері бойынша, электрлік өлшеуіш ас-паптарының жұмыс жасау принципі  мен  құрылысы бойынша білім алу;
• электрлік өлшеуіш аспаптарды пайдаланып эксперименттік зерттеу жүргізе білу;
• электрлік өлшеуіш аспаптарды іс жүзінде пайдалануға дағдылануды қалыптастыру.
• электрдік шамаларды өлшеуді іс жүзінде саналылықпен жүргізе білуін қалыптастыру болып саналады.

Кітапта пәнді оқытудың негізгі мақсаты - пәнді тек теориялық жағынан оқып үйренуді ғана емес, сонымен қатар онда электромагниттік құбылыстар мен электрлік үрдістердің қолдану аймақтарын тәжірибелік тұрғыдан қарастыру мәселелері анықталған.

«Электрлік өлшеулер» курсын оқып үйренудің барысында студенттер өзінің біліктілігін және өз бетінше жұмысты ұйымдастыру қабілеттілігін қалыптастыра алады.

Әрбір бөлімде білімді  тексеріп отыру үшін негізгі ұғымдар, анықтамалар мен формулалар, өздік  жұмыстар үшін есептер және оларды шешу үлгілері, білімді тексеріп отыру  үшін  тестілік сұрақтар келтірілген.

Оқу құралының мақсаты  студенттердің мамандығы бойынша  арнайы пәндерді оқып, оны іс жүзінде  ұйымдастыру үшін «Электрлік өлшеулер» пәні бойынша өздік жұмыстарды жасауға көмек көрсету болып табылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Метрология мен электр өлшеулерінің негізгі ұғымдары

1.1 Өлшемдіктер

Өлшемдік деп физикалық шаманың  қабылданған мәнін сақтайтын, оны  қайталайтын, немесе оның орнына қолданылатын өлшеу құралын айтады. Мысалы, кедергінің өлшемдігі, сыйымдылықтың өлшемдігі  және т.б. Өлшеу дәлдігіне және қолданылу аймағына қарай өлшемдіктер эталондық, үлгілік және жұмысшы болып бөлінеді.

Екінші реттік өлшемдіктерге өзара  байланысқан көп бөлшектердің (өлшеуіш  конденсатордың қалыпты элементі, стандартты сигналдардың генераторы) жиынтығын  береді. Бірақ бұл өлшемдіктер  олардың атқаратын рөліне және өлшеу  сипатына жатпайды. Бұл үшін кез келген өлшеу процесін көз алдымызға елестетейік. Мәні 1 тең  өлшенетін шаманың өлшемдікпен өте сирек  салыстырады. Рычагты таразыларда өлшенетін дененің массасын (салмағын) 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0 килограммдық гирьдің массасымен (салмағымен) салыстырады. Міне, сондықтан өлшеу процесінде осы гирьлердің кез келгені немесе олардың берілгені болуы мүмкін. Осы физикалық шаманың қабылданған бірлігінде берілген жағдайда шаманың мәні белгілі болып, өлшенетін шаманың мәнін анықтауға мүмкіндік береді. Сондықтан өлшемдік осы шамалардың белгілі бір қатынасында қабылданған бірлігімен байланысқан шамалардың мәндерін туындатады.

Өлшемдік – бұл өлшеудің негізі болып табылады.

Көп жағдайларда өлшеуді өлшеуіш  аспаптарының немесе басқа да құрылғылармен  жүргізгенде ештеңе де өзгермейді, өйткені олардың көбісі өлшемденіп, ал кейбіреуі өлшемдік арқылы градуирленеді, және олардың шкалаларын сақтаушы құрылғы  ретінде қарауға болады.

“Өлшемдіктер мен өлшеу аспаптары” деген сөз физикалық мәндердің өлшемдік бірліктерін тасымалдаушы рөлін атқарушы ретінде қарап, оған ерекше көңіл бөледі.

Физикалық шамалардың бірлік эталондары–бұл берілген шамалардың бірліктерін сақтауға және туындатуға (кейбір жағдайларда тек қана туындатуға немесе тек қана сақтауға) арналған өлшеу құрал–жабдықтары (немесе өлшеу құрал – жабдықтарының кешені). 

Физикалық шамалардың бірлік эталондарының  қолданылуы  - бұл жалпы мемлекеттік  немесе халықаралық масштабта өлшеу  құрал–жабдығының дәлдігі бойынша оның мөлшерін беру.

Физикалық шамалардың бірлік эталондары айрықша түрде жасалынып, орнықты  реттілікпен бекітіледі.

• “Физикалық шамалардың бірліктері” деген терминнің дәл қол-данылуы   оның атауларымен алмастырылады: килограммның эталоны, ампердің эталоны және т.с.с.

  “Физикалық шамалардың бірліктері” деген терминді алып тастау кезінде немесе қысқарту кезінде аса ұқыптылықты талап етеді.

Техникада, ғылымда және көркем әдебиеттердің  өзінде де “эталон” сөзі өте кеңінен  қолданылады.

Эталон деп бір нәрсенің ең жоғары үлгілік жетістіктерімен теңесетін үлгіні айтады.

Метрологияда және өлшеу техникасында   “эталон” деген сөзді тек  жоғарыда айтылған ұғым бойынша қолданады. Өнеркәсіпте  салыстыруға эталондар өлшеу  құрал-жабдықтарының эталондарға арналған қолданылатын өлшеу құрал-жабдықтарын ең жоғары дәлдікті деп айту дұрыс емес.

Біртұтас өлшеуді қамтамасыз ету  үшін бір мағынадағы физикалық шамалардың барлық өлшеу құралдарын теңестіру  қажет.

Өлшеудің біртұтастығы физикалық  шамалардың берілген бірліктерінде дәлдікпен сақтау мен туындатудың арқасында және қолданылатын өлшеу құралдарына олардың мөлшерін беру жолдары арқылы алынады.

Бірліктердің мөлшерлері эталондық  және үлгілік өлшеу құрал– жабдықтарының  көмегімен туындалып, сақталып, және беріледі.

Метрологиялық тізбектерде өлшеу  бірліктерінің мөлшерлерін берудің  жоғарғы тобы болып эталондар  саналады.

Эталон бірліктердің мөлшерін үлгілік  өлшеу құрал–жабдығына, одан әрі  қарай реттілікпен эталон ретінде  жұмысшы өлшеу құрал–жабдықтарына беру мақсатында, физикалық шамалардың бірліктерін (немесе осы функцияның біреуін) туындатуды және сақтауды қамтамасыз ететін өлшеу құрал–жабдығын (немесе өлшеу құрал–жабдығының комплексін) көрсетеді.

Физикалық шамалардың Халықаралық  бірлік эталонындары Халықаралық өлшемдік пен салмақ  бюросында (ХӨСБ) сақталады.

Халықаралық  заттың өлшем–эталонына  халықаралық өлшемдік пен салмақ бюросында сақталатын платина–иридийлік  гирьлер жатады. Бірақ уақытқа  байланысты (біраз уақыт өткеннен кейін) бұндай заттың эталондары бұзылып қалуы немесе өзгеруі мүмкін. Сондықтан метрологияда заттың таза қасиеттерін немесе табиғаттағы бар денелер мен құбылыстарды пайдалана  отырып, физикалық шамалардың бірліктерін туындату тәсілдерін табуға тырысады. Жақында, мысалы, метрді платина–иридийлі прототиптің (сәйкестіктің) штрихтарының арасындағы қашықтық ретінде туындатудың орнына, криптон–86 газының изотопының спектралды сызықтарынан сәуленуінің біреуінің толқынының ұзындығы арқылы метр дәлірек екені анықталады.

Физикалық шамалардың бірліктерін туындатудың дәлдігін артыру үшін туындатудың дәлдігін арттыру үшін осы мақсатта қолданылатын құрал–жабдықтардың күрделілігіне байланысты болады. Физикалық шамалардың бірлігі қатаң түрде арнайы қолдануға арналған эталондық қондырғылардың көмегімен қиын операциялық жолмен туындатылады. Мұндай эталондық қондырғылар мен жиі қолданылатын заттардың туындатылуы кез келген жерде, сонымен қатар қойылған талаптардың арнайы шарттары орындалуы қажет. Бірақ әр жерде жүргізілген өлшеулердің қорытындыларынан кейбір алшақтықтар болатыны белгілі. Егер эталон бірліктерді өте жоғары дәлдікпен туындатуды қамтамасыз етсе, онда оны бірінші реттік эталон деп аталады. Негізгі бірліктердің бірінші реттік эталондары олардың анықтамасына сәйкес бірліктерді туындатады.

Бірінші реттік эталон ретінде метрді криптон–86 жарықтық толқындарының  сәулеленуінің ұзындығында туындатуға арналған өлшеу құрал–жабдығының  кешені болып саналады.

Негізгі бірліктерді туындату эталондарынан  басқа, туынды бірліктердің де эталондары болады. Мысалы, қысым бірлігінің эталоны, электрлік шамалардың бірліктерінің эталондары: э.қ.к.; кедергілердің, сыйымдылықтардың, индуктивтіктердің және т.б. Туынды бірліктерінің эталондарын жасау арқылы негізгі бірліктер эталондарымен олардың байланысын жабдықтайды.

Эталондарды сақтау метрологиялық  жұмыстардың күрделі кешенін  құрайды. Бұл бір жағынан эталон берік сақталады, ал екінші жағынан  эталоннан алынған бірліктің  мәндері адамдардың әр түрлі қолданымына  қажетті дәлдікпен беріледі.

Мемлекеттік эталондар Мемлекеттік метрологиялық институттарда сақталады.

Мемлекеттік эталондармен жұмыс істеу  үшін эталондарды жасаушы ғалымдар, яғни жауапты адамдар тағайындалады.

Халықаралық бірліктер жүйелерінде (СИ) негізгі бірліктердің туындалуы  Мемлекеттік эталондарының көмегімен, яғни орталық-татандырылған түрде жасалады.

Қосымша, туынды және жүйелік емес бірліктердің (қажет болған жағдайда) пайда болуы техника–экономикалық жағынан қарастырылған екі тәсілдің біреуімен анықталады:

1. орталықтандырылған–барлық елдер үшін жасалынған біртұтас Мемлекеттік эталонның көмегімен.

2. орталықтандырылмаған–метрологиялық қызметтерде жанама-лай өлшеу арқылы үлгілік өлшеу құрал–жабдықтардың көмегімен.

Туындатудың орталықтандырылған тәсілі көбінесе маңызды туынды бірліктер  үшін (ньютон, джоуль, паскаль, вольт, генри, вебер және т.б.) қолданылады.

Туындатудың орталықтандырылмаған тәсілі мөлшері эталонмен тікелей салыстырыла алмайтын туынды бірліктер үшін қолданылады, мысалы: аудан бірлігі үшін (квадратталған метр, м²) немесе өлшемдерді эталонмен салыстырудан гөрі жанамалай өлшеу жеңілірек болған жағдайда немесе қажетті дәлдікті қамтамасыз ету керек болған жағдайда қолданылады, мысалы өлшемнің сыйымдылығы мен көлемі үшін (кубталған метр, м³).

Бұл жағдайда, бірлікті туындату үшін осы мақсатқа қолданылатын арнайы қондырғылар болуы талап етіледі және салыстыру қондырғысының дәлділігі өте жоғары болуы қажет. Мұндай салыстыру қондырғыларына айналу жиілігін үлгілік генератор жиілігімен салыстыратын тахометрлік қондырғы жатады.

Физикалық шамалардың эталондары деп төменгі сатыдағы өлшеу құрал жабдықтарының салыстыру схемаларына физикалық шаманың мөлшерін беру үшін, оны туындатып және өлшем бірліктерді сақтауды жабдықтайтын өлшеу құрал жабдықтарын (немесе өлшеу құрал жабдықтарының кешенін) айтады.

Мемлекеттік эталондардың түрлері: ең жоғарғы дәлдікпен анық-талатын бірінші реттік, арнайы және екінші реттік болып бөлінеді.

Бірінші реттік эталон - ғылым мен  техниканың дамыған деңгейінде өте  жоғарғы дәлдікпен өлшем бірліктерін  туындатуды және оны сақтауды жабдықтайтын эталон. Ол ерекше жағдайда сақталады. 

Арнайы эталондар бірліктерді  ерекше жағдайда туындату кезінде, яғни жоғары дәлдікті алу мүмкін емес жағдайда, бірліктің мөлшерін эталоннан тікелей  бере алатын жағдайда қолданылады (мысалы, жоғары жиіліктерді, энергияны, қысымды, температураны, заттың ерекше күйін, өлшеу диапозондарының ақырғы бөліктерін бере алады).

Арнайы эталон – бірліктердің туындауының  ерекше жағдайын қамтамасыз ететін және бұл жағдайлар үшін біріншілік эталонды алмастыратын эталон.

Арнайы эталонға 2,6-37,5 Гц жиіліктегі су толқындарының жолдарындағы электр магниттік толқынның қуатының эталоны жатады.

Метрологиялық тәжірбиеде мәндері  бірінші реттік эталондармен анықталатын  екінші реттік эталондар кеңінен  тараған.

Екінші реттік эталондар бірліктерді сақтау құрал–жабдық-тарының және олардың мөлшерін беру жиынтығының бір бөлігін  құрайды.