4 Электрлік өлшеу, шамаларды өлшегіш түрлендіргіштері. Өлшегіш аспаптардың өлшеу шектерін кеңейту

Өлшеу техникасының маңызды бір бөлігі электрлік өлшеу техникасы - өлшеу ақпаратын электрлік сигналдар арқылы тасымалдайтын электрлік өлшеу аспаптарын жасау, пайдалану, оладың көмегімен ғылыми зерттеу жұмыстарын, іс-тәжрибелер жасаумен айналысатын адамдардың қызмет саласы.

Физикалық шамаларды электрлік өлшеу аспаптарының көмегімен өлшеу –электрлік өлшеу деп аталады.

Электрлік өлшеулерге мыналар жатады:

- электрлік шамаларды өлшеу;

- электрлік шамалармен байланысы бар уақыттық шамаларды өлшеу;

- электрлікке түрлендірілген электрлік емес шамаларды өлшеу.

Электрлік өлшеудің негізгі артықшылықтары мыналар:

- қарапайым әрі арзан электронды құрылғылардың көмегімен жоғары дәлдікпен өлшеу түрлендірулерін жүргізу;

- физикалық шамалардың мәнін өте кең арлықта өлшеуге мүмкіндік береді;

- өте баяу немесе жылдам өтетін процесстерді бақылау, зерттеу кезінде өлшеуді жүргізе алу қабілеттілігі және электрлік өлшеу тізбегінің аз инерциялылығы;

- өлшеуді арақашықтықтан жүргізуге және түйіспесіз өлшеуге мүмкіндік беруі;

- өлшеу нәтижелерін аналогты немесе цифрлі формада тасымалдай алу қабілеттілігі;

- өлшеу нәтижелерін тасымалдау, өңдеу және оларды сақтауға мүмкіндік береді сондай-ақ өлшеу нәтижелерін өлшеу – есептеу жүйелеріне алдын ала түрлендірусіз тасымалдай алу қабілеттілігі.

Электрлік шамаларды өлшегіш түрлендіргіштер Барлық физикалық шамаларды өлшеу өлшегіш аспаптар көмегімен жүргізіледі.

Өлшеу жабдығы – өлшеу экспериментін жүргізуге қолданылатын техникалық сипаттамалары мөлшерленген техникалық құрылғы.

Функционалдық арналуына байланысты барлық өлшегіш аспаптар төмендегіше жіктеледі:

- өлшем – физикалық шаманың белгілі бір мәнін көрсетуге арналған өлшеу жабдығы;

- өлшеу түрлендіргіші – бақылаушы тікелей қабылдай алмайтын, бірақ әрі қарай тсымалдауға, өңдеуге және сақтауға қолайлы өлшеу ақпараты сигналын өңдіруге арналған өлшеу жабдығы;

- өлшегіш аспап – бақылаушы тікелей қабылдай алатын өлшеу информациясының сигналын өңдіретін өлшеу жабдығы;

- өлшеу ақпарат жүйелері және өлшеу құрылғылары - бақылауға, өңдеуге және объектілерді басқару үшін қолдануға ыңғайлы өлшеу информациясын өңдіру үшін бір-бірімен көмекші құрылғылар, байланыс каналдары арқылы жалғанған өлшеу жабдықтарының жиынтығы.

Өлшегіш аспаптардың өлшеу шектерін кеңейту.Тұрақты ток бойынша өлшеуді кеңейту. Шекті кеңейту магнитэлектрлік жүйенің өлшеу аспабына параллель қосылған мәні кіші кедергі (шунт) арқьшы жүзеге асырады.

Шунт нақтылы ток және шунттағы нақтылы кернеу құлау -дермен сипатталады. Шунттар әр түрлі токтарға және кернеу құлауға шығарылады. Нақтылы ток (1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,5)-10ⁿ сандар қатарынан тандалыну керек (и - бірден үшке дейін бүтін сан). Шунттың нақтылы кернеу құлаулары = 10; 15; 30; 45; 50; 75; 100; 150 және 300 мВ (олардың ішінде ең кең тарағаны ишн =45; 75; 100 мВ). Шунттар аспаптардың ішіне (жекеменшікті) және сыртына (өзара алмастырылатын) құрастырылады. Шунттар мына теңдеу бойынша белгіленетін дәлдік кластарға бөлінеді:

(4.1)

мұнда: - дайындау кезінде болған шунттың нақты кедергісінің мәні.

Шунттарға белгіленген мынандай дәлдік кластар бар: 0,2; 0,05; 0,1: 0,2және О,5.

Сыртқы шунттарды калибрленген мәні Rc=0,035 Омға тең өлшеу аспапқа көмекші өткізгіш арқылы қосады.

Шунттардың түзілісі 4.1-суреттен түсінікті.

а- сыртқы өзара алмастырылатын; ә - ішкі және меншікті.

Сурет 4.1 – шунттар

Кедергі элементтің материалы ретінде мыс аяқтарға қысымдалған таспалық немесе сымдық манганин қолданады.

Құжаттарда шунттар мысалы, мынадай болып белгіленеді: 75ШП-0.3/0.75-0.2 (шунт тасымалды, 0,3 және 0,75 А екі шекке, класс дәлдігі - 0,2).

Ток I-ді өлшеуге берілген шектің шунттың кедергісі мына көрініс бойынша есептеледі:

(4.2)

мұнда: n - шунттау коэффициенті.

Мысалы, I_а = 0,2 мА және R_а = 900 Омға тең М260 амперметрдің өлшеу шегін I=200 мА дейін кеңейту үшін кедергісі R_ш =0,9 Ом-ға тең шунтты қолдану керек.

Бұл жағдайда аспаптың шкаласы - өлшеу шегі 200 мА бөліктенулі болу керек (яғни, бұл жағдайда шкалаға х10 деген таңба қойылу керек).

Шунттарды дайындауға қолданатын сымның диаметрі мына жағдайдан тандалады:

(4.3)

мұнда: I- амперметр тізбегіндегі ток, d- сымның диаметрі,мм.

Мысалы. тоғы I= 200 мА = 0.2 А тең миллиамперметрдің шунты диаметрі мм тең сымнан жасалу керек.

Шунтты дайындалуға керекті сымның үзындығы шамамен мына көріністен табылады:

(4.4)

мұнда: l - сымның ұзындығы, м, Rш - шунттың кедергісі, Ом.

Бұл шекті токтың әр түрлі мәндеріне есептелген бірнеше жұмылдыру шунттарды қолдану аркылы қамтамасыз етіледі.

Шкаланың ауыспалы коэффициенті N деп екі қатар тұрған өлшеу шектерінің шекті мәндерінің қатынасын атайды. N=10 кезде мысалы, шектері 1,10,100 және 1000 мА-ге тең бір шекке (1 мА) орындалған аспаптьң шкаласы, қалған шектерде басқа токтарды өлшеуге жеңіл ауыстыруға болады, ал ол үшін санауды 10, 100 және 1000-ға көбейту керек. Өлшеудің дәлдігін жоғарылату үшін кейбір аспаптарда өлшеніп жатқан токтардың шекті мәндерін 1:5:20:100:500 сан қатарынан таңдайды. Токты өлшеу үшін аспапты зерттеліп жатқан тізбекке тізбектеп қосады. Бұл тізбектің жалпы кедергісін үлкейтеді және ондағы токтың мәнін азайтады. Тізбектің жұмыс ережесіне аспаптың әсерін кеміту үшін аспаптың қосылатын нүктелер 1 жәнс 2 (4.2-сурет) арасындағы сыртқы тізбекгің R, кедергісіне қарай аспаптың ішкі кедергісі R_а аз болу керек.

Сурет 4.2 – Тізбектің схемасы

Жалпы жағдайда тізбектегі токтың салыстырма мәнінің азаюы немесе аспаптың әсер ету коэффициенті:

(4.5)

теңдеудің бөлшегі мен алымын I-ға көбейтсек және тілдің бүкіл шкалаға ауытқу кезінде ға тең, ал re тең болғандықтан. табамыз:

(4.6)

Егер тізбек күрделі болса, онда Е ЭҚҚ-тің мәні тізбектең, аспап қосылған нүктелерінің арасындағы бос жүріс кернеу деп ұғуға болады (өлшеніп жүрген жатқан токтың тізбегін үзген кезде).

Мысалы, егер тең болса онда В_i =10% тең, яғни аспапты қосу токты 10% азаяды.

Айнымалы ток бойынша өлшеу шекті кеңейту. Айнымалы ток бойынша аспаптың өлшеу шекті кеңейту токты өлшеу трансформатор (ТӨТ) арқьшы іске асырылады. ТӨТ деп үлкен токты 1 және 5 А-ге тең үлгілі шама токка өзгертетін электромагниттік кұрылғыны атайды. ТӨТ-дың теориясы егжей-тегжейлі баяндалған. 4.3-суретте ТӨТ-дың косу схемасы көрсетілген. Орам саны w,-re тең біріншілік орама [Л әрпімен белгіленеді (линия)] электрлік тізбекке жүктеме Z_ж-мен тізбектеліп қосылады, яғни ол арқылы біріншілік ток деп аталатын I, жүктеменің толық тоғы өтеді (1 деген санмен ораманың басын белгілейді, 2 деген санмен – аяғын белгілейді). Екіншілік орама И әрпімен белгіленеді де өлшейтін аспапқа тізбектеп қосылады.

Сурет 4.3 - ТӨТ-дың косу схемасы

Токтардың қатынасы ТӨТ-дың нақтылы трансформация коэффициент К_ТТн аркылы белгіленеді.

(4.7)

яғни: ,

Көрініс (4.7) шығыны жоқ трансформатор үшін дұрыс.

Нақтылы трансформаторда токтың өзгеруі өзекшеде магнит ағынды құру, өзекшенің темірін жылыту және қайта-кайта магниттеу, екіншілік ораманы және жүктемені жылыту энергия шығындарына келтіреді. Сол себептен, негізінде, I_l>K_TTI₂ болады да, екіншіліктің бұрышты және токтық f терістіктері пайда болады.

Токтық терістік былай белгіленеді:

. (4.8)

Тұрақты ток кернеуінің шегін кеңейтуінің өлшеу шегін кеңейту. Кернеуді өлшеген кезде аспаптың өлшеу шкгін кеңейту үшін кедергі орауыш түрінде немесе резисторлар түрінде қосымша кедергілер кең қолданылады. Қосымшм кедергі R_қ–ны белгілейтін параметрлер: U_н – орауыштың нақтылы кернеуі, I_н–– орауыштың нақтылы тоғы, ол (0,01...60) мА болуы мүмкін. Әдетте I_н =3,0 немесе 7,5 мА.Бұл жағдайда Қосымша кедергілер келесі дәлдік кластарға дайындалады: 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, және 1.0

Есеп үшін мына көрініс қолданылады:

(4.9)

мұнда өлшеу шекті кеңейту коэффицент (шкаланың көбейткіші). Мысалы микроампер М260 арқылы U=10B кернеуді өлшеу үшін (I_а=0,2 А R_а=900 Ом) қосымша тең:

кОм.

Қосымша кедергісі R_қ бар өлшеу аспап жүктеме R_ж–ге паралельді қосылған бұл тауардың жалпы кедергісі азаяды, ал схема сол себептен кернеу қайта бөлінеді.

Вольтметрдің әсер ету коэффиценті мына көріністен табылады:

(4.10)

мұнда R_m–вольтметр қосылған нүктелердің арасындағы тізбектің кедергісі: R_қ=R_а+R_к –вольтметрдің кіру кедергісі.

Егер болса, онда аспаптың қосылуы қосымдардағы кернеудің төмендеуіне келтіреді. Бұл төмендеу неғұрлым қатынас аз, солғұрлым көп болады.

Вольтметр көпшілігінде өлшеу шегін күшейту үшін кернеу бөлшектер қолданылады. Резистивтік бөлгіш магнитэльектрлік жүйе аспабының өлшеу шектерін кеңейту үшін қолданады. Мұндай бөлшектің шығуындағы кернеу, R_а<< R₂, болса тең:

(4.11)

Мұнда: бөлгіштік кернеудің жылжу коэффиценті. Вольтметрдің кіру кедергісінің әсерлігін есептеу үшін (4.10) көрініске R₂ –ның орамына қою керек.

Сыйымдылық кернеу бөлгіштің жылжу коэффициент, егер , болса, онда мына көрініспен белгіленеді:

(4.12)

Бұл бөлгіштер электростатикалық аспаптардың өлшеу шектерін кеңейтуге қолданылады.

Айнымалы ток кернеуінің өлшеу шегін кеңейту. Айнымалы ток вольтметрдің өлшеу шектерін кеңейту үшін кернеу өлшеу трансформаторлары кең қолданылады. Кернеу өлшеу трансформаторларының негізінде күшті трансформатордан айырмашылығы жок. Айырмашылығы тек сонда кернеу өлшеу трансформаторларының терістіктерін минималды етеді. Біріншілік орама Wl орам саны бар (А - басы, X -ораманың аяғы) қорғаныштар Кр арқылы кернеуі тең желіге косылады. Екіншілік орама орам (а - басы, х -ораманың аяғы) вольтметрге қосылады және қауіпсіздік шаралары үшін екіншілік ораманың бір жағы жерге бекітіліуі керек. Кернеу өлшеу трансформаторының қослу схемасы 4.4 – суретте көрсетілген.

Кернеу өлшеу трансформаторларының негізгі параметрлері келесі: біріншілік ораманың нақтылы кернеуі U ; екіншілік ораманың нақтылық кернеуі ; нақтылық қуат: .

Сурет 4.4 - Кернеу өлшеу трансформаторының қослу схемасы

Нақтылы куат S₂ дегеніміз кезде кернеу өлшеу трансформаторларынан алынатын ең көң қуат және бұл жағдайда оның кернеулік терістігі f_u және бұрыштық терістігі дәлдік класпен берілетін рұксат етілетін шектен шықпау керек.

Мысалы, дәлдік класы - 0,2-ге тең кернеу өлшеу трансформаторларының кернеу бойынша терістігі +0,2 %-тен аспау керек, ал бұрыштық терістігі < ±10'.

Әдебиеттер:

1 [47-147]; 2 [335-337, 349-351]; 3 [34, 35].

Бақылау сұрақтары

1. Өлшеу жабдығына деген не?

2. Өлшеу жабдықтары қалай жіктеледі?

3. Өлшем деген не?

4. Электрлік өлшеу деген не?

5. Электрлік өлшеудің қандай артықшылықтары бар?

6. Өлшеу ақпараттық жүйелері деген не?