6 Көпірлер мен компенсаторлар көмегімен электрлік шамаларды өлшеу. Кедергіні, ток пен кернеуді өлшеу

Тұрақты ток тізбегінің кедергісін тікелей өлшеу үшін омметр немесе мегомметрлер қолданылады. Омметрлер арқылы 0,1 Ом - 100 МОм аралықтағы кедергіні 1,5 -150 В кернеу кезінде өлшеуге болады. Мегомметрлер сымдардың және электротехникалық құрылығылар орамдарының оқшауламасының кедергісін 500-3000 В кернеу кезінде өлшеу үшін қолданылады.

Омметрдің өлшеу принципі өлшенетін кедергіні үлгі ретіндегі кедергімен салыстыруға негізделген. Салыстыру магнитті электрлі жүйе аспабының көмегімен жүргізіледі.

Төменде 9.1-суретте омметрдің үлгі ретіндегі кедергімен тізбектей (6.1- сурет, а) және параллель (9.1- сурет, б) жалғану схемалары көрсетілген.

а –тізбектей; б – параллель.

Сурет 6.1 – Омметрдің көмегімен кедергіні өлшеу схемалары

Тізбектей жалғаған кезде аспаптың стрелкасының бұрылу бұрышы:

(6.1)

мұндағы - шунттау коэффициенті шунта; I_k – омметр тізбегіндегі қысқаша тұйықталу тогы, яғни R_x=0 болғанда; R_N - үлгі ретіндегі резистор кедергісі; R_x – өлшенетін кедергі; S_I – аспаптың сезімталдығы.

Параллель жалғаған кезде аспаптың стрелкасының бұрылу бұрышы:

(6.2)

Аспаптың көрсетуі R_x кедергісінің тікелей функциясы болады , егер болатын болса ғана, ал бұл шаманың тұрақтылығын R_x=∞ кезінде жүргізеді, яғни омметр ұштары ажыратылып тұрған кезде стрелканы «∞»- белгісіне қою керек.

Омметрдің параллель жалғану схемасын аз кедергілерді өлшеу үшін ал тізбектей жалғану схемасын үлкен кедергілерді өлшеу үшін қолданады.

Мегомметрлерде магниттіэлектрлі жүйедегі логометрлік түрлендіргіштер қолданады, ал ток көзі ретінде тұрақты ток генераторын қолданады. Аспаптың схемасы 6.2- суретте көрсетілген.

Аспатың стрелкасының бұрылу бұрышы:

(6.3)

мұндағы r₁, r₂ – логометр орамдарының кедергісі; R_N – үлгі ретіндегі кедергі.

Генератор шығысындағы кернеу аспатың көрсетуіне әсер етпейді, ол тек сынақтау кернеуін ғана көрсетеді.

Сурет 6.2 - Мегомметрмен өлшеу схемасы

Өлшеммен салыстыру әдістері арқылы өлшеу (Компарирующие методы). Өлшеммен салыстыру арқылы электр тізбегінің параметрлерін өлшеу әдісі кезінде өлшенетін шаманы өлшеммен, яғни өлшенетін шамамен бір аттас белгілі шамамен салыстыру принципіне негізделген.

Әртүрлі электрлік немесе электрлік емес шамаларды өлшеу үшін өлшенетін шаманы өлшеммен салыстыру әдісіне негізделіп жұмыс жасайтын өлшеу аспатары – көпірлік схемалар мен коменсаторлар қолданылады.

Көпірлік схемалар резисторлар, конденсаторлардың және индуктивті орамдардың параметрлерін өлшеу үшін кеңінен қолданылады.

Компенсаторлардың көмегімен айнымалы және тұрақты кернеулерін, электр қозғағыш күшін, кернеу мен байланысты өзгеретін басқада параметрлерді өлшеуге болады.

Көпірлік схемалардың және компенсаторлардың кеңінен қолданылатын түрлері 6.1 –кестеде көрсетілген.

Көпір схемаларының кеңінен қолданылуы олардың көмегімен өлшеу нәтижесін жоғары дәлдікпен алуға болатындығы, жоғары сезімталдығы және әртүрлі шамаларды өлшеуге мүмкіндік беретіндігімен түсіндіріледі. Көпір схемалары құратын иықшалардың сипатына, көпірді қоректендіретін ток түріне байланысты көпірлер тұрақты және айнымалы ток көпірлері болып екіге бөлінеді

Схема түріне байланысты төрт иықты (жалқы) және алты иықты (қосарланған) болуы мүмкін Теңгерілу түріне байланысты қолмен немесе автоматты теңгерілетін болып бөлінеді. Айнымалы және тұрақты ток кернеуі мен ЭҚК-ті өлшеу үшін тұрақты және айнымалы ток компенсаторлары қолданылады. Қолмен немесе автоматты түрде теңгерілетін компенсаторлар болып бөлінеді

Кесте 6.1 - Көпірлік схемалардың және компенсаторлардың кеңінен қолданылатын түрлері

Көпірлік схемалар түрі	Өлшенетін параметр теңдеуі
Тұрақты ток көпірі
Аз кедергілерді өлшеуге арналған қосарланған көпір	Rпр=0 ΔR=0 үшін
Конденсатор параметрін өлшеу көпірі: а) шығын бұрышы аз болғанда
б) шығын бұрышы үлкен болғанда
в) жоғары кернеулі бөліп теңгеретін көпір
Орам параметрін өлшеу көпірі
өзара индуктивтілікті өлшеу көпірі
Тұрақты ток компенсаторы	үшін
Екі координаталы айнымалы ток компенсаторы	үшін

Көпірлік схемалардың және компенсаторлардың негізгі артықшылықтары мыналар:

- өлшеуді өте жоғары дәлдікпен жүргізуі;

• өлшеу тізбегінен қуат тұтынбайды;

• өлшенетін шаманың өте кең аралықтағы мәндерін өлшеуге мүмкіндік береді;

• жоғары сезімталдылығы.

Ток түріне байланысты көпірлер мен компенсаторлар айнымала немесе тұрақты ток тізбектері үшін арналған болуы мүмкін.

Ток пен кернеуді өлшеу әдістері. Ток пен кернеу өлшеуді қажет ететін электрлік шамалардың ішінде ең көп таралған түрі болып табылады. Сондықтан оларды өлшеу аспатарының түрі өте көп. Оларды өлшеу асапатарын таңдау бірнеше факторларға байланысты жүргізілуі тиіс, мысалы өлшенетін ток немесе кернеу түріне, оның өзгеру аралығына, өлшеуді қаншалықты нақты жүргізі керектігі және эксперимент жүргізі шарттарына байланысты.

Кернеудің шамасын өлшеу әдетте тікелей өлшеу арқылы жүргізіледі, ал токты тікелей өлшеуден басқа да жанама өлшеу әдістері кеңінен қолданылады. Токты жанама өлшеудің бір түрі өлшенетін ток тізбегіне тізбектей жалғанған мәні белгілі кедергідегі кернеу түсуін анықтау арқылы өлшеу. Бұл кезде токтың мәні Ом заңына сәйкес анықталады.

Тұрақты және айнымалы токтың қуаты аз тізбектерінде кернеуді өлшеу үшін әдетте тікелей бағаланатын тілшелі немесе санды электронды вольтметрлер қолданылады. Ал токты жанама әдіспен өлшейді: кедергісі белгілі үлгілі резистордағы кернеуді өлшеумен. Ток пен кернеуді аса жоғары дәлдікте өлшеу қажет болғанда салыстыру әдісіне негізделген аспаптарды пайдаланған жөн.

Тұрақты токты өлшеу. Әртүрлі техника салаларында өлшеу кездестіретін тұрақты ток шамаларының диапазоны аса кең: 10^-17 А токтан ондаған және жүздеген мың амперге дейін. Сондықтан, әрине, олардың өлшеу құралдары мен әдістері әртүрлі.

10^-12  10^-6 А нүктелерін сезімталдығы жоғары магниттіэлектрлі айналы гальвонометрлер мен гальвонометрлі компенсаторлар арқылы тікелей өлшеуге болады.

Компенсаторлардыңбасты элементтері – фотокүшейткіш пен гальвонометр.

Магниттіэлектрлі амперметрлермен өлшеу. Тұрақты токты өлшеу үшін негізінен магниттіэлектрлі жүйедегі амперметрлерді қолданады, олардың өлшеу шектері аспаптың қозғалу бөлігін толық ауытқытуға қажетті токпен анықталады. Бұл ток көбінесе 20-50 мА-ден (оның максималды мәні 300 мА) аспайды. Микро- және миллиамперметрлердің өлшеу тізбектері болып механизмнің шегіғана бола алады.

Егер өлшенетін І тогы аспаптың қоғалу бөлігін толық ауытқытуға қажетті І_П тогынан асып кетсе, онда аспаптың рамкасына параллель, І _Ш токтың қалған бөлігі өткізілетін шунт (резистор) қосылады (сур.11.1). Шунттың R_Ш кедергісінің шамасын есептеу үшін төмендегі шарт орындалуы қажет

I_ПR_П = I_ШR_Ш = I[R_ШR_П/(R_Ш + R_П)] = const, (6.4)

мұндағы R_П - аспаптың рамка тізбегінің кедергісі.

Егер

I/I_П = n, (6.5)

мұндағы n – шунт коэффициенті, онда

R_Ш = R_П/(n - 1). (6.6)

Шунттың кедергісінің шамасы 10^-2  10^-4 Ом.

Тұрақты ток тізбегіндегі кернеуді өлшеу. Тұрақты ток тізбегіндегі кернеуді өлшеу тұрақты токта жұмыс істейтін кернеуді кез-келген өлшегішпен өлшеп орыдалуы мүмкін.

Кернеуді магниттіэлектрлі вольтметрлермен өлшеу. Магниттіэлектрлі вольтметрдің өлшеу тізбегі өзінше механизмнің рамкасы мен оған тізбектей қосылған қосымша кедергіден тұрады. Вольтметрдің өлшеу тізбегіндегі өлшенетін кернеуді механизмнің қоғалу бөлігін ауытқыту үшін қажет токқа түрлендіреді. U_V вольтметрдің өлшеу шегі толық ауытқу І_V тогы мен вольтметрдің R_Д ішкі кедергісіне тәуелді, яғни аспап рамкасының R_П кедергісі мен соңғысының ішінде орналасқан қосымша R_Д резисторының қосындысына тең: R_V = R_П + R_Д;

U_V = I_V(R_П + R_Д) = I_VR_V. (6.7)

осы аралықтың қосымша кедергісін анықтайды:

R_Д = U_V/I_V – R_П. (6.8)

Магниттіэлектрлі вольтметрлердің толық ауытқу тогы шамамен 0,5 – 30 мА.

Сурет 6.3 - Шунтты микроамперметрдің схемасы

Айнымалы ток тізбектеріндегі ток күші мен кернеуді өлшеу құралдары. Өнеркәсіптік жиіліктің токтарын өлшеуді негізінен электрмагниттіжүйе аспаптары арқылы, ал жоғары дәлдікте – электродинамикалық жүйе аспаптары арқылы орындайды. Электромагнитті жүйенің амперметрлерінің өлшеу шегін ұлғайту үшін шунтты пайдалану рационалды емес, өйткені ол аспатардың жеке тұтыну энергиясын қолайсыз үлкен етіп, қымбаттығын жоғарлатады. Өлшеу шектерін токтың өлшеу трансформаторлары арқылы ұлғайтады. Ток трансформаторының алғашқы орамасы І өлшенетін ток тізбегіне тікелей қосылып, ал екінші орамасының қысқыштарына А амперметр қосылады (11.2-сурет).Схемада: Tp_T – токтың өлшеу трансформаторы, Л₁, Л₂ – бірінші орама қысқыштары, И₁, И₂ – екінші орама қысқыштары.

Өлшенетін (алғашқы) І₁ токтың мәні белгілі және амперметр тізбегіндегі І₂ токтан едәуір үлкен болады. Ток трансформаторының екінші орамасы кернеуі 1  10 В шамаға төмендейтін кедергісі аз (2 Омнан жоғары емес) өлшеу аспабына тұйықталады. Екінші орамадағы осы кернеудің төмендеуін теңестіретін индукциялы э.қ.к. Е₂ де аз, сәйкесінше

Магниттелетін Tp_Т күштің теңдеуінде

(6.9)

Әдетте шамасын қолданбайды, сонда

(6.10)

осыдан өлшенетін токты

(6.11)

амперметрдің І₂ көрсеткішін k_Iн номиналды трансформациялау коэффициентіне тікелей көбейту арқылы анықтайды. Токтың трансформаторының екінші орамасын 5А-ге, кейбір жағдайда 1А-ге есептейді. Екінші тізбектің кедергісін жоғарлату нормалы режимді бұзып, магниттелген ампер-витков жоғарлатады.

Сурет 6.4 - Амперметрді токтың өлшеу трансформаторына қосу схемасы

.

Өнеркәсіптік жиілікте кернеуді өлшеу 50 Гц жиілікте жұмыс істейтін кез-келген вольтметрлермен орындалуы мүмкін, бірақ өнеркәсіптік жиіліктегі кернеуді негізінен электромагнитті және элетродинамикалы жүйе аспатарымен өлшейді.

Электромагнитті вольтметрдің өлшеу тізбегі өзінше механизмнің катушкасы мен қосымша кедергіні тізбектй қосуды береді. Вольтметрдің толық ауытқу І_V тогы

I_V = U/z_V, (6.12)

мұндағы U – вольтметрге қойылғанкернеу; z_V – вольтметрдің механизм катушкасының толықкедергісі мен қосымша кедергінің қосындысына тең ішкі кедергісі

(6.13)

(L_К – катушаның индуктивтігі).

Вольтметр шкаласының теңдеуі

(6.14)

Вольтметрлердегі толық ауытқу тогы үлкен емес, 25 – 50 мА-ге тең; шаманың өлшеу шегін төмендеткенде ол жоғарлайды да, 15  30 В кернеуде 100  200 мА-ге жетеді. Қосымша кедергіні көпшекті вольтметрлерде пайдаланады, ең жоғары шегі тікелей өлшеу кезінде 600 В-ге жетеді. Вольтметрдің тұтынатын қуаты 3  20 Вт аралықта ауытқиды. Вольтметрдің өлшеу шектері кернеудің өлшеу трансформаторлары арқылы ұлғайтылған. Кернеу трансформаторының алғашқы орамасын ₁ виток санымен U₁ кернеуі өлшенетін тізбекке параллель қосады да, ал екінші ораманы ₂ виток санымен U₂ кернеулі вольтметрге қосады.

Вольтметрдің өлшеу тізбегіндегі, Tp_Т екіні орамаға қосылған ваттметр кернеуінің тізбегінің кедергісі қатысты үлкен, соның салдарынан Tp_Т сал жүру режиміне жақын режимде жұмыс істейді. Содан кейін трансформатор орамасындағы және кернеулердің төмендеуі болдырмауға болады және былай қабылдауға болады

и ал E₁/E₂ = ₁/₂ =k_Uн, болса, онда U₁ өлшенетін кернеудің шамасы вольтметрмен көрсетілген U₂ кернеудің шамасын k_Iн номиналды трансформация коэффициентіне көбейткенге тең, яғни:

Екінші төмен кернеу жоғары алғашқы кернеудің кері фазасында орналасқан.

Сурет 6.5 - Вольтметрді кернеудің өлшеу трасформаторы арқылы қосу схемасы

Сурет 6.5-те: Tp_Т – кернеудің өлшеу трансформаторы; А, Х – алғашқы ораманың қысқыштары; а, х – екінші ораманың қысқыштары (екінші ораманы 100 В кернеуге есептейді).

Әдебиеттер:

1. [186-207] 2 [385-407].

Бақылау сұрақтары

1. Кедергіні тура өлшеудің қандай әдістері бар?

2. Өте үлкен кедергілерді тәкелей өлшеу үшін қандай әдіс қолданылады?

3. Өлшеммен салысмтыру әдісі қандай принципке негізделген?

4. Көпірлік схемалардың қандай түрлерін білесіз?

5. Ток пан кернеу өлшегішті таңдап алу немен дәлелденген?

6. Амперметрлерде шунт не үшін қолданылады?

7.Вольтметрді кернеудің өлшеу трансформаторына қандай мақсаттта қосады?

8. Тұрақты токтағы қуатты амперметр мен вольтметр көмегімен өлшеу дегеніміз не?