7.3 Тұрақты және айнымалы ток тізбектеріндегі қуатты өлшеу

Тұрақты ток тізбектеріндегі қуат

P = UI.

Айнымалы ток тізбектеріндегі қуаттың лездік мәні

P = ui.

Егер u кернеу мен і ток Т периодты уақыт функциясы болып табылса, онда қуаттың период юойынша орташа мәнін жай ғана қуат немесе активті қуат Р деп атайды, оның лездік мәні р мына формуламен байланысты

Бірфазалы синусоидалы ток тізбектерінде болғанда,

P = UI cos ,

мұндағы U, І – ток пен кернеудің әрекетті мәндері;  - фазалы өзгеру (жылжу).

Синусоидалы ток тізбектеріндегі активті қуатпен бірге сонымен қатар реактивті

Q = UI sin 

және толық

S = UI

қуаттарды есептейді.

Тұрақты және айнымалы бірфазалы токтың қуатын есептеу. Тұрақты ток қуатының P = UI теңдеуінен олны амперметржәне волтметрмен жанама әдісімен өлшеуге болатынын көрініп тұр. Дегенмен бұл жағдайда екі аспап бойынша есептеу мен өлшеуді қиындататын және оның дәлдігін төмендететін есепті бірмезгілде жүргізу қажет.

Тұрақты және бірфазалы айнымалы ток тізбектеріндегі қуатты есептеу үшін ваттметрлер деп аталатын аспаптар пайдаланылады, оларға электродинамикалық және ферродинамикалық өлшеу механизмдерін қолданады. Электродинамикалық ваттметрлер жоғары дәлділік класты (0,1-0,5) тасымалдану аспаптары түрінде шығарылады және өнеркәсіптік пен жоғары жиіліктегі (5000 Гц-ке дейінгі) тұрақты мен айнымалы токтың қуатын дәл өлшеу үшін қолданылады.

Ферродинамикалық ваттметрлер көбінесе төменгі дәлділік класқа қатысты (1,5 – 2,5) қалқан (щит) тәріздес аспаптар түрінде шығарылады. Оларды, негізінен, өнеркәсіптік жиіліктегі айнымалы ток үшін пайдаланады; тұрақты токта олардың өзекшесінің гистеризісінен пайда болатын едәуір қателіктері болады

Сур. 7.4, а-да электродинамикалық өлшеу механизмін ватметрді құру мен қуатты өлшеу үшін пайдалану мүмкіндігі көрсетілген.

Сурет 7.4 Ваттметрді қосу схемасы (а) мен векторлы диаграммасы (б)

Жүктеме тізбегіне тізбектей жалғанған қозғалмайтын катушка 1 ваттметрдің тізбекті деп аталады; жүктемеге параллель жалғанған қозғалатын катушка 2 (R_Д қосымша резисторлы) – параллель тізбек деп аталады.

Тұрақты токта жұмыс істейтін ваттметр үшін бұрылу бұрышының теңдеуін былай жазуға болады:

(7.8)

Ваттметрде біртекті шкала алу үшін тұрақтылығы қажет. Бұл катушканың түрін, өлшемін және бастапқы күйін таңдап алумен жүзеге асады. деп алсақ, онда (7.8) теңдеуді келесі түрінде жазамыз:

 = SUI = SP, (7.9)

мұндағы

Электродинамикалық ваттметрдің айнымалы токтағы жұмысын қарастырайық. 7.4, б – суреттегі векторлы диаграмма жүктеменің индуктивті сипаты үшін құралған. Параллель тізбектегі токтың I_U векторы U векторынан қозғалатын катушканың қандай да бір индуктивтігінің салдарынан  бұрышқа қалып қояды.

Қозғалатын бөліктің ауытқу бұрышы орамалардағы токтың әрекет мәндерін олардың арасындағы бұрышқа көбейту арқылы анықталады.

мұндағы  =  - . Ваттметрдегі параллель тізбектегі ток

деп алсақ, онда

(7.10)

аламыз.

(7.10) теңдеуінен, ваттметр қуатты тек екі жағдайда ғана дұрыс өлшеп береді:  = 0 және  =  болғанда.  = 0 шартына параллель тізбекте кернеу резонансын тудырғанда жетеді, мысалы 7.4, а-суретте штрих сызығымен көрсетілген С конденсаторын сәйкес сиымдылықта қосу арқылы. Бірақ кернеу резонансы тек қандай да бір нақты жиілікте болады. Жиілікті өзгерткенде  = 0 шарты бұзылады.

  0 болғанда ваттметр _ қателігі бар қуатты өлшейді, ол бұрышты қателік деп аталады.

 бұрышының мәні кіші болғанда (әдетте  бұрышы 40-50-ден аспайды), яғни   , cos   1 болғанда қатысты қателік

(7.11)

болады. (7.11) теңдеуінен 90⁰-қа жақын  бұрышында бұрыштық қателік үлкен мәндерге жетуі мүмкін.

Ферродинамикалық ваттметрлерде бұрыштық қателік  мен  бұрыштарының аралығына тәуелді (сур, 7.4,б), мұндағы  - ток векторы І мен өзекше саңылауындағы магнитті ағын Ф₁ арасындағы бұрыш.

Әдебиеті: 2 нег. [385-407]; 4 нег. [91, 92, 97, 98, 118-121]; 1 қос. [82-90]; 7 қос. [96-99, 120].

Бақылау сұрақтары:

1. Ток пан кернеу өлшегішті таңдап алу немен дәлелденген?

2. Амперметрлерде шунт не үшін қолданылады?

3. Қосымша кедергі вольтметрлерде не үшін пайдаланылады?

4. Магниттіэлектрлі мен электромагнитті жүйелердің өлшеу мезанизмдерінің қандай айырмашылықтары бар?

5. Вольтметрді кернеудің өлшеу трансформаторына қандай мақсаттта қосады?

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

7. Ватметрде қандай өлшеу механизмдері қолданылады?

8. Электродинамикалық ваттметрлер қандай өлшеулерде қолданылады?

9. Тұрақты токтың ферродинамикалық ваттметрлеріндегі мәнді қателіктері немен анықталады?

10. Ваттметрдің электродинамикалық өлшеу механизмдерінде қандай тізбектер бар?

8-дәрістің тақырыбы: Электронды аналогты аспаптар. Сандық өлеу аспаптары

8.1 Электронды вольтметрлер

Жалпы мағлұматтар. Электронды вольтметрлер (ЭВ) өзінше электронды түрлендіргішітің, көбінесе, магниттіэлектрлі жүйенің өлшеу аспаптарымен үйлесімділігін береді. Радиоэлектронды өлшеу тәжірибелерінде ЭВ-ді кеңінен лайдалану келесі себептермен дәлелденген:

1) кең амплитудалы және жиілікті диапазонды (сезімталдығы жоғары және реттелген кезінде ЭВ-нің өлшеу шектері бір микровольт-тан жүздеген вольтқа дейін болады; жиілік диапазондары ондаған герцтен жүздеген мегагерцке шейін созылып жатыр. Транзисторлы түрлендіргіші бар ЭВ-нің жиілік диапазоны 20 Гц  1 МГц, лампалынікі - 20 Гц  500 МГц);

2) өлшеу объектісінен аз қуатын пайдалануда, бірақ өлшейтін шығыс аспаптарын қозғалу әрекетіне келтірудің жеткілікті қуатын дамытады (осы арқылы ЭВ-ге тікелей қуаты аз тізбектерде, олардың жұмыс режимдерін бұзбай өлшейді); бұл сапаы кіріс параметрлерімен сипатталады (ЭВ-де жоғары кіріс кедергілері болады, аз жиілікте 0,5  20 мОм-ге, арнайы схемаларда – 10⁶ мОм-ге, ал жоғары жиіліктерде – бірнеше ондаған килоОмге тең; кішкене аз сиымдылығы 1  30 пФ);

3) жұмыс кезінде сенімді және жүктемелерді жақсы қабылдайды.

ЭВ-дің кемшіліктерінекөмекші қорек көзінің қажеттілігін, бастапқы анодты токтың компенсациясы, шкалаларды сынап тексеру үшін транзисторларды, лампаларды ауыстыру әсері.

ЭВ-ні келесі түрде ажыратуға болады:

 тағайындалуы бойынша, тұрақты, айнымалы және импульсті кернеудің, фазолы сезімталды; селективті; универсалды;

 өлшеу әдістері бойынша: тікелей өлшеу мен салыстырып өлшеу;

 өлшенетін кернеудің мәні бойынша: пикті (амплитудалы); әрекет мәнді; орташа мәнді;

 схема орындалған басты электронды аспаптардың түрі бойынша: лампалы, жартылай өткізгішті, интегралды;

 жиілікті диапазоны бойынша: аз жиілікті; жоғары жиілікті; аса жоғары жиілікті;

 кіріс схемасы бойынша (токтың тұрақты құраушысына қатысты): ашық және жабық кіріспен;

 өлшенетін кернеуді есептеу тәсілі бойынша: тілшелі (аналогты) және санды (дискретті).

Төменде қарастырылған тілшелі ЭВ-нің шығыс индикаторлары болып, ереже бойынша, магниттіэлектрлі және сирек электростатикалық жүйе аспаптары жатады.

Тұрқты токтың электронды вольтметрлері. Электромеханикалы топтың тілшелі вольтметрлерінің тұрақты токтың ЭВ-нан (Сур. 8.1) үлкен кіріс кедергісі мен жоғары сезімталдығымен ерекшеленеді.



Өлшенетін кернеу өзінше резисторларда жоғары омды бөлгіш түріндегі кіріс құрылғыға Кіріс Қ кіреді. Кір.Қ шығысынан кернеу тұрақты токты күшейткішіне ТТК түседі.

ТТК қуаттың күшейтуіші бола отырып, магниттіэлектрлі жүйенің өлшеу аспаптарының ӨА кедергісі кішкенекіроіс тізбегінің жоғары кедергісін реттейді және өлшенетін кернеудің қуатын аспаптың жеткілікті айналу моментін құру үшін қажетті шамаға дейін көбейтеді. ТТК терең теріс кері байланыспен қамтылған симметриялы көпір схемасымен орындалады (соңғысы көпір схемасының жұмысының тұрақтығын жоғарлатады).

Айнымалы токтың электронды вольтметрлері. Өлшенетін айнымалы кернеуді тұрақтыға тікелей түрленуіне мүмкіндік беретін схемалар, әдетте сезімталждығы төмен және кернеудің аз шамасын өлшеуге жарамсыз болып келеді. Сондықтан өлшеу аспабы сәйкес күшейткіштен кейін қосылады. Айнымалы токтың детектор-күшейткіші (Д-У) түрдегі электронды вольтметрінің құрылымдық схемасы 8.2, а суретте берілген. Өлшенетін айнымалы U_х кернеуді кернеудің бөлгішін беретін Кір.Қ кіріс құрылғысы арқылы тікелей Д детекторға береді. Д айнымалы кернеуді Д-ның шығысынан ТТК-ға түсетін тұрақты кернеуге түрлендіреді. ТТК-де кернеу күшейеді де, ӨА өлшеу аспабымен өлшенеді. Схемада қолданылатын детектор – көбінесе лампалы орындаушы пикалы түрде болып келеді. Д-У схемасы бойынша орындалған вольтметрлердің жиілікті диапазоны кең 20 Гц  500 МГц, бірақ сезімталдығы жеткіліксіз жоғары. Сондықтан да оларды үлкен кернеулерге (150  300 В) қатысты орындайды. Кернеуі аз кезінде детектор диодын түзету коэффициентін береді, өйткені тура және кері кедергілер біртекті болып қалады.

ЭВ шкаласын теріс кері байланыстың тереңдігі мен аспаптың шунт кедергісін өзгерту жолымен ТТК-ге қосады.

Айнымалы токтың ЭВ сонымен қатар У-Д схемасы бойынша орындайды (Сур. 8.2, б). У-Д түріндегі вольтметрлерде өлшенетін айнымалы U_х кернеуі алдымен айнымалы Айн.ТК ток күшейткішімен, ал содан кейін орташа немесе әрекетті мәні бар (көбінесе жартылай өткізгішті орындаушы) детектор көмегімен аспаппен өлшенетін тұрақты токқа түрлендіріледі.

Айнымалы токтың кеңжолақты күшейткіші Айн.ТК әдетте өзінше кері теріс байланыспен тұрақтандырылған үшкаскадты күшейткішті береді. Жұмысшы жиіліктің диапазонында жоғары күшею коэффициенті, кішкене сызықты емес бұрмалану қамтамасызданады. У-Д түрдегі вольтметрлердің сезімталдығы жоғары, бір микровольттен жүздеген вольт өлшеу шектерінде орындалады (бұл өлшеу кернеулерінің төменгі шегі тек шумен ғана шектеледі; жиілікті диапазоны күшейткіштің өткізу жолағымен шектелген 10 Гц  10 МГц). Өлшеу шектерінің қосылуын Кір.Қ кернеуді бөлгіштер (аттенюаторлар) көмегімен жүзеге асырады. Бұл бөлгіштер кедергісі үлкен резисторлар мен бөлу коэффициенті жұмыс диапазонында жиілікке тәуелді емес сиымдылығы аз конденсатордан тұрады. Бөлгіштер әртүрлі өлшеу шектерінде орындалады - 5, 10, 15, 20 кВ және одан да жоғары.

Электронды күшейткіштерді пайдалану өлшенетін қуаттардың шегін микуроватт үлесіне дейін төмендете алады, бірақ бұл кезде жиілік диапазоны ондаған килогерцке дейін төмендейді.