2029

где k – постоянный коэффициент. На подвижную часть счетчика (диска) действует тормозной момент, пропорциональный частоте вращения диска. Этот момент создается в результате действия тока, наводимого во вращающемся диске полюсами постоянного магнита 4, и определяется выражением

kIUcos k1 ddt .

Число оборотов диска N за время ∆t измерения энергии определяется интегралом по времени от частоты вращения диска, т.е.

где C = k1/kk2 – постоянная счетчика, W – энергия, прошедшая через счетчик за интервал времени ∆t.

Отсчет энергии производится по показаниям механического счетчика оборотов 2, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВт-ч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов диска. Это соотношение, называемое передаточным числом, указывается на счетчике.

Величина, обратная передаточному числу, т.е. отношение зарегистрированной энергии к числу оборотов диска, – номинальная постоянная счетчика (Сном). Значение передаточного числа А и Сном зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются постоянными.

Действительная постоянная СД в отличии от номинальной зависит от тока нагрузки, а также от внешних условий и частоты.

Относительная погрешность счетчика может быть вычислена по одной из формул:

где W – энергия, измеренная счетчиком, WД – действительное значение энергии, прошедшей через счетчик.

Счетчики активной энергии выпускаются следующих классов точности: 0.5, 1.0, 2.0, 2.5; счетчики реактивной энергии – 1.5, 2 и 3. Класс счетчика нормирует пределы относительной основной погрешности от измеренной энергии.

71

3.4. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ СЧЕТЧИКОВ АКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ В ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ

Индукционные счетчики электрической энергии переменного тока промышленной частоты широко применяются для учета потребляемой (активной) энергии в трехфазных цепях, а также для учета реактивной энергии, генерируемой этими потребителями.

Принцип включения однофазного (одноэлементного) счетчика показан на рис. 3.13. Так называемая «токовая обмотка» (5) должна включаться последовательно с потребителем (как амперметр), причем на клеммной колодке сетчика ее начало обозначается цифрой «1» и называется генераторным зажимом. Этот зажим должен подключаться к фазе («А», «В» или «С») непосредственно на вводе. К Концу токовой обмотки, обозначенной цифрой «2», подключаются сетевые предохранители и автоматические выключатели.

«Вольтовая обмотка» 1 (рис. 3.13) подключается параллельно (как вольтметр), причем ее начало должно быть подключено также непосредственно к фазе, а конец – к нейтрали (к нулевому проводу). При таком включении вольтовой обмотки счетчик всегда находится под фазным напряжением, т.к. вольтовая обмотка подключается непосредственно к вводу. На клеммной колодке однофазного счетчика начало вольтовой обмотки обозначается цифрой «3», а конец – «4». Если клеммы счетчика не обозначены цифрами, то их последовательность ведется слева направо: 1-2-3-4.

Следует заметить, что при выключенных потребителях диск счетчика не должен вращаться (отсутствует «самоход»), т.к. вращающий момент вольтовой обмотки не должен быть больше суммы момента трения в подпятниках и тормозного момента, создаваемого постоянным магнитом 4 (рис.3.13).

Однако при плохой изоляции электропроводки, диск счетчика может вращаться из-за утечки электрической энергии. Это вращение не следует относить к неисправности счетчика, т.е. к самоходу.

Учет электрической энергии в трехфазных цепях имеет некоторые особенности, связанные, во-первых, с необхлдимостью учета потребляемой энергии трехфазными потребителями, особенно при асимметрии фазных нагрузок; во-вторых, невозможностью протекания больших токов (более 10 А) через токовые обмотки счетчиков; в-третьих, повышаются требования к сопротивлению изоляции вольтовых обмоток счетчиков, подключенных к линейным напряжениям; в-четвертых, имеются некоторые отличия при учете электрической энергии в трехпроводных и в четырехпроводных трехфазных электрических цепях; наконец, в-пятых – с необходимостью гальванической развязки между силовыми линиями (шинами) и приборами контроля и учета на подстанциях, на щитках и мониторах с целью обеспечения безопасности обслуживающего персонала, особенно при выполнении ремонтных и профилактических работ, выполняемых без отключения потребителей.

72

В трехфазных цепях прямое включение счетчиков, как правило, не применяют. Кроме этого нецелесообразно в каждую фазу включать свой однофазный счетчик, если требуется измерять суммарную потребляемую энергию, проходящую по всем фазам или, если потребитель является в принципе трехфазным, например, асинхронным трехфазным двигателем. Поэтому для трехпроводной электрической сети применяют двухэлементные счетчики, т.е. счетчики, в которых конструктивно объединены два измерительных механизма с двумя дисками, закрепленными на одной оси.Схема включения такого счетчика представлена на рис. 3.14. На этом же рирунке изображена клеммная колодка двухэлементного индукционного счетчика активной энергии типа СА3У-И670М. Условные обозначения: С – счетчик, А – активной энергии; 3 – для трехпроводной цепи, У – универсальный, М – нормальные условия эксплуатации от –150С до +250С, Сн =

1750 об/кВт ч.

ИТН

Рис. 3.14. Схема включения двухэлементного индукционного счетчика в трехпроводную сеть

Схема, представленная на рис. 3.14, называется косвенной схемой включения счетчика, т.к. его вольтовые и токовые обмотки включаются в трехпроводную сеть через два измерительных трансформатора тока (ИТТ) и через три измерительных трансформатора напряжения (ИТН). Например, для счетчика типа СА3У – И67ОМ показания будут верными, т.е. справедлива номинальная постоянная счетчика равная 1750 об/кВт ч с трансформаторами напряжения, с номинальным коэффициентом трансформации по напряжению

73

380/100, и с трансформаторами тока с номинальным вторичным током 5А. На циферблате счетчика имеются соответствующие условные обозначения трансформаторов и их основные данные: 3х100 В и 2х5 А. В принципе этот тип счетчика может быть применен для учета электрической энергии в электрических сетях напряжением выше 1000 В с применением соответствующих ИТН со вторичным напряжением 100 В, но с пересчетом постоянной Сн или умножением показаний счетчика на коэффициент, вычисленный из отношения линейного напряжения сети (Uл) к линейному напряжению сети равному 380 В соответствующему номинальному значению

Сн.

Следует заметить, что ИТТ необходимо выбирать из соображений недопустимости превышения линейных токов сети (Iл) первичных номинальных токов трансформаторов, т.к. у этих трансформаторов первичный номинальный ток является максимальным допустимым током, выше которого резко уменьшается его коэффициент трансформации и возникает ситуация недоучета электрической энергии счетчиком. К недоучету электрической энергии приводят также варианты неправильного включения обмоток счетчика, т.е. варианты включения отличные от указанных на колодке.

Для четырехпроводных электрических сетей применяют трехэлементные счетчики с конструктивным объединением трех измерительных механизмов с темя дисками на одной оси. При этом каждый измерительный механизм создает вращающий момент пропорциональный электрической энергии, прошедшей через одну фазу.

Схема полукосвенного включения трехэлементного счетчика типа СА4УИ672М и его клеммная колодка приведены на рис. 3.15. Этот тип счетчиков включается в сеть напряжением 380/220 В с нулевым проводом. Вольтовые обмотки непосредственно включены под фазные напряжения, а токовые – косвенно через ИТТ.

74

0

Рис. 3.15. Схема включения трехэлементного индукционного счетчика в четырехпроводную сеть

ИТТ для схемы включения по рис. 3.15 и ИТН для схемы включения по рис. 3.14 могут выполняться на одном магнитопроводе, т.е. конструктивно объединены. Для обеих схем «перефазировка» фаз недопустима, т.к. приводит к неверным измерениям (недоучету потребляемой энергии). Недопустимо также несогласное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов, которые маркируются индексами.

3.5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

ЭЛЕКТРОННЫЕ СЧЕТЧИКИ АКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ

Электронные счетчики активной энергии (ЭС) строятся на основе преобразователя мощности с последующим интегрированием его входной величины в соответствии с зависимостью

W tt1 p(t)dt .

Мгновенная мощность, потребляемая нагрузкой р(t) = u(t) i(t) cos (t), преобразуется в преобразователе «мощность – напряжение» 1 (рис. 3.16) в постоянное напряжение Uвых, величина которого пропорциональна потребляемой активной мощности.

Рис. 3.16. Структурная схема электронного счетчика

В преобразователе «напряжение – частота» 2 это напряжение преобразуется в частоту импульсов, которая также оказывается пропорциональна активной мощности Р. Выходные импульсы подсчитываются

75

(интегрируются) счетчиком импульсов 3. Следовательно, показания электронного счетчика импульсов 3 пропорциональны активной энергии W.

Электронные счетчики активной энергии переменного тока имеют классы точности 0.2; 1,0 и 2.0.

При выборе ЭС необходимо учитывать его функциональные возможности, точностные, надежностные, конструктивные характеристики, помехоустойчивость, возможность встраивания в существующую инфраструктуру, цену и т.д.

Для сравнения качества ЭС необходимо обращать особое внимание на следующие основные метрологические и эксплуатационные

характеристики:

-среднее время наработки до отказа (СВНО);

-межповерочный интервал (МПИ);

-средний срок службы (Тсл);

-масса;

-диапазон рабочих температур или минимальная рабочая температура,

т.к. обычнго необходимая верхняя рабочая температура обеспечивается в пределах от +45 до +600С.

Втаблице представлены перечисленные выше параметры пяти типов ЭС.

Большинство современных ЭС снабжаются телеметрическим выходом с помощью оптоэлектронной пары, который гальванически развязан от остальных цепей счетчика.

Электронные счетчики также применяются для измерения энергии в цепях постоянного тока. Различают счетчики киловатт-часов, счетчики ампер-часов и счетчики вольт-часов. Счетчики ампер- и вольт-часов работают на основе преобразователей тока в частоту или напряжения в частоту с последующим счетом импульсов электронным счетчиком импульсов.

76

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОММЕТРЫ

В основе работы электронных омметров лежит преобразование измеряемого сопротивления Rx в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока, которое подается на магнитоэлектрический измерительный механизм (см. § 3.3, п.1). При этом шкала измерительного механизма градуируется в единицах сопротивления.

Наибольшее распространение получили схемы омметров (рис. 3.17) с источником стабильного напряжения U0 1, с усилителем постоянного тока 2 и измерительным механизмом 3.

Рис. 3.17. Функциональная схема электронного омметра

Усилитель постоянного напряжения имеет большое входное сопротивление, поэтому, пренебрегая его шунтирующим действием, имеем

kUx kU0R x / R0 R x ,

где α – угол отклонения измерительного прибора 3, k – коэффициент преобразования усилителя и измерительного прибора, Ux – напряжение, связанное функционально с измеряемым сопротивлением Rx, R0 – известное (образцовое) сопротивление.

Из уравнения шкалы видно, что в широком диапазоне измеряемых сопротивлений, шкала таких омметров неравномерна. Для повышения точности измерения диапазон разбивают на поддиапазоны, каждому из которых соответствует свое значение R0. Вместо усилителя постоянного тока могут применяться операционные усилители.

Рассмотренная схема применяется в универсальных вольтметрах типа В717, В7-22А и другие. Диапазоны измерения сопротивлений от 10 Ом до 1000 МОм, основная погрешность не превышает ±2.5 %.

В электронных тераомметрах измеряющих сопротивление до 1012 Ом, для уменьшения погрешностей применяют другое включение Rx и R0, т.е. Rx и R0 меняются местами, чтобы не применять большие сопротивления R0. Шкала такого тераомметра тоже неравномерна, поскольку уравнение шкалы принимает вид: SU U0 R 0 / R X , где SU – чувствительность прибора по

напряжению магнитоэлектрической системы 3.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Электронные осциллографы применяются для наблюдения, регистрации и измерения изменяющихся процессов во времени. Наиболее распространены универсальные осцил-лографы предназначенные для наблюдения и измерения

77

периодических и непериодических сигналов непрерывного и импульсного

калибровочный генератор с амплитудой импульсов 0.1 В и с частотой следования этих импульсов 2 кГц.

Принцип работы электронных осциллографов заключается в следующем (рис. 3.18). На горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 1 подается через усилитель 4 напряжение горизонтальной развертки, вырабатываемое генератором горизонтальной развертки 2. Это напряжение имеет линейно возрастающую форму для обеспечения равномерного хода луча слева направо. Наблюдаемый сигнал подается на вторую пару пластин (горизонтально расположенную) через усилитель вертикального отклонения 5. Т.о. осуществляется развертка по времени изучаемого сигнала. Для получения устойчивого изображения сигнала необходима его синхронизация с развертывающим (пилообразным) напряжением. Синхронизация осуществляется через блок синхронизации 3, обеспечивающий одновременный запуск генератора развертки 2 с приходом начала сигнала. При равенстве периодов развертки и исследуемого сигнала (Тр=Тс) изображение на экране будет неподвижно. Оно будет неподвижно и в общем случае: Тр=nТс , где n – целое число, т.е. при кратности периодов (частот) развертки и сигнала. Режим синхронизации может быть внутренним или внешним. Генератор развертки может работать в двух режимах: непрерывном и ждущем.

При непрерывной развертке каждый последующий цикл пилообразного напряжения непрерывно следует за предыдущим. Для изучения импульсной последовательности большой скважности и непериодических импульсов используется ждущая развертка, при которой напряжение развертки подается на горизонтально отклоняющие пластины только тогда, когда исследуемый импульс поступает на вход вертикально отклоняющих пластин.

В некоторых случаях вместо линейной развертки используют круговую или спиральную.

78

3.6. МОСТЫ И КОМПЕНСАТОРЫ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Распространенным средством измерения сопротивлений постоянному току являются измерительные мосты постоянного тока.

В простейшем случае мостовая схема содержит четыре резистора, соединенных в кольцевой замкнутый контур (рис. 3.19). Такую схему называют одинарным мостом и применяют для измерений средних сопротивлений (от 1 до 1010 Ом). С помощью мостовой схемы реализуется нулевой метод сравнения измеряемой величины (§1.4), например, сопротивление резистора R1 с образцовыми

мерами (резисторы R2, R3, R4).

Т.о. измерения при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного Rx с образцовым сопротивлением R2 при сохранении отношения R 3 R 4 . По этой причине плечо R2 называют плечом сравнения,

плечи R3 и R4 – плечами отношения.

Погрешность измерения Rx определяется неточностью изготовления магазинов R2, R3, R4. Кроме этого погрешность измерения зависит от чувствительности индикатора, поэтому в мостах постоянного тока применяют высокочувствительные гальванометры магнито-электрической системы.

Значительная методическая погрешность возникает при измерении малых сопротивлений, соизмеримых с сопротивлением проводов и соединительных контактов. Измерение больших сопротивлений затруднено в связи с малой чувствительностью схемы и шунтирующим действием паразитных проводимостей.

Типичные значения относительных погрешностей при измерении одинарным мостом составляют от 0,005 до 1,0 %.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Одинарные мосты могут работать также и на переменном токе. В этом случае сопротивления плеч являются комплексными. Такие мосты широко применяются для измерения индуктивностей и емкостей.

79

Индикатором баланса моста может служить электронный вольтметр или электронный индикатор нуля на базе электронно-лучевой трубки.

Условие равновесия одинарного моста переменного тока имеет вид

Z1Z4 Z2 Z3 , при Iи=0.

Если комплексное сопротивление представить в показательной форме: Z Ze j , то можно заметить, что баланс моста возможен при двух условиях:

1- при балансе амплитуд: Z1Z4 Z2 Z3 ;

2- при балансе фаз: φ1+φ4=φ2+φ3.

Только одновременное выполнение двух условий обеспечивает равенство нулю напряжения на измерительной диагонали, в которую включен индикатор. Чтобы обеспечить выполнение двух условий одновременно, необходимо иметь не менее двух регулирующих элементов.

В измерительных мостах переменного тока такими элементами чаще всего являются образцовые резисторы и образцовые переменные конденсаторы.

Сопротивления плеч в мостах переменного тока зависят от частоты, т.е. равновесие возможно только при некоторой достаточно постоянной частоте питающего напряжения. Наиболее употребимые частоты напряжения питания мостов переменного тока 100 и 1000 Гц. При более высоких частотах на баланс моста сильно влияют различные паразитные электрические связи через емкости монтажа.

Следует заметить, что мосты для измерения сопротивлений, индуктивностей, емкостей часто совмещают в одном приборе. Такие приборы называют универсальными измерительными мостами. Они позволяют измерять индуктивности от долей микроГенри до тысяч Генри, емкости – от единиц пикоФарад до тысяч микроФарад. Кроме этого можно измерить добротность индуктивных катушек (Q = ωL/rк) и диэлектрические потери в конденсаторах (tg δ). Относительная погрешность измерения может не превышать сотых долей процента.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ МОСТЫ

Автоматизация производственных операций потребовала создания автоматических устройств широкого применения для измерения сопротивлений, емкостей, индуктивностей и, связанных с ними, неэлектрических физических величин, например, температуры, давления, расхода вещества и т.д.

Для целей преобразования параметров L, R, C в напряжение или ток удобно применять мостовые электрические схемы. Т.о. изменение различных неэлектрических величин с помощью моста преобразуется в приращение напряжения на измерительных диагоналях мостовой схемы.

80