книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

На рис. 52 приведена векторная диаграмма трансформатора на­ пряжения. Для большей наглядности полагаем число витков пер­ вичной шх и вторичной ш2 обмоток одинаковыми (в действительности

и1 = -Ei + hiri + jxJ.

Из (78) следует, что вектор первичного напряжения Ut не равен вектору вторичного напряжения U2, несмотря на то, что было при­ нято = w2. Степень этого неравенства, а следовательно, по­ грешности напряжения fu и угловая ô u зависят от токов І2 и / 0 и сопротивлений обмоток трансформатора. Наибольшее влияние на погрешности оказывает нагрузка во вторичной цепи трансформатора.

На рис. 53 приведены типичные графики погрешностей трансформаторов напряжения в зависимости от величины мощности во вторичной цепи, выражен­ ной в процентах от номинального значения. Начиная с некоторого значения мощ­ ности, погрешности непрерывно увеличиваются. Во вторичную цепь нужно вклю­ чить такое количество приборов, чтобы потребляемая ими мощность не превы­ шала номинальной мощности трансформатора, обычно указываемой на его щитке.

100

Д л я уменьшения сопротивления гх и г2 в трансформаторах напряжения уменьшают плотность тока в проводниках обмоток, которая обычно составляет

Стационарные трансформаторы на­ пряжения по нормам делятся на классы точности 0.5; 1 и 3, а лабораторные — на классы 0,05; 0.1; 0,2 и 0,5.

15. Измерительные трансформаторы постоянного тока

Принцип действия измерительных трансформаторов постоянного тока существенно отличается от обычных измерительных трансформаторов, но вы­ полняют онп ту же задачу и могут обеспечить высокую точность измерений при надлежащей изоляции измерительных цепей но отношению к высоковольт­ ным. Принципиальная схема трансформатора постоянного тока, иллюстрирую­ щая идею устройства, приведена на рис. 54.

Сердечники / и / / трансформаторов, совершенно одинаковые по своим раз­ мерам, изготовляют из ферромагнитного материала с высокой магнитной про­ ницаемостью (например, из пермаллоя). Первичные обмотки этих сердечников соединяют последовательно, и по ним протекает измеряемый постоянный ток 1%. Вторичные обмотки соединяют параллельно ИЛИ последовательно (последний случай показан на схеме рис. 54) и через выпрямители приключают к вспомога­ тельному источнику переменного тока U~.

101

кривая заменена «идеальной кривой». Под действием постоянного тока сердеч­ ники намагнитятся; рабочую точку на основной кривой намагничивания обоз­

в первичных обмотках, тогда как в другом сердечнике в это время оба магнит­

Л

напряжение, если только пренебречь, вследствие его малости, падением напря ­ жения в обмотках и в нагрузке трансформатора. Очевидно, что потоки сердеч­

постоянного и переменного рабочая точка А переместится вправо н никаких

вой намагничивания переместится вправо и, следовательно, ток во вторичной цепи будет нарастать до большего значения, так как ограничивающая его э. д. с.

Из формулы (79) следует, что ток во вторичных обмотках не зависит от напряжения и частоты вспомогательного источника питания, если только напря ­ жение последнего достаточно для получения требуемого равенством (79) значе­ ния вторичного тока.

Таким образом, описанное устройство действительно ведет себя как транс­ форматор. Из рис. 55 видно, что во вторичных обмотках переменный ток дол­ жен иметь прямоугольную форму, а в диагонали моста, где включен измеритель­ ный механизм, будет протекать постоянный ток.

102

При рассмотрении принципа действия измерительного трансформатора постоянного тока предполагалось, что кривая намагничивания В == F (II) сер­ дечников имеет вид, показанный иа рис. 55.

Действительная кривая намагничивания ферромагнитных материалов с вы­ сокой начальной магнитной проницаемостью отступает от приведенной идеали­ зированной кривой, и ото обстоятельство наряду с наличием рассеяния во вто­ ричных обмотках сердечников и сопротивления вторичной цепи является ИСТОЧ­ НИКОМ погрешности трансформаторов, а именно погрешности коэффициента трансформации.

Под номинальным коэффициентом трансформации измерительного транс­ форматора постоянного тока понимают коэффициент, на который следует умно­ жить значение тока во вторичной цепи, чтобы получить ток первпчпой обмотки. Номинальный коэффициент трансформации принимается равным отношению номинальных значений токов в пер-

к а к и измерительного трансформатора переменного тока, называется разность значений номинального п действительного коэффициента, отнесенная к значе­

альной кривой намагничивания от идеализированной кривой при малых зна­ чениях напряженности поля.

Уменьшение погрешности трансформатора постоянного тока может быть достигнуто применением ферромагнитного материала с возможно меньшей коэр­ цитивной силой и кривой намагничивания, наиболее близкой к идеализирован­ ной кривой, а также возможно осуществление различных компенсационных схем.

Например, могут быть использованы потоки рассеяния для дополнитель­ ного подмагничивания сердечников и другие способы, позволяющие расширить пределы измерения тока Іх.

Измерительный трансформатор напряжения постоянного тока. Принцип действия измерительного трансформатора напряжения постоянного тока такой же, как и трансформатора постоянного тока, но в его устройстве имеются неко­ торые отличия. В целях уменьшения тока Іх, потребляемого от измеряемого источника (например, этот ток может быть равен 10 мА), первичные обмотки

103

сердечников делаются из тонкой проволоки с большим числом витков. Первич­ ные обмотки соединяются последовательно и через добавочное сопротивление приключаются к измеряемому напряжению.

Вторичные обмотки сердечников соединяются параллельно и встречно для взаимной компенсации в первичных обмотках индуктированных э. д. с , которые

.могут достигнуть значительной величины из-за большого числа витков первич­ ных обмоток. Трансформаторы напряжения постоянного тока, так же как и трансформаторы постоянного тока, имеют погрешность коэффициента транс­ формации, которая главным образом зависит от характеристик материала сер­ дечника.

Глава четвертая

ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ

16.Измерение постоянных токов, напряжений

иколичества электричества

Общие замечания. Измерение постоянных токов и напряжений в подавляющем большинстве случаев производится посредством маг­ нитоэлектрических амперметров и вольтметров. Иногда для этой цели применяют также электромагнитные, электродинамические, ферродинамические и электростатические приборы, а также потен­ циометры постоянного тока (см. гл. 6).

Для измерения малых количеств электричества, протекающих в течение коротких промежутков времени (доли секунды), применяют главным образом баллистические гальванометры. Большие количе­ ства электричества, протекающие за большой промежуток времени (порядка нескольких часов), измеряют кулонметрами.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры. Измерительные механизмы магнитоэлектрических амперметров и вольтметров прин­ ципиально не, различаются между собой. В зависимости от назначе­ ния прибора (для измерения тока или напряжения) меняется его измерительная цепь. В амперметрах измерительный механизм вклю­ чается в цепь непосредственно или при помощи шунта. В вольтмет­ рах последовательно с измерительным механизмом включается доба­ вочное сопротивление, и прибор подключается к тем точкам схемы, менаду которыми необходимо измерить напряжение.

Амперметр без шунта применяется в том случае, если весь из­ меряемый ток можно пропустить через токоподводящие пружинки (или растяжки) и обмотку рамки измерительного механизма, Обычно эта величина не превышает 20'—30 мА, т. е. такая схема возможна только для микро- и миллиамперметров.

Характер измерительной цепи в значительной степени опреде­ ляется также допустимой температурной погрешностью и пределом измерения прибора. /

Изменение температуры прибора сказывается на его работе сле­ дующим образом.

1. При повышении^температуры удельный противодействующий момент пружинок (или растяжек) уменьшается примерно на 0,2—

104

Так как ослабление пружинок и уменьшение потока магнита вы­ зывает температурную погрешность, примерно одинаковую по вели­ чине, но с разными знаками, то эти два явления практически взаимно компенсируют друг друга.

2. Изменяется электрическое сопротивление обмотки рамки и пружинок. Это является основным источником температурной пог­ решности магнитоэлектрических приборов.

В большинстве случаев температурная погрешность вольтметров является незначительной. Это объясняется тем, что температурный коэффициент сопротивления цепи вольт­ метра определяется не только «медной» частью обмотки измерительного механиз­ ма, но и добавочным сопротивлением, вы­ полняемым из материала с очень малым температурным коэффициентом сопротив­ ления (манганина).

Наиболее неблагоприятным в отноше­ нии влияния температуры является ам­ перметр с шунтом. При повышении темпе­ ратуры и неизменных значениях измеряе­ мого тока и сопротивления шунта г ш (шунт, как указывалось выше, выполняет­ ся из . манганина) ток / , протекающий через измерительный механизм, умень­ шается и появляется отрицательная по­ грешность.

в приборах высоких классов точности (0,5; 0,2; 0,1). В такой схеме последова­ тельно с медным сопротивлением рамки включается сопротивление из манга­ нина г3 . Эта цепь шунтируется сопротивлением гг из материала с большим тем­ пературным коэффициентом (меди или никеля) и через последовательно вклю­ ченное манганиновое сопротивление г2 подключается к шунту г ш . При повыше­ нии температуры возрастают сопротивления рамки и rs. Однако поскольку по­ следовательно с рамкой включено сопротивление г2, имеющее практически нулевой температурный коэффициент, то по сравнению с цепью рамки увели­ чение сопротивления в цепи гг будет больше. Поэтому изменится распределение

105

токов / и Іг таким образом, что в обмотку рамки будет ответвляться несколько большая часть общего тока, чем раньше. Так как сопротивление между точками а и с увеличивается, а ток Іх не изменяется, напряжение и,ф между этими точ­ ками несколько увеличится. Поскольку же сопротивление г„ с увеличением

В последнее время все чаще применяются схемы с полупроводниковыми терлюрезпеторами (рис. 57, в). Терморезистор обладает значительным отрица­ тельным температурным коэффициентом порядка — (25—35)°о на 10°С. Кон­ структивно такие терморезпеторы (например, типа МТТ-8) выпускаются в виде шайб в герметическом корпусе. Благодаря высокому значению температурного коэффициента сопротивление терморезистора в схеме компенсации .может быть

необходимой величины температурного коэффициента резистора и уменьшения влияния разброса характеристик терморезисторов последние шунтируются . манганиновым резистором r t .

В настоящее время терморезпеторы применяются в приборах средних клас­ сов точности (например, в миллнвольтмпкроамперметре типа M 1200, класса 0,5).

При создании приборов для измерения очень малых напряжений (напри­ мер, э. д. с. термопар) желательно, чтобы все напряжение подводилось непо­ средственно к цепи измерительного механизма. В этом случае температурная компенсация осуществляется не с помощью схем, а посредством термомагнит­ ного шунта. Такой шунт выполняется из специальных магнитных материалов (сплавов меди с никелем или железа с никелем), у которых магнитная прони­ цаемость существенно уменьшается при возрастании температуры. Конструк­ тивно термомагннтный шунт представляет собой пластинки, которыми замы­ каются полюсные наконечники постоянного магнита. При повышении темпера­ туры магнитное сопротивление шунта возрастает, что приводит к увеличению индукции в воздушном зазоре и показания прибора будут мало зависеть от температуры.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры выпускают переносными и щитовыми. Переносные приборы в большинстве слу­ чаев делают высокоточными (классов 0,1—0,5), многопредельными (до нескольких десятков пределов) и часто комбинированными (на­ пример, вольтамперметрами). В качестве многопредельного комбини­ рованного прибора можно указать, например, на милливольтмикроамперметр типа М1200 класса 0,5. Прибор имеет 22 предела измере­ ния: 11 но напряжению (от 3 мВ до 750 В) и 11 по току (от 3 мкА до 7,5 мА). Щитовые приборы выпускают с круглыми и квадратными

вается электроизмерительный прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению. Галь­ ванометры широко используются в электроизмерительной технике в качестве нуль-индикаторов, а также для измерения малых токов, напряжений и количеств электричества, если известна постоянная гальванометра (цена деления).

1 Теория движения подвижной части гальванометра рассмотрена в § 21.

106

Кроме магнитоэлектрических, существуют и некоторые другие виды гальванометров, например электростатические, называемые электрометрами. Однако их применение весьма ограничено.

Основное требование, предъявляемое к гальванометрам, — высо­ кая чувствительность, которая достигается, главным образом, путем уменьшения противодействующего момента и использования светового указателя с большой длиной луча.

По конструктивному оформлению различают: а) гальванометры пере­ носные (со встроенной шкалой), в которых используются как стрелоч­ ные, так и световые указатели; б) гальванометры зеркальные, с от­ дельной шкалой, требующие стацио­ нарной установки по уровню.

осуществляется посредством подвеса 2 и безмоментной нити 4. Для измерения угла поворота рамки служит зеркальце 3, на которое фокусируется луч света от специального осветителя.

Зеркальный отсчет можно производить двояким способом: субъ­ ективным и объективным. В первом случае (рис. 59, а) на постоянном

Рис. 59. Схемы зеркальных способов отсчета: а — субъек­ тивного; б — объективного

расстоянии от зеркальца 1 и параллельно его плоскости размещается освещенная (со стороны зеркальца) шкала 2 с делениями. Отраженный от зеркальца луч света направляют в зеркальную трубу 3 и притом так, чтобы наблюдатель видел в ней часть шкалы. Одну из отметок шкалы совмещают с вертикальной чертой, нанесенной на объективе трубы. Если катушка повернется на угол а, то наблюдатель увидит уже другую отметку, отстоящую от первой на расстоянии п делений.

107

При объективном методе отсчета (рис. 59, б) на зеркальце направ­ ляют от лампы узкий пучок света, который, отразившись от него, па­ дает на шкалу в виде тонкой световой полоски. При повороте рамки на угол а световая полоска перемещается вдоль шкалы на расстояние

пделении.

Вобоих случаях угол поворота катушки в радианах определяется из выражения lg 2а — п:1, т. е. п не пропорционально а.

При малых углах отклонения (не более 3°) можно тангенс заме-

метры имеют постоянную до 10"11 А-м/мм; у переносных гальвано­ метров цена деления примерно 10~8—10~9 А/дел, т. е. по чувстви­ тельности они на несколько порядков шгже зеркальных.

Стандарт на гальванометры (ГОСТ 7324—68) допускает отклоне­ ние величины постоянной (или цены деления) от указанной в пас­ порте на - ±10 °о.

Важной характеристикой гальванометра является постоянство нулевого положения указателя, под которым понимают невозвраще­ ние указателя к нулевой отметке при плавном его движении от край­ ней отметки шкалы. По этому параметру гальванометры делят на раз- \ ряды постоянства (табл. 7). Условное обозначение разряда постоян­ ства нулевого положения указателя гальванометра, состоящее из цифрового обозначения разряда постоянства, заключенного в ромб, наносят на гальванометр при маркировке.

Многие гальванометры снабжают магнитным шунтом. Регулируя положения шунта посредством выведенной наружу ручки, можно

108

менять величину магнитной индукции в рабочем зазоре. При этом изменяется постоянная, а также ряд других параметров гальвано­ метра. По требованию стандарта, магнитный шунт должен изменять постоянную по току не менее чем в 3 раза. В паспорте гальванометра и в его маркировке указывают значения постоянной при двух край­ них положениях шунта — полностью введенном и полностью выве­ денном.

Таблица 7

Гальванометр должен иметь корректор, перемещающий при кру­ говом вращении указатель в ту или другую сторону от нулевой от­ метки. Гальванометры с подвижной частью на подвесе должны быть снабжены механическим арретиром, который включают, например, при переноске прибора.

Гальванометры ввиду высокой чувствительности необходимо за­ щищать от паразитных э. д. с , контактных разностей потенциалов, токов утечек и других возможных помех. Это достигается электро­ статическим экранированием гальванометра, а в особо ответственных случаях — при помощи подставки, на которой он устанавливается. В качестве экрана может быть использован металлический корпус гальванометра. Экраны выводятся к зажимам с надписью «экран», которые соединяют с общим экраном схемы.

Характер движения подвижной части гальванометра при измене­ нии измеряемой величины зависит от его успокоения, которое опре­ деляется величиной сопротивления внешней цепи. Для удобства работы с гальванометром это сопротивление, подбирают близким к так называемому внешнему критическому сопротивлению гк, определен­ ному для каждого гальванометра и указываемому в его паспорте. Если гальванометр замкнут на внешнее критическое сопротивление, то указатель плавно подходит к положению равновесия, не переходит его и не совершает около него колебаний. Более детально этот вопрос рассмотрен в § 21.

Баллистические гальванометры. Баллистический гальванометр, как указывалось ранее, позволяет измерять малые количества элект­ ричества (импульсы тока), протекающие в течение коротких проме­ жутков времени — долей секунды. Таким образом, баллистический

109