Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы научных исследований в электроэнергетике. Учебное пособие
.pdf
Принцип действия аналоговых электронных омметров основан на
преобразовании измеряемого сопротивления в пропорциональное ему
напряжение с помощью операционного усилителя. Измеряемый объект
включается в цепь обратной связи (линейная шкала) или на вход усилителя.
Цифровой омметр представляет собой измерительный мост с автоматическим уравновешиванием. Уравновешивание производится цифровым управляющим устройством методом подбора прецизионных резисторов в плечах моста, после чего измерительная информация с управляющего устройства подаётся на блок индикации. При измерении малых сопротивлений может возникать дополнительная погрешность из-за влияния переходного сопротивления в точках подключения. Чтобы избежать этого
применяют метод четырёхпроводного подключения, сущность которого
заключается в том, что используются две пары проводов: по одной паре на
измеряемый объект подаётся заданный ток, с помощью другой пары производится измерение напряжения на объекте, пропорционального силе тока и сопротивлению объекта. Провода подсоединяются к выводам измеряемого двухполюсника таким образом, чтобы каждый из токовых проводов не касался непосредственно соответствующего ему провода напряжения, при этом получается, что переходные сопротивления в местах контактов не включаются в измерительную цепь.
Логометры имеют подвижную часть, которая выполнена в виде
двух рамок, расположенных перпендикулярно, когда по рамке протекает
ток, то при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита эллиптической формы – неподвижной частью логометра, создаётся
вращающий момент, который передвигает стрелку прибора. Когда токи в
обеих рамках равны, их вращающие моменты равны, стрелка прибора занимает нулевое положение. Если токи различны, подвижная часть прибора
перемещается таким образом, что рамка с большим током оказывается в
положении с большим зазором постоянного магнита (из-за его эллиптичности). В результате вращающий момент, создаваемый рамкой, уменьшается и становится равным вращающему моменту рамки с меньшим током.
Логометр обычно применяется в приборах для измерения сопротивления,
индуктивности, ёмкости, температуры.
Мерами электрического сопротивления называют образцовые резисторы, если они для этой цели разработаны, изготовлены и прошли поверку. Меры сопротивления воспроизводят значения сопротивлений в диапазоне от 10–4 до 1012 Ом, они подразделяются на две группы:
- однозначные – катушки сопротивления;
- многозначные – магазины сопротивлений.
Меры сопротивления применяются для поверки и калибровки
омметров; вторичных приборов, предназначенных для работы с
термометрами сопротивления.
101
Катушка сопротивления представляет собой металлический или
фарфоровый каркас, на который наматывается обмотка из манганиновой
проволоки, концы проволоки припаиваются к зажимам. Каркас катушки
крепится к корпусу с отверстиями для лучшего охлаждения обмотки. Меры с номинальным сопротивлением 105 Ом и более имеют электростатический экран, роль которого, как правило, выполняет корпус устройства. В
некоторых конструкциях корпус заполняется трансформаторным маслом,
керосином или силиконовым маслом, что повышает влагостойкость изоляции и улучшает условия теплоотдачи обмотки. Для контроля температуры
катушки предусматривается гнездо под термометр. Катушки снабжаются
четырьмя зажимами, два из которых называются токовыми, и предназначены для включения образцовой катушки в цепь тока, два других называются потенциальными и предназначены для измерения падения напряжения на сопротивлении катушки. Образцовые резисторы из манганина могут быть нагружены в воздухе до 1 Вт, а в масляной ванне – до 4 Вт.
Магазины сопротивлений классифицируют по числу декад (однодекадные; многодекадные); по конструкции коммутируюцей системы:
- штепсельные, которые подсоединяются при помощи конических
латунных стержней (штепселей), вставляемых в гнёзда металлических пластин, соединённых с мерами; контактное сопротивление при хорошем состоянии поверхности и достаточном нажатии примерно 10−4 Ом, при загрязнении поверхности и слабом нажатии сопротивление контакта может
увеличиться в сотни раз, вследствие этого могут возникнуть значительные
погрешности;
- вилочные, они подсоединяются при помощи двухштырьковой вилки, вставляемой в гнёзда наборной доски;
- рычажные, подсоединяются при помощи многопластинчатых щёток
из фосфористой бронзы, скользящих по латунным контактам, благодаря
тому, что ширина щёток превышает зазор между контактами, это единственный тип коммутирующей системы, обеспечивающий переключение без
разрыва цепи;
- электронные, в них коммутация осуществляется с помощью низкотемпературных прецизионных (высокоточных) реле, управляемых микроконтроллером, такой магазин требует для своей работы источник электропитания.
3.4.7. Частотомеры и ваттметры
Частотомеры предназначены для определения частоты периодиче-
ского процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала,
они классифицируются:
- по методу измерения (приборы непосредственной оценки – аналоговые; приборы сравнения: резонансные, гетеродинные, электронносчётные);
102
- по физическому смыслу измеряемой величины (для измерения частоты синусоидальных колебаний – аналоговые; измерения частот гармонических составляющих: гетеродинные, резонансные, вибрационные; измерения частоты дискретных событий: электронно-счётные, конденсаторные);
- по исполнению (щитовые, переносные и стационарные).
Принцип действия электронно-счётных частотомеров (ЭСЧ) основан
на подсчёте количества импульсов, сформированных входными цепями из
периодического сигнала произвольной формы, за определённый интервал
времени. Интервал времени измерения задаётся методом подсчёта импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника (например, стандарта частоты). Таким образом, ЭСЧ является
прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности
эталонной частоты.
ЭСЧ является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона
измерения до сотен мегагерц, десятков гигагерц используются дополнительные блоки (делители частоты и переносчики частоты). Большинство
ЭСЧ кроме частоты позволяют измерять период следования импульсов,
интервалы времени между импульсами, отношения двух частот, а также
могут использоваться в качестве счётчиков количества импульсов. Некоторые ЭСЧ, например, Ч3-64, сочетают в себе электронно-счётный и гетеродинный методы измерения. Это не только повышает диапазон измерения, но и позволяет определять несущую частоту импульсномодулированных сигналов.
Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении
частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора, в качестве которого может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объёмный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подаётся на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности
в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает
резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки
отсчитывает частоту.
Гетеродинные частотомеры сравнивают частоту входного сигнала с
частотой перестраиваемого вспомогательного генератора (гетеродина)
методом нулевых биений. Порядок работы с гетеродинными частотомерами аналогичен работе с резонансными частотомерами.
Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 Гц до 1 МГц. Принцип работы таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с
103
последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот
процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку
переключение производится под воздействием самого исследуемого напряжения. Показания магнитоэлектрического амперметра пропорциональны измеряемой частоте. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2…3 %.
Вибрационные (язычковые) частотомеры представляют собой приборы с подвижной частью в виде набора упругих элементов (пластинок,
язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля.
Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы данных систем лежит использование
частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит
от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр,
на одно плечо которого подаётся измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое – через частотозависимую, ротор логометра со
стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается
в положение, зависящее от соотношений токов в обмотках.
Ваттметры – измерительные приборы, предназначенные для определения мощности электрического тока и электрических сигналов. По назначению и диапазону частот ваттметры делятся на три категории: низкочастотные; радиочастотные; оптические. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и её вывода оператору ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и
цифровые.
Низкочастотные ваттметры используются в электрических сетях для
измерения потребляемой мощности, они могут быть однофазные и трехфазные. Отдельную подгруппу составляют варметры – измерители
реактивной мощности. Цифровые приборы обычно совмещают возможность измерения активной и реактивной мощности.
Аналоговые низкочастотные ваттметры электродинамической или
ферродинамической системы имеют в измерительном механизме две катушки, одна из которых подключается последовательно нагрузке, другая
параллельно. Взаимодействие магнитных полей катушек создает вращающий момент, пропорциональный произведению силы тока, напряжения и
косинуса или синуса разности фаз (для измерения соответственно
активной или реактивной мощности), и отклоняющий стрелку прибора.
Цифровые низкочастотные ваттметры имеют в качестве входных цепей два датчика: по току и напряжению, подключаемые соответственно
последовательно и параллельно нагрузке, датчики могут быть на основе
измерительных трансформаторов, термисторов, термопар и другие. Информация с датчиков через АЦП передается на вычислительное устройст-
104
во, в котором рассчитываются активная и реактивная мощность, далее итоговая информация выводится на цифровое табло, а при необходимости на
внешние устройства памяти или печати.
3.4.8. Мультиметры и осциллографы
Мультиметры минимально выполняют функции вольтметра,
амперметра, омметра. Иногда выполняется мультиметр в виде
токоизмерительных клещей. Различают цифровые и аналоговые мультиметры. Мультиметр может быть как переносным устройством, используемым для базовых измерений и поиска неисправностей, так и стационарным
прибором со множеством функций.
Наиболее простые цифровые мультиметры имеют портативное исполнение, их разрядность 2,5 цифровых разряда (точность 10 %). Наиболее
распространены приборы с разрядностью 3,5 (точность 1,0 %). Выпускаются также чуть более дорогие приборы с разрядностью 4,5 (точность
0,1 %) и существенно более дорогие приборы с разрядностью 5 разрядов и
выше, например, прецизионный мультиметр 3458A производства Keysight
Technologies имеет 8,5 разрядов. Среди таких мультиметров встречаются
как портативные устройства, питающиеся от гальванических элементов,
так и стационарные приборы, работающие от сети переменного тока.
Разрядность цифрового измерительного прибора, например, «3,5»
означает, что дисплей прибора показывает 3 полноценных разряда, с диапазоном от 0 до 9, и 1 разряд – с ограниченным диапазоном. Прибор типа
«3,5 разряда» может, например, давать показания в пределах от 0,000 до
1,999, при выходе измеряемой величины за эти пределы требуется переключение на другой диапазон (ручное или автоматическое).
Точность мультиметров с разрядностью более 5 зависит от диапазона
измерения и вида измеряемой величины, поэтому оговаривается отдельно
для каждого поддиапазона. В общем случае точность таких приборов может превышать 0,01 % (даже у портативных моделей).
Количество разрядов не определяет точность прибора. Точность измерений зависит от точности аналогово-цифрового преобразователя
(АЦП), термической и временной стабильности применённых радиоэлементов, качества защиты от внешних наводок, качества проведённой
калибровки.
Многие цифровые вольтметры (например В7-22А, В7-40, В7-78/1 и
т.д.) по сути также являются мультиметрами, они способны кроме напряжения постоянного и переменного тока измерять сопротивление, силу постоянного и переменного тока, а в ряде моделей предусмотрено измерение
ёмкости, частоты, периода и т.д.). Разновидностью мультиметров можно
считать скопметры (осциллографы-мультиметры), совмещающие в одном
корпусе цифровой (обычно двухканальный) осциллограф и достаточно
точный мультиметр. Типичные представители скопметров: АКИП-4113,
105
АКИП-4125, ручные осциллографы серии U1600 фирмы Keysight
Technologies и т.д.).
Индикаторы цифровых мультиметров (а также вольтметров и скопметров) изготавливаются на основе жидких кристаллов (как монохромных,
так и цветных), светодиодных индикаторов, газоразрядных индикаторов,
электролюминисцентных дисплеев, а также вакуумно-люминесцентных
индикаторов, в том числе и цветных.
Типичная погрешность цифровых мультиметров при измерении сопротивлений, постоянного напряжения и тока менее 0,2 % +1 единица
младшего разряда. При измерении переменного напряжения и тока в диапазоне частот от 20 Гц до 5 кГц погрешность измерения 0,3 %+1 единица
младшего разряда. В диапазоне высоких частот до 20 кГц при измерении в
диапазоне от 0,1 предела измерения и выше погрешность намного возрастает (до 2,5 % от измеряемой величины, на частоте 50 кГц уже 10 %). С
повышением частоты повышается погрешность измерения.
Входное сопротивление цифрового вольтметра порядка 11 МОм (не
зависит от предела измерения, в отличие от аналоговых вольтметров), ёмкость – 100 пФ, падение напряжения при измерении тока не более 0,2 В.
Питание портативных мультиметров обычно осуществляется от батареи
напряжением 9 В. Потребляемый ток не превышает 2 мА при измерении
постоянных напряжений и токов, и 7 мА при измерении сопротивлений и
переменных напряжений и токов. Мультиметр обычно работоспособен при
разряде батареи до напряжения 7,5 В.
Типичные диапазоны измерений для распространённого мультиметра M832:
- постоянное напряжение – 0…200 мВ, 2 В, 20 В, 200 В, 1000 В;
- переменное напряжение – 0…200 В, 750 В;
- постоянный ток – 0…2 мА, 20 мА, 200 мА, 10 А (обычно через от-
дельный вход);
- сопротивление – 0…200 Ом, 2 кОм, 20 кОм, 200 кОм, 2 МОм.
Аналоговый мультиметр состоит из стрелочного
магнитоэлектрического измерительного прибора (микроамперметра), набора добавочных резисторов для измерения напряжения и набора шунтов
для измерения тока. Измерение сопротивления производится с использованием встроенного источника питания, а измерение сопротивлений более
1…10 МОм – внешнего источника питания.
Технические характеристики аналогового мультиметра во многом
определяются чувствительностью магнитоэлектрического измерительного
прибора, чем выше чувствительность (меньше ток полного отклонения)
микроамперметра, тем более высокоомные добавочные резисторы и более
низкоомные шунты можно применить. Это означает, что входное сопротивление прибора в режиме измерения напряжений будет более высоким,
падение напряжения в режиме измерения токов будет более низким, что
106
уменьшает влияние прибора на измеряемую электрическую цепь. Даже
при использовании в мультиметре микроамперметра с током полного отклонения 50 мкА, входное сопротивление мультиметра в режиме вольтметра составляет всего 20 кОм/В. Это приводит к большим погрешностям
измерения напряжения в высокоомных цепях (результаты получаются заниженными), при измерении напряжений на выводах транзисторов и микросхем, и маломощных источников высокого напряжения. В свою очередь,
мультиметр с недостаточно низкоомными шунтами вносит большую погрешность измерения тока в низковольтных цепях.
Аналоговые мультиметры имеют нелинейную шкалу в режиме измерения сопротивлений. Кроме того, она является обратной – нулевому значению сопротивления соответствует крайнее правое положение стрелки
прибора. Перед началом измерения сопротивления, необходимо выполнить
установку нуля специальным регулятором на передней панели при замкнутых входных клеммах прибора, так как точность измерения сопротивления
зависит от напряжения внутреннего источника питания. Шкала на малых
пределах измерения переменного напряжения и тока также может быть нелинейной.
В некоторых мультиметрах могут быть следующие функции:
- измерение силы переменного тока;
- прозвонка – измерение электрического сопротивления со звуковой
или световой сигнализацией низкого сопротивления цепи (обычно менее
50 Ом);
- генерация тестового сигнала простейшей формы (гармонической
или импульсной) для оперативной проверки функционирования усилительных трактов и линий передачи;
- тест диодов – проверка целостности полупроводниковых диодов и
определение их полярности;
- тест транзисторов – проверка полупроводниковых транзисторов и
определение статического коэффициента передачи тока;
- измерение электрической ёмкости;
- измерение индуктивности;
- измерение температуры, с применением внешнего датчика;
- измерение частоты напряжения;
- измерение большого сопротивления (до сотен МОм при использовании внешнего источника питания).
- измерение большой силы тока с использованием подключаемых
или встроенных токовых клещей.
Дополнительные возможности мультиметров:
- защита входных цепей тестера в режиме измерения сопротивления
при случайной подаче на вход внешнего напряжения;
- защита тестера на основе плавких предохранителей и быстродействующих автоматических выключателей при неправильном выборе предела
107
измерения (может вызвать повреждение измерительного механизма аналогового тестера), и при подключении к источнику напряжения в режиме измерения тока (приводит к протеканию токов короткого замыкания, и может вызвать возгорание токовых шунтов и всего мультиметра);
- автоматическое отключение питания;
- подсветка дисплея;
- фиксирование результатов измерений (отображаемое значение
и/или максимальное);
- автоматический выбор пределов измерения;
- индикация разряда батарейки и перегрузки;
- режим относительных измерений;
- запись и хранение результатов измерений.
Осциллографы (oscillo – качаюсь; γραφω – пишу) – приборы, предназначенные для исследования (наблюдения, записи, измерения)
амплитудных и временных параметров электрических сигналов, подаваемых на их входы. Современные осциллографы позволяют исследовать
сигнал гигагерцовых частот. По логике работы и назначению осциллографы делятся на три группы:
- реального времени (аналоговый);
- запоминающий осциллограф (storage oscilloscope): аналоговый,
цифровой;
- стробирующий осциллограф (sampling oscilloscope).
Осциллографы классифицируются по количеству лучей: однолучевые, двулучевые и т.д. Количество лучей может достигать 16-ти и более (nлучевой осциллограф имеет n входов и может одновременно отображать
на экране n графиков входных сигналов).
Осциллографы с периодической развёрткой делятся на универсальные (обычные), скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Цифровые осциллографы могут сочетать возможность использования разных функций. Также существуют осциллографы, совмещенные с
другими измерительными приборами, например, мультиметром. Такие
приборы называются скопометрами.
Осциллографы-мультиметры АКИП представляют собой комбинированные приборы типа «два в одном» и сочетают в себе функциональность цифрового запоминающего осциллографа и возможности мультиметра. Новые осциллографы-мультиметры АКИП-4113 отличаются современным исполнением и удачным дизайном: отдельные клавиши для установки коэффициента отклонения каждого канала (усиление), коэффициента развёртки, режимов синхронизации и мультиметра. Разнесённые входы
для измерения тока: «мА» и «А», компактность и малый вес. Имеется возможность сохранять данные непосредственно на USB-носитель, что значительно упрощает передачу выбранных данных (отсчёты осциллограмм) и
облегчает последующую обработку сохранённых результатов. Полностью
108
локализованный интерфейс: меню и все контекстные справочные сообщения отображаются на русском языке, что позволяет пользователю, имеющему только базовые навыки, приступить к работе немедленно, практически без необходимости длительного освоения.
3.4.9. Анализаторы качества электроэнергии
Анализаторы качества электроэнергии представляют собой самостоятельный класс электроизмерительных приборов, которые предназначены для измерения, обработки и регистрации большого количества параметров, определяющих количественные и качественные характеристики
потребляемой или вырабатываемой электроэнергии. Простейший электроанализатор позволяет непосредственно измерять напряжение или ток в сети. В отдельных случаях подключение к электросети по току осуществляется через измерительные трансформаторы тока. Подключение по напряжению осуществляется, как правило, напрямую или через измерительные
трансформаторы напряжения.
Анализаторы качества электроэнергии позволяют фиксировать
большое количество различных электротехнических параметров питающего напряжения, число которых достигает 50-ти. Стандартный набор параметров, измеряемых электроанализаторами, выглядит следующим образом:
- значение (величина) фазных и линейных напряжений;
- величина фазных токов и тока в нейтрали;
- величина мощности в нагрузке (активная, реактивная составляю-
щие и суммарная мощность);
- значение потребленной или отпущенной электроэнергии (как ак-
тивной, так и реактивной);
- рабочая частота переменного тока;
- гармонические составляющие переменного тока и напряжения (как
спектральный состав сигнала, так и суммарный коэффициент гармоник);
- значение коэффициента фликера, характеризующего негармониче-
ские искажения питающего напряжения и другие.
Методика измерений, проводимых с помощью анализаторов качества электроэнергии, основывается на нахождения истинного среднеквадратичного значения измеряемой величины. Давно установлено, что этот метод является наиболее точным для измерения электрических величин при
наличии искажений формы (синусоидальности) тока и напряжения. В зависимости от поставленной задачи и вида нагрузки в сети периодичность
проведения измерений электрических параметров может варьироваться от
одного раза в час до нескольких раз в секунду. Современный электроанализатор обязательно имеет встроенную электронную память или специальный цифровой порт, которые позволяют проводить регистрацию измеряемых параметров и передачу их на персональный компьютер. В целях
109
экономии памяти отдельные приборы содержат встроенную функцию запуска регистрации по внешнему сигналу, срабатывающую, например, при
превышении параметром заданного предела.
Конструктивно анализаторы качества электроэнергии выполняются в
виде переносных и стационарных устройств, причём выбор того или иного
исполнения анализатора зависит от набора решаемых задач. Типовой набор задач, решаемых с применением электроанализаторов переносного типа: проведение специальных энергетических исследований (энергоаудит);
подготовка данных по энергетическому балансу; фазовая и фидерная балансировка электросети; снятие и подготовка графиков нагрузок; экспериментальный подбор величин компенсаторов реактивной мощности; анализ
характеристик и качества электроэнергии, а также выявление причин их
нарушения.
Стационарные электроанализаторы используются для решения следующих задач: анализ динамического распределения используемой электроэнергии (технический учёт); определение показателя эффективности
использования электроэнергии (энергоменеджмент); автоматическое определение параметров регулирования по ограничению потребления в пики
нагрузки (maximum demand control); регистрация основных показателей
качества электроэнергии. Кроме того, стационарные анализаторы качества
электроэнергии могут быть оснащены дополнительными входами и выходами, благодаря чему можно строить комплексные системы контроля и
учёта электроэнергии, в том числе АСКУЭ.
3.4.10. Счётчики электроэнергии
Счётчик электроэнергии (электрический счётчик) – прибор для
измерения расхода электроэнергии переменного или постоянного тока
(обычно в кВт·ч или А·ч). Счётчики электроэнергии можно классифицировать по типу измеряемых величин, типу подключения, классу точности и
конструкции.
По измеряемым величинам электросчётчики разделяют на однофазные (измерение переменного тока 220 В, 50 Гц) и трехфазные (измерение
переменного тока 380 В, 50 Гц), для цепей постоянного тока. Все современные электронные трехфазные счётчики поддерживают однофазный
учёт. По типу подключения все счётчики разделяют на приборы прямого
включения в силовую цепь и приборы трансформаторного включения,
подключаемые к силовой цепи через измерительные трансформаторы.
Также существуют трехфазные счётчики для измерения тока напряжением
100 В, которые применяются только с трансформаторами тока в высоковольтных (напряжением выше 660 В) цепях. Счётчики различаются по
классу точности: 0,2, 0,5, 1,0, 2,0. Под классом точности понимается процентный показатель допустимой погрешности данных электросчётчика,
она обозначается цифрой, нанесенной на панель счётчика и заключённой в
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]