Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические измерения. Учебное пособие
.pdf
3. Измерение напряжения и силы тока
В электромеханических приборах магнитоэлектрической
системы (рис. 3.3, а) подвижная катушка (рамка), намотанная
тонким медным проводом, располагается в кольцевом зазоре
между наконечниками полюсов и сердечником цилиндрической
формы. Такая конструкция создает равномерное магнитное поле
для витков катушки. При прохождении тока по виткам создается
вращающий момент
M = ФwI = BSwI,
где Ф – магнитный поток, проходящий через витки катушки;
w – число витков катушки; I – ток катушки; В – магнитная
индукция в зазоре; S – площадь боковой поверхности катушки.
Противодействующий момент М создается пружинами из
бронзы и зависит от угла поворота α: M = kαα. Чем больше сила
тока, тем больше угол поворота и момент сопротивления пружины. Стрелка, скрепленная с катушкой, останавливается при угле
поворота, соответствующем силе тока. Равномерная шкала проградуирована в единицах измеряемой величины. Приборы работают в цепях постоянного тока. Магнитоэлектрические приборы
могут работать и в цепях переменного тока, но ток должен быть
выпрямлен одно- или двухполупериодным выпрямителем. Такие
приборы называют выпрямительными. Приборы обладают высокой чувствительностью (токи в рамке могут иметь минимальную
величину до 10
–8
А) и поэтому имеют высокий класс точности.
Приборы электромагнитной системы представляют собой одну или две неподвижные катушки из медного провода,
в которые втягивается сердечник из ферромагнитного материала. Противодействие создается бронзовой пружинкой. Шкала
неравномерная. Для уменьшения влияния внешних магнитных
полей используют две катушки (рис. 3.3, б ), которые соединены
последовательно так, чтобы магнитный поток был направлен в
противоположные стороны. В таком случае внешнее магнитное
поле ослабляет силу одной катушки, но на столько же увеличивает силу другой катушки. При этом суммарная сила не меняется. Защита от внешних магнитных полей, выполненная таким
образом, называется астатированием.
Приборы электромагнитной системы обладают следующими
качествами:
• для переменного тока измеряется действующее значение;
• может измеряться и постоянный ток, но получаются раз-
ные значения при росте и убывании тока (гистерезис);
21
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
• неравномерная шкала. Изменяя форму сердечника, доби-
ваются равномерности на большом участке.
Достоинства таких приборов: простота, дешевизна, надеж-
ность, высокая перегрузочная способность (нет токоподводов).
Недостатки: малая точность и чувствительность.
Приборы электродинамической системы имеют неподвижную катушку, состоящую из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором, и одну подвижную (рис. 3.3, в). Подвижная катушка обычно выполняется бескаркасной из медного
или алюминиевого провода и располагается в магнитном поле
неподвижной катушки. Магнитный поток распространяется по
воздуху. Токи в катушках могут протекать в разные стороны, отклонение стрелки – в одну. Угол поворота υ зависит от величины
тока. Можно изготовить прибор так, что в катушках будет протекать один и тот же ток, а могут и разные. В любом случае угол
поворота
αα = I1I2c o s ϕ,
где I1, I2 – действующие значения токов в катушках; ϕ – сдвиг по
фазе между токами.
Прибором измеряют как постоянный, так и переменный ток.
Катушки можно соединять по-разному, что позволяет получать
приборы различного назначения. Например, у электродинамических амперметров (для токов до 0,5 А) и вольтметров катушки
соединяются последовательно. При этом до 75 % участка шкалы получается равномерным. Для токов более 0,5 А катушки
соединяются параллельно. В электродинамических ваттметрах
неподвижная катушка соединена последовательно с нагрузкой,
подвижная – параллельно нагрузке. Ток в параллельной катушке пропорционален напряжению на нагрузке. Отклонение стрелки пропорционально произведению силы тока на напряжение,
т. е. мощности. На основе электродинамических приборов изготовляют фазометры, частотомеры и фарадомеры.
Недостатком приборов электродинамической системы по
сравнению с магнитоэлектрическими приборами является относительно большое потребление мощности.
Для увеличения вращающего момента электродинамических
приборов неподвижные катушки располагают на сердечниках из
ферромагнитного материала, а внутри подвижных катушек устанавливают цилиндрический ферромагнитный сердечник (так же,
22
3. Измерение напряжения и силы тока
как в магнитоэлектрических приборах). Такие приборы называют
ферродинамическими. Они имеют большую чувствительность.
Однако использование ферромагнетика добавляет к погрешностям прибора дополнительные погрешности, связанные с нелинейностью кривой намагничивания, потерями в магнитопроводе
и гистерезисом. Используются в качестве стационарных приборов класса точности 1,5…–2,5 в цепях переменного тока в условиях
тряски, вибраций и других механических воздействий.
Приборы электростатической системы (рис. 3.3, г) позволя-
ют измерять постоянные и переменные напряжения. Устройство
состоит из набора алюминиевых неподвижных и подвижных секторов. Подвижные секторы могут втягиваться в зазоры между
неподвижными, образуя конденсатор. Чем меньше расстояние
меж ду пластинами, тем больше силы притяжения и чувствительность. Чем больше пластин, тем больше чувствительность.
Показания почти не зависят от частоты измеряемого напряжения. Электростатическое экранирование служит для устранения влияния внешних полей. Приборы используют для измерения напряжений от 30 В до 30 кВ.
Несмотря на существенные различия, имеется ряд устройств,
общих для всех электромеханических приборов. Приборы размещают в корпусах (обычно пластмассовых). На шкале прибора
расположено следующее:
• обозначение единицы измеряемой величины;
• обозначение класса точности прибора;
• условное обозначение системы прибора;
• условное обозначение рабочего положения прибора:
– горизонтальное,
– вертикальное,
υ – наклонное для установки под углом αυ;
• условное обозначение степени защищенности от магнит-
ных полей;
• условное обозначение испытательного напряжения изоля-
ции (внутри пятиконечной звезды);
• другие обозначения (обозначения на основных видах при-
боров указаны в прил. 2).
23
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Основной способ установки подвижной части измерительного электромеханического прибора – на опорах (рис. 3.4). Подвижная часть 12 измерительного узла закрепляется на оси 10, с
обеих сторон заканчивающейся кернами 2. Керны выполнены из
стали и заточены с одной стороны под углом 45–…60°, установлены в подпятниках 1, закрепленных на корпусе. Подпятники вы-
полнены из твердого камня (рубин, агат, корунд) с коническим
углублением. На оси закреплена стрелка 3 с противовесами 4,
служащими для уравновешивания подвижной части при различных положениях стрелки. К оси одним концом прикреплены
пружинки 9, выполненные из бронзы и служащие для создания
противодействующего момента. Они часто используются в качестве токоподводов к подвижной части. Одна из пружинок вторым концом прикрепляется к поводку 8 корректора. Корректор
служит для установки стрелки в начальное положение. Для этого
вращают головку 5, установленную на корпусе. Ось 6 расположена эксцентрично относительно оси головки. Поэтому поворот
головки вызывает перемещение вилки 7, которая через поводок 8
изменяет закручивание пружинок и положение стрелки.
12
1
2
4
3
5
6
Рис. 3.4. Устройство электромеханического прибора
8 9 10 11
7
Для уменьшения колебаний стрелки при резких отклонениях служит успокоитель 11. Успокоитель может иметь различную
конструкцию (воздушный, индукционный и др.).
Недостатками установки подвижной части на опорах являются погрешность от трения; низкая надежность; высокая потребляемая мощность и, следовательно, малая чувствительность;
непереносимость тряски, вибраций, ударов.
24
3. Измерение напряжения и силы тока
При измерении силы тока чаще других используют магнито-
электрические, электромагнитные и электродинамические приборы. Катушка измерительного механизма магнитоэлектрических приборов способна пропустить ток
не более 20…–30 мА. Если необходимо измерять большие токи, пользуются шунтами-сопротивлениями, подключаемыми
параллельно катушке (рис. 3.5). Шунты
могут размещаться внутри прибора. При
необходимости их рассчитывают и разме-
Рис. 3.5. Подключение
шунта к амперметру
а
r
ш
А
b
щают снаружи. Обычно шунты выполняют из манганина (малый температурный коэффициент сопротивления). Сопротивление шунта выбирают из следующих соображений (при обозначениях, указанных ниже):
I – измеряемый ток;
rи, Iи – сопротивление и ток измерительного механизма;
rш, Iш – сопротивление и ток шунта.
Измеряемый ток I проходит частично по прибору, частично
по шунту. Пусть предел измерительного механизма необходимо
увеличить в n раз, т. е. I = nIи, напряжение между точками а и b
равно Iиrи. С другой стороны оно равно Iшrш. Отсюда
Iиrи = Iшrш = (I – Iи)rш;
Iиrи = (I – Iи)rш = (Iиn – Iи)rш = Iи(n – 1)rш;
r
и
rn
ш
.
1
Чтобы увеличить предел измерения в n раз, необходимо установить шунт с сопротивлением в (n – 1) раз меньше сопротивления
катушки.
Приборы магнитоэлектрической системы обладают температурными погрешностями по следующим причинам.
1. Пружинки при повышении температуры раскручиваются.
Поэтому устанавливают две пружинки с разным направлением
витков.
2. При повышении температуры пружинки ослабевают,
т. е. прибор будет показывать больше.
25
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
3. Магнитный поток постоянного магнита падает при повы-
шении температуры. Показания должны уменьшиться.
Причины 2 и 3 компенсируют друг друга.
4. Основной источник погрешности – сопротивление рамок,
пружинок, проводов. Однако сила тока зависит только от нагрузки (сопротивление рамки составляет мизерную часть от сопротивления нагрузки). Поэтому в амперметре без шунта температурная погрешность мала.
При повышении температуры сопротивление шунта не меняется (манганин), ток через измерительный механизм (и показания) уменьшается. Это приводит к погрешности, которая требует
температурной компенсации. Наиболее эффективно последовательное включение и измерительным механизмом термосопротивления (ТС) с отрицательным температурным коэффициентом
сопротивления. Для уменьшения влияния разброса характеристик ТС параллельно им включают манганиновое сопротивление. Такое сочетание называют термокомпенсатором.
В электромагнитных и электродинамических приборах шунты
не применяют. Толщину провода катушки прибора подбирают
исходя из измеряемой силы тока. Щитовые приборы выбирают
однопредельными, переносные – многопредельными (секционные катушки). Чем больше ток, тем меньше витков. Однако и в
них следует проводить температурную, частотную компенсацию
и компенсацию погрешности от гистерезиса.
Для температурной компенсации применяют материалы
пружинок с мало меняющейся упругостью от температуры; для
частотной компенсации (потери от вихревых токов) используют
керамические материалы и сердечник с большим удельным электрическим сопротивлением. Гистерезис проявляется при измерениях постоянного тока разных направлений. Для уменьшения
гистерезиса в качестве ферромагнитных материалов используют
пермаллой, обладающий малой коэрцитивной силой.
r
д
При измерении напряжения чаще
других используют магнитоэлектрические и электромагнитные приборы.
V
В магнитоэлектрических приборах источники погрешностей те же, что и в
амперметрах. Добавочные сопротивле-
Рис. 3.6. Подключение
добавочного сопротивления
к вольтметру
26
ния (рис. 3.6) используют для уменьшения силы тока и изготовляют из манганиновой проволоки.
3. Измерение напряжения и силы тока
Выбор определяют в результате следующих соотношений.
Напряжение, необходимое для полного отклонения подвижной
части (при номинальном токе), –
Uн = Iнrи,
где Iн – номинальный ток прибора; rи – опротивление обмотки
измерительного механизма.
Если добавочным сопротивлением нужно увеличить предел
измерения в m раз, то при токе Iн сопротивление измерительного
механизма (вместе с добавочным сопротивлением) должно увеличиться в m раз. Измеряемое напряжение должно быть с одной
стороны Iнrиm, а с другой (rи + rд). Поэтому
Iнrиm = Iн(rи + rд);
rд = rи(m – 1).
Чтобы увеличить предел измерения вольтметра в m раз, необходимо подключить добавочное сопротивление rд, большее сопротивления катушки в m – 1 раз.
Чтобы сделать многопредельный прибор, нужно подключить
несколько добавочных сопротивлений.
Чем больше rд, тем меньше температурная погрешность. При
измерении малых напряжений rд малоˊ и погрешности велики.
Чтобы уменьшить температурную погрешность, используют термомагнитный шунт магнитной цепи – пластины из магнитных
материалов, у которых магнитная проницаемость уменьшается
при увеличении температуры (железо + никель). Магнитное сопротивление возрастает и магнитное поле вокруг рамки увеличивается.
При использовании электромагнитных и электродинамических приборов катушка и добавочное сопротивление rд включены
последовательно. Для разных пределов катушку секционируют и
используют различные комбинации подключения.
Для больших напряжений берут большие сопротивления.
При напряжениях более 600 В используют измерительные транс-
форматоры, которые разде л яют на т рансформаторы ток а и тра нсформаторы напряжения. В связи с различиями в выполняемых
функциях трансформаторы имеют существенные отличия.
Трансформаторы тока выполняются в виде повышающего
трансформатора, в котором первичная обмотка включена последовательно с нагрузкой (рис. 3.7, а), а вторичная – подключена к
27
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
амперметру. Первичная обмотка имеет мало витков. Иногда вместо первичной обмотки измерительного трансформатора используют провод с измеряемым током, вокруг которого располагают
вторичную обмотку. Устройство, позволяющее выполнить такую
операцию, называют измерительными клещами. В измерительные
клещи встроена вторичная обмотка, которая состоит из двух частей, представляющих собой две части катушки, разрезанной
вдоль. При измерении обе части смыкаются вокруг провода с
измеряемым током, образуя втори чную обмотку. На клещах установлен амперметр, соединенный со вторичной обмоткой. Трансформаторы тока имеют специальное обозначение (рис. 3.7, б).
Вторичная обмотка одним концом заземляется на случай пробоя
изоляции (защитное заземление).
Нагрузка
а б
А
Рис. 3.7. Включение трансформаторов тока
А
Нагрузка
Сопротивление амперметра (или других устройств, заменяющих его) мало, поэтому трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания (КЗ). Размыкание вторичной цепи, при
котором трансформатор перейдет в режим холостого хода (ХХ),
запрещено, так как может произойти насыщение стали, что приведет к резкому возрастанию магнитных потерь с выделением
большого количества тепла, и трансформатор может выйти из
строя. Токи вторичной обмотки в рабочем режиме значительно
меньше токов первичной и могут быть измерены серийным амперметром, шкала которого учитывает определяемую трансформатором кратность тока.
Трансформаторы напряжения (рис. 3.8) выполняют в виде
понижающего трансформатора, который первичной обмоткой
включается параллельно нагрузке, а вторичной – к вольтметру.
Сопротивление обмоток достаточно велико, токи малы. Трансформатор работает практически в режиме ХХ, понижая измеряемое напряжение с заданной трансформатором кратностью до
значений, допустимых катушкой вольтметра.
28
3. Измерение напряжения и силы тока
Нагрузка
V
Рис. 3.8. Включение трансформатора напряжения
В измерительных т рансформаторах бол ьшу ю роль иг рают потери в стали. Чтобы их уменьшить, используют высококачественную сталь с достаточно большим сечением, чтобы исключить ее
насыщение. Так же как и другие измерительные приборы, измерительные трансформаторы разделяют на пять классов точности.
Существуют однофазные и трехфазные трансформаторы, которые служат для измерения не только тока и напряжения, но и
мощности, частоты, фазового сдвига и т. д.
Частотная погрешность измерительных трансформаторов
выше, чем у амперметров и вольтметров, поскольку реактивное
сопротивление катушки зависит от частоты. Область применения – измерения в цепях переменного тока частотой 50 Гц.
Электронные амперметры и вольтметры имеют более высокие эксплуатационные характеристики, чем электромеханические. Базовым прибором является электронный вольтметр. Для
измерения силы тока его пропускают по сопротивлению, заданному с высокой степенью точности. По падению напряжения на
этом сопротивлении определяют силу тока. Электронные измерительные приборы в зависимости от устройства и назначения
разделяют на аналоговые и цифровые; постоянного, переменного,
импульсного тока, универсальные и др.; амплитудные, действующего (среднеквадратического), средневыпрямленного значения;
низкочастотные, высокочастотные; со стрелочной или цифровой
индикацией результата измерения и т. д. В обозначении электронных вольтметров присутствует индекс, позволяющий классифицировать их по назначению, например В – вольтметр. После
буквы следует цифра, цифра 7 – измерение постоянного и переменного тока; вольметры постоянного тока имеют индекс В2, переменного – В3. В настоящее время используют и иностранные
средства измерения. В связи с этим обозначения приборов могут
иметь индексацию, отличную от принятой ранее.
29
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока не
наш л и распрост р анения, та к к ак они су ще с т венно усту пают циф ровым вольтметрам, устройство и работа которых описаны ниже.
Применяют аналоговые вольтметры переменного тока (рис. 3.9).
U
Входное
устройство
Рис. 3.9. Структурная схема аналогового вольтметра переменного тока
Усилитель
переменного
тока
Детектор
Усилитель
постоянного
тока
ИП
Входное устройство включает в себя зажимы, клеммы, делители и т. д. Усилитель переменного тока необходим т олько в случае
измерения напряжения переменного тока малой величины. При
измерении больших напряжений этот усилитель исключается.
Детектор преобразует переменное напряжение в постоянное.
По сути детектор представляет собой выпрямитель. По результату выпрямления детекторы можно разделить на амплитудные,
среднеквадратического, средневыпрямленного значения. Тип детектора определяет свойства прибора: измерение амплитуды (эти
приборы наиболее высокочастотные); измерение действующего
значения (вольтметры могут измерять напряжения любой формы); измерение средневыпрямленного значения (возможно измерение напряжения только гармонического сигнала).
В настоящее время усилители постоянного тока (УПТ) выпускают в виде микросхем очень высокого качества в области
линейности выходного сигнала, постоянства коэффициента усиления, линейности амплитудно-частотной характеристики. Имеются достаточно эффективные методы обеспечения защиты от
температурных влияний и т. д. Кружком обозначен измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Максимальный ток
УПТ должен соответствовать току максимального отклонения
стрелки прибора.
Компенсаторы постоянного тока основаны на взаимном
уравновешивании (компенсации) ЭДС испытуемого источника и
известного падения напряжения на сопротивлении. Такой принцип позволяет устранить ток в измерительной цепи, являющийся
источником погрешности.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]