Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические измерения. Учебное пособие
.pdf
в якоре). Чтобы измерить энергию, к такому устройству необходимо добавить счетчик числа оборотов за время измерения. При
этом каждый оборот должен соответствовать энергии (работе),
затрачиваемой за один оборот.
Счетчики энергии постоянного
тока получили небольшое распро-
1
странение. Для измерения энергии
переменного тока частотой 50 Гц
2
широко используются счетчики
индукционной системы (упрощен-
3
ная схема показана на рис. 7.2).
Основными элементами счет-
чика являются параллельный и
Z
4
последовательный магниты 1 и 3,
названные так в соответствии с
включением их обмоток в сеть. Последовательная (токовая) обмотка
выполнена толстым проводом с малым количеством витков, а параллельная (обмотка напряжения) –
тонким проводом с большим количеством витков. Между обмотками
Рис. 7.2. Счетчик электроэнергии
индукционной системы
расположен алюминиевый диск 2,
в котором от магнитных полей каждой из обмоток возникают
токи, взаимодействующие с магнитными потоками. Это взаимодействие приводит к созданию вращающего момента:
M = kUIcos ϕφ,
т. е. вращающий момент пропорционален измеряемой мощности.
Противодействие, пропорцио-
нальное угловой скорости враще-
N
ния диска, создается специаль ным
устройством, которое представляет
собой постоянный магнит 4, установленный на периферии диска
(рис. 7.3). В перемещающемся дис-
Рис. 7.3. Устройство создания
противодействующего
момента в счетчике
S
ке в зоне между полюсами магнита
по правилу правой руки возникают токи, величина которых зависит от скорости вращения диска. Токи взаимодействуют с магнитом, создавая момент, направленный против скорости М = kn,
71
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
где k – коэффициент пропорциональности; n – число оборотов
диска в минуту. При равномерном вращении оба момента равны:
UIcos ϕφ = kn.
После умножения обеих частей на t (время работы)
UIcos ϕφt = knt, или W = CN,
где W – подсчитанная энергия; C – постоянная счетчика; N –
число оборотов диска.
Мощность пропорциональна числу оборотов диска.
Имеется механизм для подсчета числа оборотов, индикация
которого выражена в киловатт-часах (кВт⋅ч).
При малых нагрузках сказываются трение, рассеяние потоков, потери на гистерезис, вихревые токи и т. д. Имеется компенсация момента трения электрическими мерами (дополнительный
момент возникает за счет расцепления полюсов). При неправильной регулировке это может привести к самоходу. Погрешность
счетчика при различных нагрузках разная и у счетчиков класса 2
может достигать 2,5 %, а у счетчиков класса 2,5 – 4 %.
Идет интенсивная замена электромеханических счетчиков
электронными, которые обладают следующими преимуществами:
• нет механических вращающихся частей, создающих потери
на трение, износ имеющих момент инерции и других частей, понижающих надежность, и т. д.;
• точность и надежность измерения значительно выше;
• ниже габариты и масса;
• наличие цифровой индикации;
• большое количество дополнительных возможностей.
Счетчики, выпускаемые фирмами с применением микроконтроллеров, используют различные алгоритмы. В современных
микроконтроллерах имеются аналоговые входы, позволяющие
измерять поданные на них напряжения с преобразованием в числовую форму, и таймеры. Рабочие частоты микроконтроллеров
в тысячи раз превосходят частоту сети. Это дает возможность
измерять напряжения практически в токах (мгновенные значения). Контроллеры работают при низких напряжениях питания.
Поэтому напряжения и токи сети приходится снимать через измерительные трансформаторы (в некоторых источниках их называют датчиками).
72
На рисунке 7.4, а показано измерение по классической схеме:
ii
tU
измеряются ток и напряжение через маленькие равные промежутки времени. В каждый момент времени запоминаются размах
тока и напряжения (рис. 7.4, б). Мощность рассчитывается в соответствии с ее классическим определением:
T
PUId
0
n
1
i
.
I
U
1
2
Т
А
U
V
а
Рис. 7.4. Определение мощности в электронном ваттметре
Z
I
н
б
ϕ
n
1
t
t
Из этого выражения следует, что чем больше выбрано интервалов n измерения в течение периода Т, тем точнее измерение.
При таком алгоритме учитывается и разность фаз между током
и напряжением.
Возможен алгоритм такой же, как и в частотомерах. Определяются время (разность фаз) между максимумами (или минимумами) тока и напряжения, их действующие значения, а затем
производится расчет:
Р = UIcos ϕ.
Кроме активной мощности, не составляет труда определить
и реактивную мощность.
Микроконтроллер производит преобразования, необходимые
для передачи информации на цифровую индикацию.
Кроме того, имеются дополнительные функции: дата, время,
день недели, ночной и дневной тариф, индикация мощности и
умножение ее на время (расчет расходуемой энергии, оплаты за
энергию), передача данных на центральную диспетчерскую станцию, автоматическая переустановка тарифов и т. д.
73
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Ф,
Для начала приведены некоторые сведения о магнитных ве-
личинах, известные из курсов физики и электротехники.
1. Если по катушке с числом витков w проходит электрический ток I, величину F = Iw называют магнитодвижущей силой
(МДС), или намагничивающей силой. Единицей измерения является ампер (А). В электротехнической практике МДС принято
определять ампервитками.
2. Катушка создает магнитный поток
F
R
м
где Rм – магнитное сопротивление цепи, по которой протекает
магнитный поток.
Здесь также видна аналогия с законом Ома для электрической цепи: поток соответствует току, МДС – ЭДС, магнитное
сопротивление – электрическому сопротивлению. Следует заметить, что магнитный поток начинается в катушке и заканчивается в ней – он непрерывен. Магнитный поток измеряют в СИ
в веберах (Вб).
3. Магнитный поток Ф распространяется по площади S поперечного сечения. Величину магнитного потока, проходящего по
единице площади, называют напряженностью Н магнитного поля:
Ф
.HS
быть различной, правильнее определять напряженность в точ-
ке поперечного сечения
∆Ф – часть потока, проходящего через эту площадь. Напряжен-
ность определяет магнитное поле в вакууме. Единица напряженности: амперметр на метр (А/м).
сталь и т. д.). Материал среды воздействует на магнитное поле,
увеличивая или уменьшая его в µ раз. В среде магнитное поле
определяется магнитной индукцией В:
74
Поскольку напряженность Н в разных точках сечения может
Ф
,H
имеющей площадь υ∆S → 0, а
S
4. Магнитное поле распространяется в среде (воздух, вода,
B = µаH.
8. Измерение магнитных величин
Коэффициент µа, называемый абсолютной магнитной прони-
цаемостью, состоит из двух сомножителей:
µа = µ0µ,
где µ0 – магнитная проницаемость вакуума; µ – относительная
магнитная проницаемость среды.
Единицей магнитной индукции является тесла (Тл). 1 Тл –
это магнитная индукция такого поля, которое действует на единичный элемент тока 1 А/м, расположенный перпендикулярно
вектору магнитной индукции, с силой 1 Н.
Величина µ0 определяется из явления самоиндукции – возникновения ЭДС в проводнике при изменении тока в нем:
di
EL
dt
,
где L – индуктивность, единицей измерения которой является
генри (Гн):
µ0 = 4π10–7 Гн/м = 1,26 ⋅ 10–6 Гн/м.
В большинстве случаев для определения магнитной величины измеряется электрическая величина, значение которой является функцией измеряемой магнитной величины. Искомая величина обычно определяется расчетом. Магнитный поток Ф, индукция В магнитного поля, напряженность Н магнитного поля
связаны между собой соотношениями:
Ф = ВS;
В = µ0µH.
Постоянный магнитный по-
N
1
2
3
4
ток до недавних пор измеряли с
помощью баллистического галь-
ванометра и измерительной ка-
тушки (рис. 8.1). Баллистический
гальванометр представляет собой
S
5
Ф
6
катушку 5 с большим количеством витков и с большим моментом инерции, установленную
на подвесе 1 с небольшим противодействующим моментом между
полюсами постоянного магнита,
с токоподводом, не создающим
Рис. 8.1. Измерение постоянного
магнитного потока
баллистическим гальванометром
и измерительной катушкой
R
75
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
механического сопротивления. При прохождении тока рамка поворачивается, так как находится в равномерном магнитном поле.
Для увеличения точности отсчета имеется зеркальце 2, поворачивающееся вместе с рамкой. Тонкий луч света от источника
света 4, отражаясь от зеркальца, попадает на шкалу 3, по которой
производится отсчет.
Измерительная катушка 6 предназначена для измерения маг-
нитного потока, напряженности магнитного поля, магнитной
индукции. При измерении магнитного потока Ф необходимо,
чтобы весь измеряемый поток сцеплялся с витками катушки и
плоскость ее была перпендикулярна силовым магнитным линиям поля. При измерении магнитной индукции В витки катушки
должны плотно охватывать исследуемый образец и плотно прилегать к его поверхности, чтобы с витками катушки сцеплялся
лишь магнитный поток в образце. При измерении напряженности Н магнитного пол я исполь зуются катушки с такими размерами, конфигурацией и количеством витков, которые подходят для
измерения сильных или слабых, однородных или неоднородных
полей, полей в зазорах или на поверхности.
При измерении магнитного потока измерительную катушку
быстро удаляют из измеряемого потока (или поворачивают измерительную катушку на 90°) так, чтобы поток через катушку
стал равным нулю. По закону электромагнитной индукции при
изменении магнитного потока, сцепленного с измерительной катушкой, в ней возникает ЭДС
Ф,d
dt
ew
где w – число витков катушки.
Ток проходит весьма незначительное время, однако его достаточно, чтобы отклонить рамку гальванометра. Угол отклонения пропорционален магнитному потоку Ф.
Моменту, поворачивающему рамку, противодействуют пружина (подвес), сопротивление воздуха и электромагнитные силы
от токов, возникающих в рамке от ее перемещения в магнитном поле. Противодействие пружины усиливается с увеличением закручивания, что вызывает колебания рамки, которые могут
влиять на отсчет. Чтобы уменьшить это влияние, добавлением
76
8. Измерение магнитных величин
грузиков увеличивают момент инерции. В результате отсчет угла
осуществить нетрудно, так как колебания происходят медленно.
Электромагнитные силы и воздух, наоборот, оказывают замедляющее действие.
Чтобы произвести расчет, необходимо знать параметры прибора, которые включают в величину, называемую баллистиче-
ской постоянной. Баллистическую постоянную определяют дополнительными измерениями.
Измерение электромагнитной индукции В, напряженности Н
поля производится подобным образом. Часто это осуществ ляют
путем смены измерительных катушек и перехода на другие деления шкалы.
Приборы неудобны, требуют навыков работы и статичной
установки. Основное их достоинство – точность измерений.
В с в язи с бу рны м р азви тием электроники и микропроцессорной техники имеется
целый ряд приборов прямого
измерения. Для примера рассмотрен прибор с использованием эффекта Холла. Пласти-
Н
Измери-
тельное
E
устрой-
ство
I
на полупроводника (рис. 8.2)
помещена в магнитное поле
с напряженностью Н, на-
правленной перпендикулярно
Рис. 8.2. Использование эффекта Холла
для измерения магнитных величин
плоскости пластины. Вдоль
пластины протекает ток I (через ее боковые грани) от источника
питания. Эффект Холла за к лючается в том, что на других гран я х,
параллельных направлению тока, возникает ЭДС Е, пропорциональная напряженности Н. Измерив Е, определяют величину напряженности Н. Чтобы оказывать меньшее влияние на датчик
Холла, измерение производят компенсационным методом.
В настоящее время выпускают приборы для измерения магнитных величин, имеющие небольшие размеры, невысокую стоимость, переносные, переключающиеся для измерения разных
магнитных величин. Однако универсальными многие из них
назвать нельзя, так как они приспособлены для специфических
измерений.
77
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Вопросы для самопроверки
1. Какие достоинства имеют приборы: а) магнитоэлектрической системы?
б) электромагнитной системы?
2. Как создается равномерное магнитное поле, в котором вращается рамка (подвижная катушка) магнитоэлектрического прибора?
3. Какую роль играют бронзовые пружинки?
4. Как устроен и работает воздушный успокоитель?
5. Какую роль играет коррек тор в электромеханическом приборе?
6. Позволяют ли шунты и добавочные сопротивления уменьшить номенклатуру выпускаемых приборов?
7. С какой целью в магнитоэлектрических приборах устанавливают термокомпенсаторы и как они действуют?
8. Почему в приборах электромагнитной системы не применяют шунты?
9. Как измеряют напряжение с помощью компенсаторов постоянного тока?
10. Что значит квантование аналогового сигнала по уровню и по времени?
11. Чем отличается квантование аналогового сигнала по уровню и по времени при преобразовании аналогового сигнала в цифровой?
12. В чем причины того, что частоты измерительных генераторов разбиты
на диапазоны и поддиапазоны?
13. Какие параметры сигналов можно оценить и даже измерить электронными осциллографами?
14. Какое устройство приходит на смену электронно-лучевой трубке в современных осциллографах?
15. Можно ли измерить частоту электрических колебаний осциллографом?
16. Как измерить длительность сигнала осциллографом?
17. Какие существуют частотомеры? Опишите их принцип действия.
18. Какие физические величины измеряют ваттметрами и какие счетчиками?
19. Для чего в электромеханическом счетчике электрической энергии необходимо противодействие вращающемуся диску? Как оно осуществляется?
20. Почему электронные счетчики вытесняют электромеханические?
21. Как устроен баллистический гальванометр? В каких случаях он используется?
78
III
Измеряют сопротивления как на постоянном, так и на переменном токе. Измерение активного сопротивления проводят
чаще. На постоянном токе измерения основывают на использовании амперметра или вольтметра, с помощью логометров или
мостов.
Методы амперметра или вольтметра являются косвенными методами. Существуют и методы непосредственной оценки.
Легче производить измерения на постоянном токе. При измерениях на результат оказывают влияние переходные сопротивления,
т. е. сопротивления тех участков цепи, в которых соединяются
два проводника. Переходные сопротивления зависят от качества
соединения проводников и имеют нестабильный характер. Для
измерения сопротивления можно использовать одну из схем, показанных на рисунке 9.1. В обоих случаях имеется зависимость
от напряжения источника питания. Приборы, служащие для измерения сопротивлений, называют омметрами. Для измерений с
помощью схем по рисунку 9.1 обычно используют приборы магнитоэлектрической системы.
r
+
U
–
а
Ω
r
x
Рис. 9.1. Измерение сопротивлений:
а – с помощью амперметра; б – вольтметра
+
U
–
б
r
Ω
r
д
r
х
79
3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ ЦЕПЕЙ
Схема а. Если шкалу прибора отградуировать в омах, прибор
станет средством прямого измерения. Чем больше rx (измеряемое
сопротивление), тем меньше ток через прибор магнитоэлектрической системы. Однако существует однозначная зависимость показания прибора от сопротивления. Если U не меняется, можно
отградуировать шкалу прибора в омах. Однако U = сonst – невыполнимая задача. Напряжение U источника питания зависит
от измеряемого сопротивления и длительности эксплуатации.
Для подстройки прибора магнитоэлектрической системы имеется магнитный шунт, через который можно пропустить часть
магнитного потока, уменьшив при этом отклонение стрелки. На
корпусе находится винт, которым с помощью вилки, одновременно служащей для присоединения пружинки, устанавливают
стрелку на нуль.
Для исключения нестабильности источника питания и переходных сопротивлений измерение производят следующим образом: закорачивают выводы прибора и магнитным шунтом (если
рычажок шунта выведен на корпус) доводят показание до нуля
(на приборе 0, а ток максимальный). После этого производят измерение.
Схема б. Чем больше rx, тем больше ток прибора. Максима ль-
ный ток отмечают при отключенном сопротивлении; магнитным
шунтом устанавливают стрелку на деление ∞. Сопротивление rд
служит для ограничения тока при rх = 0.
Необходимость ручной регулировки – главный недостаток
омметров. Это приборы небольшой точности (кл. 1,5 или кл. 2,5),
поэтому их редко применяют.
Среди комбинированных приборов широкое распространение получили мультиметры. Встроенный микроконтроллер позвол яет осущес т вить некоторые операции. В связи с высок и м входным сопротивлением погрешность от нестабильности источника
питания мала. Погрешность зависит от фирмы-изготовителя.
Логометры позволяют в некоторых пределах не зависеть
от напряжения источников питания. На рисунке 9.2 показаны
устройство и схема логометра. В логометре имеются две одинаковые катушки, скрепленные друг с другом. К одной из катушек
подключено сопротивление rн, приблизительно равное сумме
сопротивлений: измеряемого rx и дополнительного rд; к другой
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]