Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические измерения. Учебное пособие
.pdf
9. Измерение сопротивлений
rx + rд. Этим достигается приблизительное равенство токов в ка-
тушках. Моменты, вращающие катушки, направлены в разные
стороны и зависят от угла поворота, так как сталь внутри катушек имеет эллиптическое сечение и поле неоднородно. При повороте момент одной катушки растет, другой – убывает. Оба момента зависят от напряжения U источника питания. Изменение
величины U приводит к изменению крутящего момента обеих
катушек приблизительно на одинаковую величину, но в разные
стороны. Так компенсируется влияние напряжения питания на
показания прибора. При некотором угле наступает равновесие,
которое не зависит от напряжения источника питания. Поворот
стрелки зависит только от измеряемого сопротивления rx. Шкалу
прибора градуируют в единицах сопротивления. На основе логометров изготовляют мегаомметры.
I
2
r
н
N
S
Рис. 9.2. Логометр
I
1
r
д
r
х
U
Многие измерения можно свести к измерению напряжений
и токов. Часто такие измерения точнее, чем специализированным прибором. Например, как активные, так и реактивные сопротивления можно измерять омметрами, варметрами. Такой
метод называют методом непосредственного измерения. То же
можно выполнить с помощью амперметра и вольтметра. Такой
метод называется методом амперметра-вольтметра. Для уве-
личения точности измерений необходимо учитывать сопротивление амперметра и вольметра. Токи и сопротивления в цепях
показаны на рисунке 9.3. Вольтметр измеряет и показывает напряжение U.
81
3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ ЦЕПЕЙ
xx
rr
xx
rr
I
А
I
x
+ +
–
а б
Рис. 9.3. Измерение сопротивлений методом амперметра-вольтметра
r
V
r
V
x
–
Приближенно для обеих схем:
rI
x
I
r
А
A
r
x
I
x
U
(не учитывается
V
сопротивление амперметра, а напряжение вольтметра считается
равным бесконечности).
Более точно для схемы а
UU U
r
III
x
V
I
;
U
r
V
относительная погрешность
rr r
xx x
.
r
V
Для схемы б
UIr
r
x
A;x
I
x
относительная погрешность υ
rr r
xx
A
.
Схемой а пользуются, если rx << rV (малые сопротивления), а
схемой б, когда rА << rx (большие сопротивления).
Метод амперметра-вольтметра применяют и на переменном
токе. Можно измерять реактивные сопротивления, емкость, индуктивность и т. д.
Мостовые схемы обладают высокими чувствительностью и
точностью, широким диапазоном измерений, возможностью автоматизации процесса измерений. Их можно использовать для
измерения самых разнообразных величин (напряжений, емкостей, индуктивностей и т. д.). Измерение производится на по-
82
9. Измерение сопротивлений
23
стоянном или переменном токе путем сравнения с известной величиной.
Наиболее простым и распространенным является четырехплечий мост
(рис. 9.4). При измерении способом уравно-
Z
1
Z
2
вешенного моста измерительное устройство (ИУ) представляет собой индикатор
нулевого напряжения (например, гальва-
ИУ
нометр). Для уравновешенного моста существует соотношение Z1Z4 = Z2Z3, из кото-
Z
4
Z
3
рого можно определить любую из величин,
если известны остальные три. Например,
ZZ
чтобы найти
ZZ
1
,
в мостовой схе-
4
Рис. 9.4. Мостовая
измерительная схема
U
ме с известными Z2 и Z3 подбирают Z4 так,
чтобы измерительное устройство зафиксировало нулевое напряжение (или ток) в измерительной диагонали моста. При этом Z4 должно быть известно. При измерении сопротивлений роль Z4 может играть магазин сопротивлений, который позволяет просто подбирать необходимые сопротивления.
При измерении способом неуравновешенного моста ИУ представляет собой показывающий вольтметр, шкала которого отградуирована в единицах измеряемой величины. Вследствие нелинейности показаний мост перед измерениями должен быть
отградуирован путем установки вместо измеряемой величины
другой, с заранее известными параметрами, перекрывающей весь
диапазон измерений. Обычно при автоматических измерениях
ИУ представляет собой операционный усилитель, сигнал с которого поступает на управляющее устройство.
От величины сопротивления изоляции зависят электробезопасность персонала и работа оборудования. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) жестко регламентируют величину
сопротивления изоляции в зависимости от вида оборудования,
рабочего напряжения, рода тока. Практически невозможно измерить сопротивление изоляции конкретного участка в связи с тем,
что имеется множество внутренних соединений проводов, осу-
83
3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ ЦЕПЕЙ
ществленных в соответствии со схемой оборудования. Поэтому
изоляция определяется в наиболее опасных точках возможного
повреждения. Согласно ПУЭ, сопротивление изоляции нормируется для различных случаев и должно быть порядка десятков и
даже сотен мегаом (МОм). Сопротивление изоляции проверяется
с помощью мегаомметров с напряжением 1000 В. Современное
оборудование включает в себя высоковольтную и низковольтную
части. При измерении изоляции следует выбирать такие точки,
измерение в которых не внесет повреждений в низковольтную
часть оборудования. Плавкие вставки предохранителей должны
быть сняты.
Измерение сопротивления изоляции предпочтительно осуществлять при отсутствии рабочего напряжения. В таком случае
измеряют сопротивление изоляции входной цепи между фазным
проводом и землей. При этом образуются параллельные цепи из
сопротивлений изоляции между измеряемой фазой и другими
фазами. В результате измеряемое сопротивление будет меньше
меньшего из них. Несмотря на это, измеряемое сопротивление
должно быть не меньше указанного в ПУЭ для данного вида
оборудования.
Бывают случаи, когда оборудование на время измерения сопротивления изоляции невозможно отключить от сети и измерения проводят под рабочим напряжением. В этих случаях сопротивление изоляции проверяют косвенным методом, измерением
напряжений. В сеть включено работающее оборудование, которое
создает свои дополнительные ветви сопротивления изоляции. Поэтому перед измерением напряжений для определения сопротивления изоляции проводится тщательный анализ цепей, в которых
измеряется напряжение, разрабатывается схема измерений, в соответствии с которой включаются вольтметры и производятся измерения. Сопротивление изоляции определяют расчетом.
В целях обеспечения электробезопасности металлические
корпуса оборудования заземляют. Заземляющие устройства должны иметь малое сопротивление, чтобы при попадании на корпуса высокого потенциала относительно земли напряжение между корпусом и землей было близким к нулю.
Заземлители – это металлические предметы (трубы, рельсы), вкопанные в землю так, чтобы их электрический потенциал
уменьшался с расстоянием как можно интенсивнее. Корпуса оборудования соединены с заземлителями заземляющими прово-
84
10. Измерение параметров конденсаторов и катушек индуктивности
дниками, соединения которых с зазем-
U
лителями и сами проводники хорошо
наблюдаемы (чтобы видеть состояние
соединений). Между зондами создается
переменное напряжение частотой 50 Гц.
Сопротивление заземления определяют
специальными приборами (измеритель
А
сопротивления заземления), но может
быть определено с помощью амперметра
и вольтметра (рис. 9.5). Испытуемый заземлитель З1 и вспомогательный зазем-
V
З
1
Зонд
З
литель З2 (роль которого может играть
соседний заземлитель, расположенный
недалеко) присоединяются ко вторичной
Рис. 9.5. Определение
сопротивления заземления
обмотке трансформатора, включенного в
сеть. Зонд, который представляет собой заточенный штырь, вставляется в почву достаточно далеко от заземлителей. Зонд стараются расположить так, чтобы он представлял собой искусственную
нулевую точку. По заземлителю З1 к заземлителю З2 протекает
ток i, измеряемый амперметром (сопротивление вольтметра значительно выше сопротивления зонда и током вольтметра можно
пренебречь). Если сопротивление заземлителя З1 равно r1, а вольтметр показывает действующее напряжение U, то приблизительно
r1 = U / i (расчет можно провести более точно с учетом сопротивления вольтметра, сопротивления зонда и второго заземлителя).
Сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом или
4 Ом (определено нормативами в зависимости от мощности потребителя).
2
В отличие от активных, реактивные сопротивления меняют
свое значение в зависимости от внешних электромагнитных полей и от подаваемой на них частоты ω υ= 2πf. Частота должна быть
постоянной и известной. Для сети f = 50 Гц ωυ = 314.
85
3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ ЦЕПЕЙ
СI
ä
,
11
CÑ
Измерение сопротивлений емкости можно проводить на пе-
ременном токе заданной частоты. Наличие гармоник может при-
вести к искаженному результату. Полное сопротивление xC цепи
с емкостью определяют по току и напряжению на ней в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 10.1.
I
А
х
с
r
c
Рис. 10.1. Измерение емкости с помощью амперметра и вольтметра
V
Измерение емкости с помощью амперметра и вольтметра. Со-
противление конденсатора имеет активную и емкостную составляющие, которые и показаны на схеме (см. рис. 10.1):
так как емкостное сопротивление
утечки.
поэтому
из схем (рис. 10.2).
86
U
Zxrr
I
22 2
cc c
xС
c
1
,
22
C
1
,
а rc – сопротивление
Сопротивлением утечки rc конденсатора можно пренебречь,
1
U
x
c
.
Зная частоту ωυ, можно определить емкость:
.
В приборах для измерения емкости обычно используют одну
Ток, показываемый амперметром (рис. 10.2, а),
I
U
x
10. Измерение параметров конденсаторов и катушек индуктивности
11
()
откуда
11
CCI
х
CIC
х
U
,
д
U
д
и определяется Сх. Аналогично можно произвести операции и в
правой схеме (см. рис. 10.2, б).
А
C
д
C
д
C
x
а
Рис. 10.2. Схемы приборов для измерения емкости
б
C
x
Напряжение на Сх тем больше, чем меньше Сх
Можно отградуировать вольтметр так, что он показывает ем-
V
1
X
c
.
С
кость. Напряжение на Сд необходимо на случай КЗ (короткое
замыкание измерительных контактов).
Измерение емкости амперметром, вольтметром и ваттмет ром
(рис. 10.3). Мощность, выделяющаяся на сопротивлении r,
Р = UI = IrI = I2r,
откуда
P
rU
,
2
W
I
А
x
c
V
r
где r – активное сопротивление
цепи (включая и сопротивление
утечки).
Рис. 10.3. Измерение емкости
амперметром, вольтметром
и ваттметром
Полное сопротивление
U
Zr
I
1
2
,
2
С
87
3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ ЦЕПЕЙ
22
откуда
C
11.I
22 22
Zr UI P
2
UP
22
II
2
Емкость C определяется только по показаниям приборов.
Метод позволяет определить тангенс угла диэлектрических
потерь конденсатора:
PCI
tg .
2
Емкость измеряют и специальными приборами – микрофарадометрами, или мостовыми методами. Для измерения емкости
и tg δα используются как уравновешенные, так и неуравновешен-
ные мосты переменного тока.
На рисунке 10.4 показаны мостовые схемы для измерения
емкости конденсатора и его тангенса угла диэлектрических потерь методом уравновешенного моста. Следует вспомнить, что по
определению
I
a
tg ,
I
р
где Iа – активная составляющая тока через изоляцию между обкладками конденсатора; Iр – реактивная составляющая тока через изоляцию между обкладками конденсатора.
C
x
R
R
x
r
R
1
C
1
а
Рис. 10.4. Мостовые схемы для измерения емкости
тангенса угла диэлектрических потерь конденсатора
2
R
3
U
88
C
x
R
x
r
R
1
C
1
б
R
2
R
3
U
10. Измерение параметров конденсаторов и катушек индуктивности
11
RC
Чем меньше Iа, т. е. чем меньше tgυ δ, тем меньше потери и тем
лучше конденсатор. Конденсатор может иметь последовательную
(Rx, Cx на рис. 10.4, а) и параллельную (Rx и Cx на рис. 10.4, б)
схемы замещения. На схемах Сх и Rх – емкость измеряемого конденсатора и его активное сопротивление; R2 и R3 – известные сопротивления плеч моста; R1 и C1 – подбираемые при измерении
сопрот ивление и емкость из магазинов соответственно сопротивлений и емкостей.
Равновесие моста достигается при выполнении следующего
условия: произведения полных сопротивлений противоположных плеч моста должны быть равны. Так как полные сопротивления являются комплексными числами и их произведения тоже
комплексные числа, это условие превращается в два условия:
действительные части произведений должны быть равны между
собой и мнимые части произведений должны быть равны друг
другу. Практическое выполнение этих условий сводится к тому,
что уравновешивание мостов производится поэтапно: сначала в
магазине сопротивлений выбирается и вставляется в схему такое
сопротивление R1, при котором гальванометр показывает меньший ток; затем из магазина емкостей выбирается и вставляется в
схему такая емкость С1, при которой ток становится минимальным, и т. д. Обычно таких повторений бывает не более пяти. При
достижении равновесия расчетным путем определяют емкость
и tg δα. Для схемы замещения, соответствующей рисунку 10.4, а,
RRR
CC
xx
31
,,tg .
RR
2
2
3
R
1
Для схемы замещения, соответствующей рисунку 10.4, б,
RRR
CC R
xx
31
,,tg .
1
RR CR
23 121
1
Измерение индуктивности с помощью амперметра и вольтметра. Измерение индуктивного сопротивления можно проводить
в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 10.5. Полное
сопротивление Z цепи с катушкой определяют по току и напряжению на ней:
89
3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ ЦЕПЕЙ
22
Lx
22
Lx
rL
xx
LZ
22
xL
Zr
22
xx
LZ
I
А
x
L
V
r
L
C другой стороны
Zr L
где rL – активное сопротивле-
ZI
U
.
2
,
ние катушки; Lx – индуктивность катушки (хL =α ωLx).
Рис. 10.5. Измерение индуктивности
с помощью амперметра и вольтметра
Значит,
U
I
2
.
Обычно rL можно пренебречь, поэтому
xL Z
Lx x
U
I
.
Зная ωα, можно определить индуктивность:
1
.
Если rL пренебречь нельзя, его определяют любым известным
методом (например, теми же амперметром и вольтметром на постоянном токе). Тогда
U
ZrL
xLx
I
2222 22
Zr LL
xL xx
222
;
;
и
1
.
r
L
Единица измерения индуктивности – генри (Гн).
Измерение с помощью ваттметра (амперметра и вольтметра).
Осуществляется по следующей схеме (рис. 10.6).
Измерив мощность Р, можно определить активное сопротивление катушки:
P
rI
L
.
2
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]