Седалищев В.Н. Методы и средства измерений электрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Логометр электродинамической системы.

Прибор ферродинамической системы.

Логометр ферродинамической системы.

Прибор электростатической системы.

Прибор индукционной системы.

Логометр индукционной системы.

Вибрационный прибор.

Прибор для вертикальной установки.

Прибор с наклонной установкой.

Прибор для горизонтальной установки.

Напряжение для испытания изоляции (2 кВ).

Допустимая индукция внешнего магнитного поля (2 мТл).

1,5 Класс точности прибора.

Прибор предназначен для измерения переменного тока.

Прибор предназначен для работы в цепи постоянного и

переменного тока.

3. Электромеханические приборы с преобразователями

Задача расширения области их применения решается с использованием

дополнительных устройств, таких как шунты, добавочные резисторы,

выпрямители, термоэлектрические преобразователи и т. п. Для расширения

диапазона измеряе6мых величин применяют также измерительные

трансформаторы тока и напряжения, усилители и др. использования их для

измерений в цепях переменного тока.

Высокая чувствительность и точность, малое собственное

потребление

энергии и другие положительные свойства магнитоэлектрических приборов

выгодно отличают их от других приборов этого типа. Поэтому они находят

наибольшее применение в измерительной технике. На их основе разработаны

разнообразные измерительные приборы электрических и неэлектрических

величин, в том числе и электронные, содержащие в себе дополнительные

электронные блоки преобразования измерительных сигналов.

Для

изменения значения размера физической величины в заданное

число раз с нормированной погрешностью применяют масштабные

измерительные преобразователи.

Масштабные преобразователи подразделяют на:

- пассивные (шунты, трансформаторы тока, напряжения);

- активные (усилители, формирователи).

3.1 Шунты, добавочные резисторы

Измерительные механизмы, включенные в электрическую цепь

последовательно с нагрузкой, позволяют измерять токи порядка 20…50 мА.

Для расширения пределов

измерения используют шунты, изготовленные из

манганина (с радиаторами охлаждения), сопротивление которых мало

зависит от температуры. Сопротивление шунта меньше сопротивления ИМ и

выбирается из соотношения

),1/(

−

= nRR

ÈÌø

ÈÌ

IIn

(3.1)

где n – коэффициент шунтирования по току.

Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно

с ИМ включают добавочный резистор, сопротивление которого существенно

больше сопротивления ИМ

),1(

−

⋅

= òRR

ÈÌäîá

ÈÌ

UUò

(3.2)

где m – коэффициент шунтирования по напряжению.

На переменном токе сопротивление шунтов, добавочных резисторов и

измерительного механизма зависит от частоты сигнала, что обуславливает

появление дополнительной составляющей погрешности.

Конструктивно шунты подразделяются на внутренние и наружные.

Внутренние шунты применяют для измерения небольших токов (до 30 А),

внешние для измерения токов от 30 А до 7500 А. Шунты

изготавливают из

манганина, для них нормируются класс точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5) и

величина падения напряжения при протекании максимального измеряемого

тока (45; 60; 75; 100; 200; 300 мВ).

Для добавочных резисторов используются для измерения напряжения

до 30 кВ. Для них также нормируются класс точности (от 0,1 до 1,0) и

значение максимального рабочего тока (100; 200 мА).

Делители напряжения предназначены для понижения напряжения в

определенное число раз. Основными показателями

делителей напряжения

является коэффициент передачи

; частотный диапазон, в котором

сохраняется постоянство

; допускаемая мощность рассевания;

погрешность деления. Схемы наиболее распространенных делителей

напряжения представлены на рисунке.

Рис. 3.1 Схемы включения шунта и добавочного резистора.

Коэффициент деления для резистивного делителя можно записать:

âõ

âûõ

. (3.3)

При этом необходимо иметь в виду то, что коэффициент деления

зависит от значения сопротивления нагрузки.

Для емкостного делителя коэффициент деления определяется

соотношением емкостей:

ÑÑ

âõ

âûõ

. (3.4)

Емкостные делители используют в высокочастотных цепях.

Элементы, входящие в делители, за счет паразитных связей реактивного

характера приводят к неравномерности коэффициента передачи в рабочей

полосе частот. Уменьшить эти погрешности позволяют делители, собранные

по схеме содержащей резисторы, шунтирующие емкости в цепи делителя

напряжения.

Аттенюаторы (ослабители) предназначены для понижения

напряжения в требуемое число

раз. С помощью аттенюаторов

осуществляется нормирование малых уровней сигналов. Как и делители, они

характеризуются диапазоном рабочих частот, входным и выходным

сопротивлениями, допустимой мощностью рассеивания, погрешностью

деления. При работе в диапазоне СВЧ аттенюаторы дополнительно

характеризуются коэффициентом стоячей волны. Ослабление, вносимое

аттенюатором, принято выражать в децибелах (дб):

Uâõ

Uâûõ

À lg20=

. (3.5)

Входное сопротивление аттенюатора, в отличие от делителя

напряжения, в процессе регулирования ослабления не изменяется при

постоянном сопротивлении нагрузки. В зависимости от диапазона частот

используют аттенюаторы, выполненные на резисторах, конденсаторах или на

основе линий с распределенными параметрами

3.2 Измерительные механизмы с выпрямителями и

термопреобразователями

В качестве выпрямителей сигналов, используемых совместно с

измерительными механизмами магнитоэлектрической системы, используют

полупроводниковые диоды на основе кремния или германия. В зависимости

от числа применяемых в схеме диодов осуществляется одно- или

двухполупериодное выпрямление переменного тока.

Рис. 3.2 Схемы включения однополупериодного (а) и двухполупериодного

(б) выпрямителей.

Применение дополнительных выпрямителей позволяет расширить

частотный диапазон электромеханических измерительных приборов до 20

кГц. Но при этом приходится вводить частотную и температурную

компенсацию, ухудшается линейность рабочей характеристики прибора,

снижается точность измерений.

Термоэлектрические преобразователи могут состоять из одной или

нескольких термопар и нагревателей.

Рис. 3.3 Контактные (а), бесконтактные (б) термопреобразователи (в):

1 — нагреватель; 2 — термопара; 3 — стекло.

Нагреватель обычно изготавливается из материала с большим

удельным сопротивлением (нихром, константан, вольфрам). Для

термопары подбирают материалы, дающие достаточно высокое значение

термо-ЭДС (хромель – алюмель, хромель - копель).

Термоэлементы изготавливают двух типов: контактные (выше

чувствительность и быстродействие) и бесконтактные, например, с

дополнительным изолятором между нагревателем и термопарой.

Достоинства: повышение рабочей частоты приборов

электромеханической системы до 100 МГц, расширение рабочего

диапазона по току и напряжению, малое входное сопротивление.

Недостатки: малая перегрузочная способность, зависимость

показаний от температуры окружающей среды, низкая чувствительность,

большое собственное потребление энергии, ограниченный срок службы,

неравномерная шкала.

Применение: термоэлектрические приборы используются в качестве

амперметров, вольтметров, ваттметров в сильноточных высокочастотных

(радиотехнических) цепях.

3.3 Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Используются в цепях переменного тока для изменения значения тока

и напряжения в заданное число раз с определенной точностью.

Устройство измерительных трансформаторов аналогично обычным

силовым трансформаторам с той лишь разнице, что их вторичная обмотка

может быть двухслойной: одна катушка используется для целей измерения, а

вторая (низкой точности) – для цепей автоматической защиты. Во вторичную

цепь трансформатора могут включаться не только приборы контроля

(вольтметры, ваттметры, счетчики энергии и т.п.), но

и элементы автоматики

(элементы защиты и управления). При возникновении аварийных ситуаций в

линии ток может увеличиться в десять раз, при этом трансформатор тока

существенно перегружается, его мощность становится во много раз больше

рабочей, что приводит к насыщению магнитопровода, снижению точности

измерений. В таком режиме трансформаторы тока работают не в нормальном

режиме, и для них при этом нормируется уровень 10% точности.

Измерительные трансформаторы имеют следующие эксплуатационные

характеристики:

• для трансформаторов напряжения (ТН): рабочую частоту (50 Гц),

номинальное напряжение (от 0,38 кВ до 750 кВ), номинальное

вторичное напряжение (100 В); класс точности (0,05…3,0),

• для трансформаторов тока (ТТ): номинальный первичный ток (от 1 А

до 40 кА); номинальный вторичный ток (1; 2; 2,5; 5 А

); номинальная

нагрузка вторичной цепи (2,5; 5; 10; 25; 30; 40; 60; 75; 100 Вт); класс

точности (0,2…10,0).

Измерительные приборы и элементы защиты электрических цепей

выполняют на токи и напряжения вторичных обмоток измерительных

трансформаторов. Причем, вторичная обмотка измерительных

трансформаторов обязательно должна быть заземлена.

Рис. 3.4 Схема включения трансформатора тока.

Для трансформаторов тока важными метрологическими

характеристиками являются: номинальное напряжение, номинальный

первичный и вторичный ток, номинальный коэффициент трансформации,

токовая погрешность, угловая погрешность, полная погрешность

(характеризует относительный намагничивающий ток), номинальная

нагрузка, номинальная предельная кратность первичного и вторичного

тока.

Через трансформаторы тока в аварийных ситуациях могут протекать

токи короткого замыкания, многократно превышающие номинальный ток,

поэтому используют понятия динамической и термической стойкости

(кратность токов). Наиболее уязвимым элементом измерительных

трансформаторов является первичная обмотка, так как в аварийных

ситуациях вторичная обмотка работает в режиме

насыщения

магнитопровода.

Трансформаторы тока (ТТ) бывают: шинные, кабельные, проходные. В

одновитковом трансформаторе тока первичная обмотка может быть

выполнена в виде стержня или пакета шин.

Примером такого исполнения является одновитковый проходной

трансформатор тока с литой изоляцией (на 10 кВ).

Рис. 3.5 Одновитковый трансформатор тока ТПОЛ-10, U

H0M

= 10 кВ:

1 – магнитопроводы; 2 — вторичная обмотка; 3— крепежное кольцо;

4 — стержень.

Применение литой эпоксидной изоляции позволяет сильно упростить

конструкцию и технологию производства трансформаторов. Достоинством

одновиткового исполнения ТТ является его высокая электродинамическая

стойкость. При расчете измерительных цепей необходимо производить учет

сопротивления проводов измерительной схемы.

Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) служат для

приведения напряжения к

стандартному значению (100 В), на которое

рассчитаны вторичные приборы. Для обеспечения безопасности

обслуживающего персонала вторичная обмотка трансформатора заземляется.

Рис. 3.6 Схемы включения трансформаторов напряжения в трехфазных сетях

с использованием двух (а) и трех (б) однофазных трансформаторов.

Основными параметрами ТН являются: номинальные значения

напряжения на обмотках, коэффициента трансформации, погрешности по

напряжению, мощность трансформатора и вторичная нагрузка.

На погрешность трансформатора влияет коэффициент мощности нагрузки

(cosφ). Характер нагрузки оказывает влияние также

и на угловую

погрешность.

До напряжений 35 кВ конструкция ТН сходна с конструкцией силовых

трансформаторов. Индукция в сердечнике ТН значительно меньше, чем у

силовых трансформаторов, это позволяет снизить погрешность измерений.

Рис. 3.7 Внешний вид однофазных трансформаторов напряжения с масляной

изоляцией (а) и литой изоляцией (б)

Согласующие трансформаторы предназначаются для сохранения

неизменной величины сопротивления на их входе при разных

сопротивлениях, нагружающих их выход.

На рисунке приведена схема измерительного трансформатора

постоянного тока.

Рис. 3.8 Трансформатор постоянного тока.

Две обмотки, питаемые переменным током, включены встречно.

Управляющая обмотка на схеме показана в виде проводника, проходящего

через оба сердечника. Постоянный ток определяется напряжением и

параметрами цепи и почти не зависит от состояния сердечников. Цепь

постоянного тока обладает большим полным сопротивлением для

переменного тока, и поэтому прибор

работает в режиме подавленной второй

гармоники. Если подводимый переменный ток ниже величины, необходимой

для насыщения, то при наличии постоянного тока в управляющей обмотке в

течение одного полупериода насыщается один сердечник, а в течение

следующего полупериода – другой сердечник. Поэтому всегда один из

сердечников остается насыщенным. Так как управляющий ток не меняется,

то и выходной ток в течение полупериода остается постоянным. В

следующий полупериод, когда управление осуществляется вторым

сердечником, ток меняет лишь свое направление. Следовательно, ток в

обмотках представляет собой переменный ток с прямоугольной формой

волны. Его амплитуда определяется величиной постоянного тока и

коэффициентом трансформации. Мостовой выпрямитель позволяет измерять

ток магнитоэлектрическим амперметром. Погрешность измерения не

превышает 1,5…2 %. Устройство данного типа применяется для

дистанционных измерений.

3.4 Измерительные усилители

Измерительные усилители (ИУ) используются для усиления сигналов

постоянного и переменного токов за счет использования дополнительных

источников энергии. Например, повышающий напряжение трансформатор не

является усилителем сигнала.

Для классификации усилителей могут быть использованы различные

признаки:

• по полосе рабочих частот (низко- и высокочастотные,

импульсные и широкополосные);

• по роду усиливаемого

сигнала (постоянного и переменного тока);

• по типу используемых нелинейных элементов

(полупроводниковые, магнитные, диэлектрические, ламповые);

• по схеме включения; по числу каскадов;

• по виду связей между каскадами (последовательная,

параллельная).

Существуют ИУ низкочастотные (до 300 кГц) и высокочастотные (до

300 МГц). ИУ выполняются с нормированной погрешностью коэффициента

передачи и позволяют усиливать

сигналы от долей мВ и мкА с

погрешностью 0,1…1%.

Усилители постоянного тока (УПТ) характеризуются наличием дрейфа

нуля. Для повышения их точности используют стабилизированные

источники питания, подогревают, используют компенсационные схемы и др.

Усилители переменного тока не имеют дрейфа нуля, поэтому часто

постоянный ток преобразуют в переменный, затем усиливают. Но при этом

коэффициент усиления

зависит от частоты, поэтому для усиления сигналов в

широком диапазоне частот, его выпрямляют (при этом теряется

чувствительность).

Широко используются операционные усилители (ОУ) - для усиления

сигнала в заданное число раз на определенном диапазоне частот. ОУ

отличаются по полосе частот, по роду сигнала (постоянного, переменного).

Дифференциальные усилители используют для усиления разностных

сигналов.