- •ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТРОЛОГИИ
- •СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
- •Погрешности измерений и средств измерений
- •▲НАЛОГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
- •Магнитоэлектрические приборы
- •Электромагнитные приборы
- •Электродинамические приборы
- •Электростатические приборы
- •Индукционные приборы
- •ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
- •АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
- •ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ
- •Структура микропроцессорного прибора
- •Микропроцессор
- •ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
- •Ф = arcsin {уо!В).
Погрешность вычисления мощности в соответствии с выражением (34) ор
- У 2 2*0,52Ч-(—1)2-12 = 1,4%.
Мерами емкости С служат измерительные конденсаторы и мага зины емкости, которые, подобно магазинам сопротивления, представ ляют собой наборы измерительных конденсаторов, конструктивно объединенных с переключающими устройствами рычажного или штепсельного типа. В качестве изолятора в измерительных конден саторах используется воздух при постоянной и переменной емкости и слюдяные диэлектрики. Выпускают воздушные конденсаторы по стоянной емкости 50,100,200, 300,400, 1000, 2000, 3000 и 4000 пФ: класса 0,06; частоты до 100 Гц и напряжения до 220 В.
Воздушные конденсаторы переменной емкости конструктивно вы полнены из двух систем алюминиевых пластин— подвижной и неподвижной, снабженной шкалой. Максимальная емкость выпуска емых конденсаторов 15, 60 и 150 пФ; класс точности 0,05, 0,2 и 0,5; частота тока до 100 Гц и напряжение до 220 В.
У слюдяных конденсаторов электродами являются алюминиевая или оловянная фольга, емкость этих конденсаторов — 10~6
1 мкФ; классы точности 0,05 ..0,2; частота 40 |
105 Гц. |
Магазины емкости бывают штепсельными и рычажными. Измене ние емкости — ступенчатое и плавное. Магазины имеют класс точ ности не более 0,1 и состоят из нескольких (до шести) декад, емкость меньшей декады 0,1 пФ. Используются на частоте от 40 Гц до 30 кГи и напряжении 5 ... 100 В.
Пределы допустимой основной погрешности конденсаторов;
постоянной емкости Ь (х) = |
± |
К; |
переменной емкости 6 (х) = |
± |
К С та х/СН0М; |
магазинов 6 (х) = ± К (1 + |
0,8 т А Сд/СНоМ). |
Здесь Стах и Сном — соответственно максимальное и номинальное (установленное на магазине) значения емкости; Сд — дискретность магазина.
Глава 3
▲НАЛОГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ИПРИБОРЫ
3.1.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Впрактике электрических измерений возникает необходимость измерять ряд физических величин в очень широком диапазоне. Для расширения диапазона измерений приборов применяют измеритель
ные преобразователи; шунты, добавочные резисторы, делители на пряжения, измерительные трансформаторы и др.
Шунты служат для расширения диапазона измерений силы тока магнитоэлектрических приборов. Они разделяются на внутренние {сила тока до нескольких ампер) и внешние (до 7500 А) — индивиду альные и взаимозаменяемые. Индивидуальные шунты пригодны лишь для прибора, с которым они градуированы, а взаимозаменяемые — для приборов, которые имеют соответствующий предел измерения на пряжения и номинальной силы потребляемого тока.
Шунты на силу тока до 1 А изготовляют из манганина в виде спи ралей или катушек, а на большую силу тока — в виде пластин или стержней, запаянных в массивные латунные или медные наконеч ники.
Шунты снабжаются двумя парами выводов: тока / для включе ния в цепь и напряжения U для присоединения измерительного при бора (рис. 19, а). Использование для подключения прибора выводов напряжения позволяет устранить погрешность от контактных сопро тивлений.
Ток (/„) нагрузки (/?„) в измерительной цепи разветвляется на ток шунта (/ш) и ток прибора (милливольтметра) (/,,) (рис. 19, а):
Ь, |
(39) |
причем |
|
ЛцЯш— i p R p - |
(40) |
Из выражений (39) и (40) найдем /„, т. е. силу тока, которую необ ходимо измерить:
Л, ~ M l с Rp/Rui) ~ 1рпш, |
(41) |
где п ш — 1 + Rv/R m — шунтирующий множитель. |
|
Из выражения (41) определим /?ш: |
|
Я» = Rp/Vnllp- 1 ) * Rp!(nlu- 1), |
(42) |
г. е. для расширения предела измерений в п ш раз необходим шунт с сопротивлением в (лш — 1) меньшим сопротивления измеритель ного прибора.
Пример 9. Миллиамперметр со шкалой 0...100 мА необходимо перегра дуировать на пределы 0 1 мА, т. е. расширить диапазон измерении в 10 раз. Сопротивление миллиамперметра R A — 0,5 Ом,
Рис. 19. Схемы включения:
« — шунта; б — добавочного резистор»
Решение. Для расширения диапазона измерения необходимо применить шунт, сопротивление которого /?ш = RfilUn'Ip — U = 0,5/(1000/100 I)
~ 0,056 Ом.
Так как прибор подключается параллельно шунту, то последний является преобразователем тока в напряжение, а в качестве измери тельного прибора используются милливольтметры магнитоэлектри ческой системы (для других систем приборов шунты не применяют, так как из-за большой потребляемой мощности этих приборов шун ты получаются громоздкими).
Серийно выпускаемые шунты имеют классы точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Для них класс точности указывает на предельно допустимое значение отклонения сопротивления шунта (в %):
(43)
где Uном.щ и /„ом.ш — номинальные значения соответственно напря жения и силы тока шунта (указываются на корпусе шунта); /,,пмр —
номинальная сила тока прибора.
Номинальное значение падения напряжения взаимозаменяемых шунтов 45 и 75 мВ, сила тока 0,01 ...7500 А.
Добавочные резисторы (рис. 19, 6) применяют для расширения пределов измерения вольтметров магнитоэлектрической, электро магнитной и электродинамической систем, а также цепей напряже ния электродинамических ваттметров.
Добавочные резисторы изготовляют в виде катушек из манга нинового провода, в цепь с измерительным механизмом прибора (рам кой, катушкой и т. п.) их включают последовательно. Резисторы бы вают внутренние и внешние, индивидуальные и взаимозаменяемые, используемые с любым прибором, сила тока полного отклонения которого равна номинальной силе тока резистора.
Для добавочных резисторов цепей постоянного тока применяют обычный способ намотки. Для цепей переменного тока — бифилярный. Для намотки используют изолированный провод и каркасы из пластмассы.
Для схемы, приведенной на рис. |
19, б, можно записать: |
||
UH— UmzхР~Т |
Umax |
IpRд |
= t^max Р“ (t/max plRp) R^, (44) |
где UH— измеряемое напряжение; £/тах/>— верхний предел измере ний прибора; Uд = h R x
Из (44) находим
Rд = Rp (UJUmax р- 1 ) = RP(np - 1 ), |
(45) |
где я р = Uн/UтахР, («р — 1) — множитель добавочного резистора, т. е., чтобы расширить предел измерения UmAxP прибора в л р раз, необходимо его сопротивление RP увеличить в (лр — 1) раз.
Пример 10. Вольтметр с диапазоном измерения 0 ...10 В необходимо переградуировать на пределы 0 100 В. Сопротивление рамки вольтметра
~ 200 Ом.
Рис, 20. Схемы рези стивных делителей на пряжения:
а — однопредельного; б и в — многопредельных
Решение. Для расширения пределов измерения необходимо использовать добавочный резистор
Яд = Ярам Ш п/ и тйхр — 1) = 200(100/10—1) = 1800 Ом.
Взаимозаменяемые резисторы рассчитаны на номинальное нап ряжение от 100 до 3000 В, силу тока 3; 5 и 7,5 мА и имеют классы точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Класс точности резистора соответствует допустимому относительному отклонению значения его сопротивле ния от номинального.
Делители напряжения используют для расширения пределов из мерения по напряжению (в цепях постоянного и переменного тока) приборов с высоким входным сопротивлением (электронные и цифро вые вольтметры, осциллографы, электронные мосты и потенциомет ры и др.). Делители бывают резистивные (рис. 20), емкостные и ин дуктивные.
Номинальный коэффициент делителя при условии подключения к делителю нагрузки бесконечно большого сопротивления (рис. 20, а)
« д е л = а д / . = ( * 1 + * ■ ) /* . = RilRt + 1- |
(46) |
Многопредельные делители выполняют по схеме с постоянным вход ным (рис. 20, б) или выходным (рис. 20, в) сопротивлением.
Резистивные делители напряжения имеют класс точности от 0,0005 до 0,2; коэффициент делителя 10:1; 100:1; 1000:1; 10000:1; полное сопротивление от 100 кОм до 10 МОм, максимальное выходное напряжение 1000 В.
Класс точности делителей соответствует пределу его основной до пустимой погрешности, выраженной в процентах номинального ко эффициента делителя.
Емкостные делители (рис. 21, а) применяют для расширения пре делов измерения электростатических вольтметров (в основном для цепей переменного тока).
Номинальный коэффициент делителя при условии подключения
к делителю нагрузки бесконечно большого сопротивления |
|
|
«дел ~ |
У*~ (^ i4" С2)!С». |
(47) |
Индуктивный делитель представляет собой масштабный элект ромагнитный преобразователь напряжения, служащий для деления входных напряжений. Делители выполняют по трансформаторной или автотрансформаторной схеме. При трансформаторной схеме де лители имеют меньшую точность, однако позволяют гальванически разделить элементы измерительной цепи.
При использовании автотрансформаторной схемы индуктивные делители (рис. 21, 6) имеют более простую конструкцию, обмотка вы полняется жгутом из скрученных и взаимоизолированных проводов и и равномерно располагается на тороидальном ферромагнитном сер дечнике. Конец провода одной секции соединяется с началом прово да следующей и т. д. От мест соединений делают выводы к соответст вующим зажимам выходной цепи.
Номинальный коэффициент делителя
Ядел = U i f U W j W z ,
где wx и w2— число витков со стороны соответственно входа и выхода делителя.
Коэффициент делителя (в пределах 0,9 10“ 7) можно регулиро вать изменением числа витков обмоток или их частей.
Основными достоинствами индуктивных делителей являются: низкая погрешность преобразования (0,001 %), стабильность коэф
фициентов |
делителя; независимость |
коэффициентов |
делителя от |
нагрузки; |
широкий частотный диапазон (0,02... 200 кГц). |
||
Измерительные трансформаторы предназначены для расширения |
|||
пределов |
измерения амперметров |
(трансформаторы |
тока — ТТ) |
и вольтметров (трансформаторы напряжений — ТН) |
электромаг |
||
нитной и электродинамической систем. |
|
Использование измерительных трансформаторов позволяет, с од ной стороны, применять низковольтные приборы для измерения в цепях высокого напряжения, с другой стороны, обезопасить обслу живание высоковольтных установок. Кроме того, упрощаются кон струкции измерительных приборов, так как они применяются в це пях низкого напряжения.
Измерительные трансформаторы состоят из двух взаимоизоли рованных обмоток (рис. 22): первичной (числом витков wx) и вторич ной (число витков до2), помещенных на ферромагнитный сердечник.
В трансформаторах тока обычно си
|
|
ла первичного тока 1Хбольше, |
чем |
||
|
|
вторичного |
/ а, поэтому в них wx<с |
||
|
|
< w2. |
Первичную обмотку выпол |
||
|
|
няют |
из провода различного сече |
||
|
|
ния, в зависимости от номинальной |
|||
а) |
5) |
силы первичного тока (при / > |
500А |
||
Рис. 21. Схемы делителей напря |
она может состоять из одного |
вит |
|||
ка — в виде прямой медной шины, |
|||||
|
жения: |
проходящей |
через окно сердеч- |
||
а — емкостного; б — индуктивного |
Рис. 22. Схема включения и устройство измеритель ных трансформаторов тока ТТ и напряжения ТН
ника). Сечение провода вторичной обмотки всех стандартных ТТ небольшое, одинакового размера. В ТН первичное напряжение Ui больше вторичного U2, поэтому в них wx> w2. Первичная об мотка ТН состоит из нескольких тысяч или десятков тысяч витков (диаметр провода 0,1 ...0,3 мм), вторичная — из сотен витков (диа метр провода 0,5 ...1,0 мм).
По схемам включения (рис. 22) в измеряемую цепь и по условию работы ТТ и ТН различаются: у ТТ первичная обмотка включается последовательно с нагрузкой (R„), у ТН — параллельно нагрузке. Ко вторичной обмотке ТТ и ТН подключают измерительные приборы, по показаниям которых можно определить значение измеряемых ве личин, для чего показания необходимо умножить на коэффициент трансформации:
ДЛЯ ТТ /С/ |
= / ном1!Iном2> |
ДЛЯ ТН Ни |
—UU0Mi/U}i0M2. |
Таким образом, зная показания амперметра / 2 и вольтметра U-z, можно подсчитать силу измеряемого тока /j и напряжение:
/х = /С/^2 и Uz= Ки U2.
Коэффициенты трансформации указываются на щитке трансформато ра в виде дроби, числитель которой есть номинальное значение пер вичной, а знаменатель — вторичной величины.
Сердечники измерительных трансформаторов изготовляют из тонкой листовой трансформаторной стали или из пермаллоя. Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируют. Чаще всего применяются сердечники стержневого или кольцевого (тороидаль ного) типа.
ТТработает в режиме, близком к короткому замыканию, так как
вего вторичную обмотку включаются приборы с малым сопро тивлением (амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков, со противление которых очень мало). Размыкание вторичной цепи яв ляется аварийным режимом, поскольку при этом намагничивание сердечника осуществляется полностью всем первичным током. Про
исходит насыщение сердечника, значение его магнитного сопротив ления повышается, что приводит к перегреву сердечника, порче изоляции, намотки. Кроме того, увеличенный магнитный поток ин дуцирует во вторичной обмотке ЭДС, достигающую опасных для жизни людей значений (до 2 кВ и выше). Поэтому при необходимости осуществления нужных переключений во вторичной цепи при вклю ченной первичной обмотке вторичная обмотка должна быть замкнута накоротко переключателем 5/4 (рис. 22) или на токовые обмотки при боров.
В зависимости от назначение ТТ разделяют на стационарные и переносные. Для расширения пределов измерения в корпусах пере носных ТТ с тороидальным сердечником предусматривается отверс тие, через которое можно намотать внешнюю первичную обмотку про водом, допускающим измерение силы соответствующего первичного тока.
Номинальные значения силы тока ТТ: первичного в пределах 0,2 3000 А, вторичного всегда 5 А; номинальные сопротивления вторичной цепи не должны превышать 0,2; 0,4 или 0,6 Ом (указыва ется на щитке ТТ).
Выводы обмоток ТТ имеют обозначения: J7lt Л 2— первичной #2 — вторичной.
Для работы ТН характерно незначительное изменение первич ного напряжения и большое сопротивление вторичной цепи, так как ко вторичной обмотке подключают приборы с относительно большим сопротивлением (вольтметры, цепи напряжения ваттметров). Таким образом, ТН работают в условиях, близких к режиму холостого хо да. Число приборов, подключаемых к ТН, определяется их суммар ной мощностью, которая не должна превышать номинальную мощ ность ТТ при номинальном напряжении (указываются на щитке трансформатора).
ТН делятся на стационарные и переносные и выпускаются на но* минальные значения первичных напряжений от 220 В до 35 кВ, но минальные вторичные напряжения 100 В (реже 150 В) и номиналь ные мощности от 10 до 1200 В. Выводы обмоток ТН имеют обозначе ния: А и X — первичной; а и х — вторичной.
Лабораторные ТТ имеют класс точности 0,01 ...0,2, а стационар
ные 0,2 ...10; ТН имеют классы точности 0,1 |
0,5. |
Погрешности ТТ увеличиваются с ростом сопротивления вторич ной цепи. Поэтому для каждого ТТ указывают его номинальное (наи большее, на которое можно замыкать вторичную обмотку) сопро тивление (в Ом) или номинальную мощность (в В*А).
Для безопасности обслуживающего персонала один из зажимов вторичной обмотки и сердечник измерительных трансформаторов заземляют. Кроме того, во вторичную и первичную обмотки ТН ус танавливают плавкие предохранители (в цепь заземленного прово да предохранитель не ставят).