книги из ГПНТБ / Быков М.А. Электрические измерения электрических величин [учеб. пособие]

тели на стороне .высокого напряжения ТН устанавливаются для того, чтобы обезопасить внешнюю сеть от последствий ко­ роткого замыкания в самом ТН.

Рис. Ѵ-11

На рис. Ѵ-12 показано включение двух ТН по так называе­ мой схеме «открытого треугольника». Эта схема дает возмож­ ность измерять все три линейных напряжения. Схема широко используется в трехпроводных цепях, так как разрешает ог­ раничиться двумя однофазными ТН.

Рис. Ѵ-12

Выбор ТН производится по номинальному значению пер­ вичного напряжения, по апособу использования, по требующе­ муся классу точности и по величине вторичной нагрузки. На щитке ТН указываются его номинальные параметры и при со­ ставлении схемы необходимо проверять, чтобы общая мощ­ ность всех параллельно включенных приборов не превосходи­ ла номинальную, указанную паспортом для данного класса точности. В противном случае ТН будет работать с погрешно­ стью, превосходящей допустимую.

191

ГЛАВА VI

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ СРАВНЕНИЯ

§ 1. МОСТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Мосты постоянного тока предназначены для намерений на постоянном токе электрических сопротивлений в диапазоне ве­ личин порядка 10 6 — о м .

Столь значительный диапазон измерений трудно охватить, пользуясь какой-либо одной мостовой схемой, поэтому в на­ стоящее время применяются две схемы мостов:

1)одинарные, предназначенные для измерения больших сопротивлений;

2)двойные, предназначенные для измерения малых сопро­ тивлений.

Одинарными мостами обычно рекомендуется пользоваться при измерении сопротивлений больше 10 ом, двойными моста­ ми— при измерении сопротивлений менее 10 ом.

Ниже рассматриваются принцип действия и схемы одинар­ ного и двойного мостов.

Одинарный мост

На рис. VI-1 изображена в самом упрощенном виде прин­ ципиальная схема одинарного моста постоянного тока, назы­ ваемого иначе четырехплечим или мостом Витстона. Она пред­ ставляет собой четырехугольник сопротивлений, в диагонали которого включены гальванометр Г и источник питания схемы Е. Сопротивления (Ru Ru, R3, R4) образуют так называемые «плечи» моста; под сопротивлением Rc понимается внутрен­ нее сопротивление гальванометра.

Из уравнения следует, что ток в гальванометре будет ра­ вен нулю в двух случаях: когда э.д.с. источника равна нулю, что соответствует обесточенному состоянию схемы и не пред-

192

ставляет никакого практического интереса, и в случае, когда числитель дроби равен нулю (т. е. /?2-/?з)- Второй случай соот­ ветствует так называемому условию «равновесия» моста и ис­ пользуется при измерениях в мостах постоянного тока.

Для удовлетворения условия равновесия моста необходимо выбрать плечи его такими, чтобы произведения противополож­ ных плеч были равны между собой

Ri • Ri=R2 - Rz-

Обычно одно из плеч моста бывает неизвестным. Примем,

что Ri=Rx.

Решив уравнение относительно Rx, получим основную рас­ четную формулу одинарного моста

(ѴІ-2)

Рис. ѴІ-1

Процесс измерения неизвестного сопротивления Rx на мо­ сте сводится к подбору сопротивлений плеч R3, R4, Rg. Вклю­ чив неизвестное сопротивление в одно из плеч моста, изменяют сопротивления трех других до тех пор, пока не будет достигну­ то равновесие, т. е. пока гальванометр не покажет отсутствие тока в диагонали моста.

В процессе уравновешивания сопротивления плеч моста иг­

чину сопротивления в широких пределах. Одна из возможных конструкций такого магазина изображена на рис. 11-8 и рас­ смотрена в гл . II (§ 11—26).

Сопротивления R2 и ^ 4 называют «плечами мостового от­ ношения». Они обычно выполняются как магазины сопротив­ лений штепсельного типа с сопротивлениями, имеющими зна­ чения 1 • 10" ом. Однако есть много конструкций, где плечи мо­ стового отношения — это рычажные магазины сопротивлений.

В качестве индикатора нуля в мостах постоянного тока ис­ пользуются магнитоэлектрические зеркальные или стрелочные гальванометры: зеркальные — при измерениях повышенной точности, стрелочные — во всех остальных случаях.

На рис. ѴІ-2 в качестве примера приведена принципиаль­ ная схема моста типа МКМВ, представляющего собой пере­ носный технический прибор со «строенным гальванометром, предназначенный для измерения сопротивлений в пределах от 1 до 100 000 ом.

декада состоит из десяти катушек. Наименьшее сопротивле­ ние, которое может быть выбрано в плече R3, составляет 1 ом, наибольшее— 11 110 ом.

Плечи отношений R2 и R4 представляют собой набор из восьми катушек сопротивлений, подобранных таким образом, что при соответствующих положениях рычажного переключа-

теля отношение плеч - ^ - может быть установлено равным:

0,001—0,01—0,1 — 1—10—100— 1000,

194

Чувствительность схемы Scx определяется электрическим состоянием измерительной цепи: изменение любого плеча мо­ ста вызывает изменение тока, напряжения, выделяемой мощ­ ности .на всех ее участках и з том числе на диагонали В -- Д, содержащей гальванометр. Установлено, что подбором сопро­ тивлений схемы можно создать оптимальные условия на ее «вы­ ходе», т. е. на зажимах В—Д, при которых напряжение на этих зажимах, или ток в диагонали, или, наконец, мощность, переда­ ваемая схемой гальванометру, будут максимальны. В соответ­ ствии с этим различают «чувствительность измерительной це­ пи по току», «чувствительность по напряжению» и «чувстви­ тельность по мощности на выходе цепи» (т. е. на гальваномет­ ре) к изменению переменного параметра, когда это изменение стремится к нулю. В качестве переменного параметра удобнее всего брать плечо сравнения R3, которое благодаря конструк­ ции позволяет менять величину сопротивления ступенями в де­ сятые, а иногда и сотые доли ома.

Тогда чувствительность мостовой схемы по току, напряже­ нию и мощности запишется следующим образом:

ния или мощности в гальванометре в каждом конкретном слу­ чае диктуется условием поставленной задачи.

Анализ уравнений (ѴІ-4) на максимум чувствительности, подробно рассмотренный в литературе [2], позволил сделать следующие выводы:

а) максимум чувствительности схемы по напряжению, со­ ответствующий наибольшему напряжению на зажимах диаго­

196

стве внутреннего сопротивления гальванометра Rr входному сопротивлению схемы моста со стороны зажимов В— Д— /?вд т. е. при RT~-Rün- При выполнении этого условия считают, что сопротивление гальванометра согласовано с сопротивлением схемы. Согласованный режим работы моста практически весь­ ма целесообразен, так как позволяет выбрать менее чувстви­ тельный и потому более удобный в эксплуатации и более де­ шевый гальванометр.

На практике широко применяются мосты, в которых все плечи равны между собой и равны внутреннему сопротивлению гальванометра

# х = = # 2 = = Я 3 = Я 4 = # г . /Ѵі-5)

В случае невозможности обеспечить точное равенство всех сопротивлений рекомендуется для получения высокой чувст­ вительности схемы выбирать все сопротивления одного поряд­ ка (например, все сопротивления порядка тысяч ом или сотен ом и т. д.). Если же и это условие выполнить не представляет­

режим успокоения которого мало зависит от параметров схемы. В точных мостах, использующих зеркальные гальванометры, для быстрого успокое­ ния последних желательно сделать входное сопротивление моста (на которое замкнут гальванометр) близким к его внешнему критическому сопротивле­ нию. Поскольку внешнее критическое сопротивление зеркального гальвано­ метра обычно в несколько раз больше его внутреннего сопротивления, обес­ печить указанные условия не представляется возможным — гальванометр работал бы в сильно переуспокоенном режиме. Поэтому зеркальные гальва­ нометры выбирают обычно с учетом условий успокоения, прогадывая в от­ ношении достижимой чувствительности.

Кроме рассмотренного, на чувствительность мостовой схе­ мы оказывает влияние напряжение источника питания: чем оно больше, тем больший ток течет в цепи гальванометра при одной и той же расстройке схемы и тем больше, следователь­ но, чувствительность измерения. Ограничителем здесь являет­ ся допустимая мощность рассеяния на катушках магазинов со­ противлений, которая по ГОСТу не должна превышать 1 er (а для некоторых магазинов — 0,5 вт) на каждой катушке. В специальных таблицах, прилагаемых к мостам, приводятся рекомендуемые для каждого диапазона напряжения, которые рассчитываются из соображений допустимой мощности рас­ сеяния.

Второй важной характеристикой качества измерения явля­ ется его точность, которая для мостов постоянного тока зави­ сит от нескольких причин.

197

Основными из них являются следующие:

1. Неточность изготовления моста и несовершенство его конструкции, которые вносят в измерения определенную по­ грешность ôK. Величина этой погрешности характеризуется классам точности моста, указанным в его паспорте.

2. Недостаточная чувствительность гальванометра, внося­ щая в измерения погрешность ог . Недостаточная чувствитель­ ность проявляется в том, что гальванометр показывает отсут­ ствие тока не при одном значении сопротивлений плеч, а в не­ котором диапазоне изменения их величин.

Согласно ГОСТ 7165—54 для мостов, где гальванометр встроен в конструкцию, чувствительность гальванометра должна быть такой, чтобы изменению величины сопротивле­ ния плеча сравнения на k% (где k—класс точности моста)' при напряжении питания, установленном для этого моста, соответ­

мать во внимание возможную погрешность, вызываемую недо­ статочной чувствительностью гальванометра. Количественная оценка этой погрешности производится на основании экспери­

3. Недостаточная «тонкость» регулировки плеча сравнения Rz, вызывающая погрешность од^,. Эта погрешность ста­ новится соизмеримой с общей •погрешностью измерения, когда сопротивление плеча сравнения, установленное в процессе уравновешивания моста, имеет относительно малое значение. В этом случае величина сопротивления наименьшей ступени магазина, которую назовем Л/?3 , оказывается недостаточно малой по сравнению с набранным значением самой величины Яз и всякое изменение сопротивления плеча сравнения получа­ ется слишком грубым, что приводит к появлению погрешно­ сти. Максимально возможное значение этой погрешности мо­ жет быть найдено по формуле

Для уменьшения погрешности Вд#8 следует увеличивать сопротивление R3, что вытекает из уравнения (ѴІ-7). Увеличе-

198

торого будем считать заранее известной: /^=1 8 ом. Для изме­ рения взят мост типа МВЛ-49, класса точности 0,5. Плечо сравнения —пятидекадный магазин сопротивлений с декада­ ми от тысяч до десятых долей ома: /?з=9- (1000+ 100+10+1 +

магазина с сопротивлениями: У?2 =і?4=1000, 100, 10, 1 ом. В

199