книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

ностыо ввода); высокий класс точности (в зависимости от пределов измерений и частотного диапазона основная погрешность составляет 0,5...0,05 %); независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. К недостаткам относят: сравнительно низкую чувстви­ тельность (за исключением электрометров); слабое собственное элек­ трическое поле, в связи с чем для уменьшения влияния внешних элек­ трических полей применяют электростатическое экранирование. В качестве экрана используют токопроводящую окраску внутренней по­ верхности пластмассовых корпусов либо металлический корпус при­ бора. Экран соединяется с одним из электродов прибора и обычно за­ земляется.

На базе электростатических ИМ в основном строятся вольтметры. Из-за низкой чувствительности ИМ приборы выпускаются на напря­ жение не менее 15 В (чаще всего начиная с 75 В), причем у киловольт­ метров применяются оба типа ИМ, а у вольтметров — лишь ИМ со сменной активной площадью как более чувствительный. Верхний пре­ дел измерения киловольтметров достигает 300 кВ.

Электростатические ваттметры используют, в основном, для изме­ рения в цепях с маломощными источниками, при измерениях в цепях высокого напряжения, а электростатические ИМ в совокупности с элек­ тронными усилителями — как высокочувствительные электрометры и электронные ваттметры. Так, микроваттметр типа Ф585 (рис. 8.18) содержит: делитель напряжения, образованный резисторами Ш. и Р2; два усилителя ОУ1 и ОУ2, первый — с коэффициентом усиления /С, второй — 2К, электростатический ИМ и фотоэлектронный преобразо­ ватель ФЭП. Напряжение на входе усилителя ОУ1 равно сумме на­ пряжения Ни с выхода делителя, которое пропорционально напря­ жению на нагрузке, и напряжения снимаемого с шунта Лш и про­ порционального току нагрузки. Напряжение на входе усилителя ОУ2

и (/г = 2К1!I- Переменные напряжения, приложенные между подвиж­ ным электродом А и неподвижными В и С, соответственно равны

В соответствии с изложенным выше установившееся отклонение по­ движного электрода

где а — коэффициент пропорциональности.

Противодействующий момент создается постоянными напряжени­ ями: приложенным к подвижному электроду А и напряжением 0 К, приложенным к электроду С. Напряжение 0 К вырабатывается в цепи обратной связи, содержащей фотоэлектронный преобразователь ФЭП, за счет протекания тока по сопротивлению Нк, вызванного разбалан­ сом мостовой цепи ФЭП, два плеча которого являются фоторезисто­ рами. Лампочка Л излучает свет, который, отражаясь от зеркала 3, попадает на фоторезисторы. Поскольку зеркало связано с подвижным электродом А, степень освещенности, а значит, и сопротивление фото­ резисторов зависят от угла поворота подвижного электрода. Пренебре­ гая погрешностью статизма, в установившемся режиме

Р- = 4 --2 5 г 1 г УА <здйь ук « г/«>-

Поскольку напряжение Пк, а значит, и ток /к пропорциональны измеряемой мощности, это позволяет производить отсчет показаний ваттметра по шкале микроамперметра, включенного в цепь тока /к либо цифрового вольтметра, измеряющего напряжение IIк.

8.8. Индукционные приборы

Действие приборов этой системы основано на взаимодействии пе­ ременных магнитных потоков с вихревыми токами, наведенными в по­ движном элементе, обычно диске. В настоящее время практически используются лишь счетчики электрической энергии индукционной си­ стемы. ИМ этой системы имеет два независимых магнитопровода, разне­ сенные в пространстве (рис. 8.19, а). Обмотка 1 одного из магнитопроводов является обмоткой напряжения, имеет большое число витков, значительную индуктивность; поэтому ток в обмотке отстает от напря­ жения на угол, близкий к 90°. Обмотка 2 другого магнитопровода явля-

ется токовой, имеет небольшое число витков сравнительно большого диаметра. Токи в цепях магнитопроводов возбуждают переменные магнитные потоки одинаковой частоты, которые, пересекая диск 3 из алюминия, индуктируют в нем э. д. с. В диске появляются вихревые токи, совпадающие по фазе с соответствующими э. д. с., поскольку ин­ дуктивность диска на промышленной частоте пренебрежимо мала.

В соответствии с законом Био-Савара взаимодействие пар магнит­ ный поток цепи напряжения — вихревой ток, вызванный действием цепи тока, и магнитный поток цепи тока — вихревой ток, вызванный действием цепи напряжения, приводят к появлению сил и вращающих моментов, направления действия которых совпадают; средний за пе­ риод вращающий момент пропорционален активной мощности измери­ тельной цепи:

Жвр = кШ созср,

где к — коэффициент пропорциональности.

Пропорциональность скорости вращения подвижной части ИМ (диска) мощности потребителя обеспечивается наличием магнитоиндук­ ционного момента торможения, который возникает при вращении дис­ ка благодаря взаимодействию потока Фм постоянного магнита 4 с то­

Для уменьшения влияния трения в опорах подвижной части индук­ ционного ИМ и дополнительных тормозящих моментов, которые воз­ никают вследствие пересечения вращающимся диском переменных по­ токов, создается компенсирующий момент благодаря расщеплению магнитного потока цепи напряжения вблизи диска на две составля­ ющие, смещенные в пространстве и по фазе. Различие по фазе обеспечи­ вается неоднородностью материалов на путях прохождения расщеплен­ ных потоков. Наличие компенсирующего момента позволяет снизить порог чувствительности прибора, т. е. минимальный ток нагрузки, при котором подвижная часть ИМ начинает вращаться без остановки.

Компенсирующий момент не должен превышать момента трения, так как это1вызывает самоход подвижной части, под которым понимает­ ся вращение диска лишь при наличии напряжения в параллельной це­ пи счетчика даже при отсутствии тока в цепи нагрузки.

Пренебрегая трением, полагают, что установившаяся равномерная скорость вращения диска будет при равновесии вращающего и тормо­ зящего моментов:

Ш 1 созф = Р - ^ - .

т. е. число оборотов диска пропорционально измеряемой энергии Ах. Отсчет производится счетным механизмом, который приводится в дви­ жение с помощью червячной передачи.

Количество оборотов, соответствующее 1 кВт ч энергии, назы­ вается передаточным числом счетчика, а обратная ей величина — номинальной постоянной.

Схема включения однофазного счетчика показана на рис. 8.19, б. Для измерения энергии в цепях трехфазного тока применяют трех­ фазные счетчики индукционной системы. Обычно они бывают двух- и трехэлементными. Первые используются для учета энергии в трех­

проводных цепях, вторые — в четырехпроводных.

Двухэлементные счетчики имеют две магнитные системы, враща­ ющие моменты которых, складываясь, действуют на одну подвижную часть. Эти счетчики могут быть одно- либо двухдисковыми. Однодиско­ вые характеризуются относительно большой погрешностью из-за до­ полнительных моментов, возникающих при взаимодействии токов, индуктированных в диске одной магнитной системой с потоками от другой системы. В двухдисковых счетчиках такие погрешности практи­ чески отсутствуют, так как отдельные диски разнесены параллельно друг другу в пространстве. Трехэлементные счетчики имеют три маг­ нитные системы, действующие на одну общую подвижную часть, кото­ рая может быть двух- или трехдисковой. В двухдисковых счетчиках две магнитные системы действуют на один диск, а третья — на другой; в трехдисковых — каждая из магнитных систем воздействует на свой диск. Погрешность трехдисковых счетчиков несколько меньше, чем двухдисковых.

Схема внутренних соединений и включение счетчика в цепь нагруз­ ки соответствуют измерению активной мощности по методу двух ватт­ метров для двухэлементных и по методу трех ваттметров для трех­ элементных счетчиков (см. гл. 12). Для измерения реактивной энергии

активной энергии в основном состоит в схеме внутренних соединений и в способе подключения в измеряемую цепь.

Основные свойства счетчиков нормирует ГОСТ 6570—75 (СТ СЭВ 1108—78) «Счетчики электрической активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия». В отличие от аналоговых показывающих приборов класс точности счетчика опреде­ ляется значением не приведенной, а относительной погрешности.

Наиболее распространены счетчики классов 1,0; 2,5 и 3,0 с предела­ ми измерения: по току — 1 и 5 А, по напряжению — 100 В (если последовательная и параллельная цепи счетчика включаются через трансформаторы) и на токи до 100 А, напряжения 127, 220, 380 В при непосредственном подсоединении счетчика к нагрузке. Значение по­ грешности измерения энергии зависит от значения тока нагрузки счетчика.

(рис. 8.20, б), который угловое движение подвижной части ИМ преобра­ зует в поступательное движение регистрирующего органа.

Перемещение носителя изображений осуществляется пружинным или электрическим двигателем. Если скорость перемещения посто­ янная, то записывается изменение измеряемой величины во времени, а если перемещение пропорционально значению некоторой иной величины, то записывается функциональная зависимость одной (из­ меряемой) величины от другой, согласно значению которой движется носитель изображений (двухкоординатные приборы). В первом случае скорость перемещения бумажной ленточной диаграммы (рис. 8.20, в) выбирается в соответствии со скоростью изменения во времени измеря­ емой величины и составляет обычно от 20 до 5400 мм/ч, а у некоторых приборов предусмотрена ускоренная запись в аварийном режиме.

Медленно изменяющиеся процессы записывают на диаграмме в ви­ де диска (рис. 8.20, г) либо цилиндра (рис. 8.20, д) обычно с частотой вращения один оборот в сутки либо в неделю. Дисковая диаграмма удобна для обзора, но неудобна при обработав данных.

У некоторых разновидностей двухкоординатных приборов предус­ мотрена запись на неподвижной диаграмме. В этом случае регистриру­ ющий орган имеет две степени свободы и может перемещаться парал­ лельно двум взаимно перпендикулярным осям как в одну, так и в дру­ гую сторону.

Конструктивно регистрирующие устройства различны, однако всем свойствен общий . недостаток — перемещение регистрирующего органа по носителю вызывает дополнительный момент трения. Для преодоления его необходимо иметь значительный вращающий момент (примерно 0,1...0,25 мН м), который можно получить лишь в магни­ тоэлектрических и ферродинамических ИМ. Магнитоэлектрические ИМ применяются в приборах, предназначенных в основном для изме­ рения и регистрации на постоянном, а вместе с выпрямительными схемами и на переменном токе; магнитоэлектрические логометры в со­ вокупности с выпрямительными схемами — для измерения и регистра­ ции частоты и фазы в цепях переменного тока, а ферродинамические ИМ — на переменном токе.

Для уменьшения момента трения регистрирующего органа приме­ няют точечную запиг. (рис. 8.20, е). В этих приборах стрелка 1 сво­ бодно перемещается над бумагой. Специальная дужка 2, которая при­ поднимается кулачковым механизмом 3, периодически падает на стрел­ ку 1 и прижимает ее вместе с красящей лентой 4 к бумаге. При точечной записи отсутствует трение регистрирующего органа о бумагу, и в этом случае может быть использован ИМ с меньшим вращающим моментом. Самопишущие приборы по сравнению с обычными, показывающими,

ГОСТ 19875—79 «Приборы электроизмерительные самопишущие быстродействующие. Общие технические условия», довольно обширна.

Она охватывает в основном: амперметры и вольтметры постоянного

непосредственном включении в цепь измерения, до 6...7,5 кА— при использовании внешних шунтов и трансформаторов постоянного тока; амперметры и вольтметры переменного тока, чаще всего с частотами не выше 1000...10 000 Гц и пределами от 1 мА до 5 А и от 5 до 600 В — при непосредственном включении, до 800 А (килоамперметры до 15 кА) и до 750 В (киловольтметры до 600 кВ) — при использовании измери­ тельных трансформаторов тока (со вторичным номинальным током 1 либо 5 А) и напряжения (со вторичным номинальным напряжением 100 В); ваттметры и варметры с номинальными током 5 А и напряже­ нием не более 380 В — при непосредственном включении и с номиналь­ ным током 1 либо 5 А, напряжением 100 В — при использовании измерительных трансформаторов тока и напряжения; частотомеры в цепях напряжений не выше 380 В с пределами по частоте 45...55 Гц либо 360...440 Гц; фазометры в цепях напряжений не выше 380 В и то­ ком 5 А с пределами косинуса угла — 0,5 емкостного и 1...0,5 — индук­ тивного. Выпускаются одно- и многопредельными, переносными и щи­ товыми, с одно- и двусторонними шкалами.

Классы точности устанавливаются по измеряемой величине и по записи времени. Погрешности механизмов, перемещающих диаграмму, должны определенным образом согласовываться с классом точности прибора, показатель которого соответствует его приведенной погреш­ ности по записи измеряемого процесса (основная погрешность по запи­ си времени выражается относительной погрешностью).

Если прибор многоканальный, то класс точности устанавливается раздельно по каждому из каналов. У самопишущих приборов со ско­ ростью движения диаграммной ленты 20 мм/ч и более допускается нормирование полной погрешности прибора по записи измеряемой ве­ личины [по ГОСТ 9999—79Е (СТ СЭВ 3172—81)]. Наиболее распро­ странены приборы классов 1,5; 2,5 и 4,0.

С в е т о л у ч е в ы е о с ц и л л о г р а ф ы , у которых сфоку­ сированный световой пучок управляется исследуемым сигналом, используются для визуального наблюдения преимущественно низко­ частотных электрических сигналов и их регистрации на фоточувствительном материале (черно-белая и цветная фотопленка, фотобумага).

Осциллограф состоит из привода, включающего в себя лентопротяж­ ный механизм, блока питания и управления, отметчика времени и бло­ ка осцйллографических гальванометров (который, в свою очередь, включает в себя измерительный механизм, оптическую систему с ис­ точником света и шкалу). В зависимости от конструкции подвижной системы различают петлевые и рамочные — магнитоэлектрические, а также ферродинамические ИМ.

Подвижная часть петлевого магнитоэлектрического осциллографического гальванометра выполнена в виде петли из проволоки либо тонкой металлической ленты (берилевая бронза, сплав меди и серебра). Концы петли подключены к зажимам, к которым подводится исследуе­ мый сигнал. Петля затянута пружиной и находится в поле постоянно­ го магнита. Подвижная часть характеризуется простой конструкцией,

они обладают более высокой чувствительностью к току; этому способ­ ствует также наличие общей для блока сильной магнитной системы (магнитная индукция составляет примерно 0,8 Тл), но вследствие зна­ чительной инерционности эти ИМ пригодны для исследования более низкочастотных процессов, чем петлевые. В последнее время рамочные ИМ почти полностью вытесняют петлевые.

Ферродинамические осциллографические гальванометры имеют две независимые обмотки: неподвижную, которая включается в исследуе­ мую цепь как токовая обмотка, и, включенную в цепь напряжения, подвижную. Такое включение их позволяет регистрировать кривые мгновенных значений мощности.

Принцип работы светолучевого электромеханического осциллогра­ фа объясняет рис. 8.21. Отраженный от зеркала 1, укрепленного на подвижной части ИМ осциллографического гальванометра, луч света проходит сквозь призму 2 и, раздвоившись, падает на фотопленку 3 и вращающийся многогранный зеркальный барабан 4. На продвигае­ мой лентопротяжным механизмом фотопленке записывается о с ц и л ­ л о г р а м м а — изменение исследуемого сигнала во времени. Ско­ рость вращения барабана выбирается таковой, чтобы время, в течение которого одна грань переместит луч по экрану 5, а вторая займет ис­ ходное положение, было кратным периоду исследуемого процесса. В этом случае изображение периодического сигнала на экране будет неподвижным.

Граничные значения скоростей перемещения носителя записи оп­ ределяются исходя из того, чтобы осциллограмма была легко различима на всех участках записанного процесса. Для точного измерения ин­ тервалов времени на осциллограмму наносят шкалу времени с помо­ щью одного из гальванометров и отметчика времени. Скорость переме­ щения можно изменять в широких пределах, что дает возможность со­ четать экономное расходование носителя при записи как медленно, так и быстро протекающих процессов и оптимальные условия для по­

ее излучение к характеристике спектральной чувствительности фото-

ленты) в последнее время находит применение ультрафиолетовая ре­ гистрация, которая позволяет получать пригодную для анализа ос­ циллограмму непосредственно в ходе эксперимента без затрат времени на фотохимическую обработку фотоленты в растворах проявителя и закрепителя. Источником света являются маломощные ртутные лам­ пы с высокой интенсивностью излучения (освещенность примерно 10® лк) в ближней к видимому свету коротковолновой части спектра и регистрации на фотобумаге, чувствительной к ультрафиолетовым лучам. Несмотря на свои достоинства, эти осциллографы не могут пол­ ностью заменить и вытеснить запись на традиционном материале с его обработкой в растворах вследствие меньшей контрастности изображе­ ния, пониженной устойчивости к видимому (особенно дневному) свету и особых требований к источникам питания ртутных ламп. Кроме того, если скорость перемещения фотоленты не превышает нескольких санти­ метров в секунду, то ртутные лампы дают слишком большую освещен­ ность пятна и линии записи кажутся размытыми, в то время как яр­ кость нити лампы накаливания можно регулировать.

Скорость ультрафиолетовой записи ограничена также светочувстви­ тельностью фотоматериала. Так, в настоящее время удовлетворитель­ ная регистрация процессов обеспечивается при. скорости перемеще­ ния луча по фотопленке до 1,5...2 км/с, что соответствует воспроизве­ дению процессов с частотным диапазоном до 10 кГц и амплитудой регистрации 25...30 мм.

В осциллографах с регистрацией на фотопленке, требующей хими­ ческой обработки, скорость записи ограничивается преимущественно динамическими характеристиками осциллографических гальванометров и наибольшей скоростью перемещения фотоленты лентопротяжным механизмом.

Современные осциллографы сочетают ультрафиолетовую и обычную записи. Уже разработаны и галогенные кварцевые лампы накалива­ ния, которые компактны, обладают большой световой отдачей и увели­ ченным сроком службы. В настоящее время обычная запись пока обес­ печивает наивысшие скорости записи.

Существующие осциллографы дают возможность одновременно ре­ гистрировать до 50 физических величин в частотном диапазоне от 0 до 10. ..15 кГц, изменять скорость движения фотоленты в пределах от до­ лей миллиметра до 10 миллиметров в секунду. Они широко применя­ ются в лабораторной практике и производственных условиях, качест­ венно выполняя поставленную задачу в том случае, если собственная частота осциллографического гальванометра значительно больше ча­ стоты исследуемого процесса (см. п. 8.1). Основным преимуществом светолучевых осциллографов является возможность их использования в полевых условиях, при отсутствии сетей электропитания, посколь­ ку их работоспособность обеспечивается даже гальваническими ба­ тареями небольшой емкости.

Г л а в а 9. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ УРАВНОВЕШИВАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

9.1. Измерительные мосты постоянного тока

Мостовой метод является основным, наиболее совершенным мето­ дом измерения параметров электрических цепей и составляет один из вариантов метода уравновешивающего преобразования. На постоян­ ном токе техническая реализация мостового метода осуществляется в виде измерительных мостов постоянного тока, которые предназна­ чены для измерений сопротивлений.

В настоящее время наибольшее распространение получили два варианта мостов, называемых в соответствии с ГОСТ 7165—78 «Мосты постоянного тока измерительные. Общие технические условия» со­ ответственно одинарными и двойными.

Простейшая схема одинарного моста представлена на рис. 9.1, а.

моста. К противоположным вершинам подключают источник питания ОВ, а к другим — нуль-индикатор, которые образуют соответственно

диагональ питания и индикаторную диагональ.

Разность напряжений между вершинами Л и В измерительного мос­ та равна нулю при условии, что

^1^3 = КпК^.

и нуль-индикатора.

Если одно из сопротивлений плеч моста является неизвестным, то его значение может быть определено через сопротивление остальных трех плеч, например,

Как видно из этого равенства, значение сопротивления Кх сравни­ вается со значением сопротивления # 4 в масштабе отношения Ко/К3- Плечи Кх и К4, смежные в мостовой схеме, называют плечами сравне­ ния (чаще всего это название применяют только к плечу # 4). Два дру­ гих смежных между собой плеча моста, сопротивления которых вхо­ дят в уравнение в виде отношения К3!Кз, называют плечами отно­ шения.

В широкодиапазонных одинарных мостах постоянного тока плечо сравнения изготовляют в виде многодекадного рычажного магазина сопротивления, используемого для плавного ручного уравновешива­ ния моста. Значение наименьшей ступени младшей декады обычно рав­ но 0,1; 0,01 или 0,001 Ом. Необходимое отношение К3/Кз устанавливает­ ся либо путем независимого изменения каждого из них, если они вы­ полнены, например, в виде штепсельных магазинов сопротивления (тогда обычно Кг и Кз могут иметь 10, 100, 1000 и 10 000 Ом), либо