ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
.pdf
Рис. 9. Схемы включения трансформаторов напряжения в трехфазных сетяхсиспользованиемдвух(а) итрех(б) однофазныхтрансформаторов.
Возможные схемы включения однофазных трансформаторов нормального исполнения в трехфазных сетях показаны на рис. 9.
В случае, представленном на рис. 9, а, применяются два однофазных трансформатора, у которых первичная обмотка имеет изолированные выводы. Эта схема называется схемой открытого треугольника. Такая схема очень удобна для измерения мощности и энергии. В этой схеме к каждому из трансформаторов может подключаться нагрузка вплоть до номинальной.
Схема позволяет получить и напряжение UAC = -(UAB + UBC) (приборы подключаются между точками а и с). Однако такое включение нагрузки не рекомендуется, так как создаются дополнительные погрешности за счет тока приборов, проходящего через обе вторичные обмотки.
При включении по схеме, представленной на рис. 9,б, могут применяться трансформаторы, у которых один из выводов первичной обмотки заземлен. Каждая из обмоток подключена к фазному напряжению, поэтому номинальное напряжение трансформатора должно равняться Uф/ 
3 . Вторичная нагрузка подключается по схеме звезды или треугольника. Номинальное напряжение вторичной обмотки равно 100/ 
3
17
Для контроля изоляции и питания защиты, срабатывающей при коротком замыкании на землю, трансформаторы имеют дополнительные обмотки, которые включаются по схеме разомкнутого треугольника. При симметричном режиме сумма ЭДС, наводимых в этих обмотках, равна нулю. Если один из проводов заземляется, то равновесие ЭДС нарушается и напряжение на концах разомкнутого треугольника подается на реле или сигнализацию.
Возможны два режима работы схемы, представленной на рис.9, б. Если нейтраль сети изолирована или заземлена через дугогасящую катушку, то заземление одной из фаз, например фазы С, не ведет к короткому замыканию. Установка может оставаться длительное время в работе. При этом напряжение на трансформаторе С падает до нуля, а напряжение на трансформаторах А я В увеличивается до линейного. В связи с этим индукция в сердечниках трансформаторов А и В увеличивается в 
3 раз. Во избежание увеличения нагрева сер-
дечников и резкого возрастания погрешности этих трансформаторов сердечники не должны насыщаться при таком увеличении индукции.
В установках с заземленной нейтралью заземление одной из фаз вызывает короткое замыкание. Релейная защита быстро отключает поврежденный участок. Напряжение на «здоровых» фазах при коротком замыкании не поднимается выше (1,2... 1,3)U ф.
Уменьшение габаритных размеров и снижение стоимости транс форматоров напряжения может быть достигнуто путем объединения
18
Рис. 10. Трансформатор постоянного тока
трех отдельных измерительных трансформаторов в один трехфазный трансформатор. Применяются трехстержневые и пятистержневые магнитопроводы.
Трехфазные трехстержневые трансформаторы делаются с изолированной нулевой точкой на стороне высокого напряжения. Это объясняется тем, что при работе в сетях с изолированной нейтралью возникает аварийный режим работы трансформатора при заземлении одной фазы сети, если нулевая точка в трансформаторе заземлена.
Измерительный трансформатор постоянного тока. Схема транс-
форматора постоянного тока приведена на рис. 10.
Две обмотки, питаемые переменным током, включены навстречу одна к другой. 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 обычно обладает большим полным сопротивлением для переменного тока, и поэтому прибор работает в режиме подавленной второй гармоники. Если подводимое переменное на-
пряжение U ниже величины, необходимой для насыщения, то при наличии постоянного тока I= в управляющей обмотке в течение одного полупериода насыщается один сердечник, а в течение следующего
19
полупериода — другой сердечник. Поэтому всегда один из сердечников остается ненасыщенным и к этому сердечнику можно применить правило ампер-витков, выраженное уравнением
Поскольку управляющий ток не меняется, то и выходной ток течение полупериода остается постоянным. В следующий полупериод, когда управление осуществляется вторым сердечником, о лишь меняет свое направление.
Следовательно, ток в обмотках представляет собой переменный ток с прямоугольной формой волны. Его амплитуда определяется величиной постоянного тока и коэффициентом трансформации (отношением числа витков обмоток). Мостовой выпрямитель позволяет измерять ток магнитоэлектрическим амперметром Погрешность измерения вместе с погрешностью самого прибор не превышает 1,5... 2 %. Точность может быть еще повышена применением стабилизированного источника переменного тока. Этот прибор экономичен, удобен для дистанционных измерений и дает возможность суммировать величины двух токов.
Контрольные вопросы
1.Каковы основные функции шунта?
2. Каковы основные функции добавочного резистора?
3.Привести основные характеристики измерительных трансформаторов?
4.Особенности работы измерительных трансформаторов?
5.Как соотносятся величины погрешностей измерительных преобразователей и подключаемых к ним средств измерений?
20
Лекция 8.
ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Широкое распространение измерения неэлектрических величии (температуры, угловых и линейных размеров, механических усилий и напряжений, деформаций, вибраций, химического состава и т.д.) электрическими методами обусловлено теми преимуществами, которыми они обладают по сравнению с другими методами. При этом создается возможность дистанционного измерения и контроля неэлектрических величин с одного места (пульта управления); измерения быстро изменяющихся неэлектрических величин; автоматизации управления производствен-
ным |
процессом. |
Обычно такие |
приборы состоят из датчика и измерительного устройства. |
В датчиках происходит преобразование неэлектрической величины в один из параметров электрической цепи (U, I, R и т.д.). Измерительное устройство - это один из электрических приборов, рассмотренных выше.
Не имея возможности остановиться на каждом преобразователе, ограничимся лишь их кратким перечислением:
1.Реостатные преобразователи. Работают на изменении сопро-
тивления реостата, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины.
2.Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Их работа основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.
3.Термопреобразователи (терморезисторы, термосопротивления). В них изменяется сопротивление датчика под воздействием температуры.
4.Индуктивные преобразователи. В них при изменении положения разъемных частей магнитопровода (например, под действием силы, давления, линейного перемещения) меняется индуктивность катушки.
5.Емкостные преобразователи. Могут быть использованы в качестве датчиков перемещения, влажности, химсостава воздуха и др.
6.Фотоэлектрические преобразователи. В них измерительный прибор реагирует на изменение освещенности, температура, перемещения и др.
7.Индукционные преобразователи. Работают на принципе преобра-
зования неэлектрической величины (например, скорости, ускорения) в индуктированную ЭДС.
8.Термоэлектрические преобразователи. Основаны на возникнове-
нии термо ЭДС и ее зависимости от температуры.
9.Пьезоэлектрические преобразователи. Работают на принципе возникновения ЭДС при воздействии усилий на кристаллы некоторых материалов.
Измерительные преобразователи.
Измерительными преобразователями (ИП) называются устройства, предназначенные для преобразования разного рода не электрических величин в электрические сигналы.
Основные параметры измерительных преобразователей.
Градуировочная характеристика ИП это зависимость между входной и выходной величинами.
Коэффициентом преобразования называется отношение сигнала на выходе измерительного преобразователя 
у, к изменению сигнала на входе 
х. (Определено ГОСТ 16263-70).
.
Диапазон преобразования это область изменения измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности преобразователя (абсолютная и относительная).
По назначению ИП делятся на преобразователи механических, тепловых, химических, магнитных, биологических и других физических величин.
По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические. Краткая классификация измерительных преобразователей по принципу действия.
Генераторные |
Параметрические |
Электромагнитные |
Индуктивные и магнитоупругие |
Тахогенераторы |
|
Тепловые |
Терморезисторы |
Термопары |
|
Оптические |
Фоторезистор, фотодиод, и.д. |
Фотоэлемент |
И т.д.
В качестве примера рассмотрим электромагнитные ИП, а именно тахогенераторы. Тахогенераторы применяются для измерения скорости вращения объекта. Используются в устройствах электропривода, в транспортных средствах, станкостроении и пр. Тахогенераторы бывают с подвижными и неподвижными катушками. Общее устройство показано на рисунке.
В соответствии с ГОСТ 18303-72 выходное напряжение тахогенераторов определяется как:
.
К - статический коэффициент тахогенератора.
2
Однако значение выходного напряжения должно быть скорректировано с учетом падения напряжения в цепи якоря и на щеточном контакте ТГ.
;
где Uщ - падение напряжения на щетках, Rя - сопротивление цепи якоря,
Rц - сопротивление измерительной цепи.
График, иллюстрирующий функцию 
(реальную и идеальную) показан ниже.
В тахогенераторах переменного тока, которые в лекциях не рассматриваются, выходная ЭДС равна:
;
где Ф - основной поток, p- число пар полюсов,
n- частота вращения машины.
Погрешность измерительных тахогенераторов составляет 0.2….0.5%
Оптические преобразователи.
Оптические преобразователи, как правило, построены на использовании явления фотоэффекта.
По физической сущности различают два типа фотоэффекта – внутренний и внешний.
Внутренний фотоэффект – явление, происходящее внутри кристаллической решетки твердого тела при воздействии светового потока. При этом происходит изменение энергетического состояния носителей зарядов, приводящее к их концентрации и перераспределению внутри кристалла. Этот тип фотоэффекта характерен только для полупроводников и диэлектриков.
Внешний фотоэффект состоит в эмиссии электронов под действием светового потока.
Рассмотрим основные характеристики фотоэлектрических преобразователей – световую, спектральную и вольтамперную. На рисунке представлены зависимости, характерные для фоторезистора (Фр), фототранзистора (Фт), фотодиода (Фд) и фотоэлемента (Фэ).
3
Iф - фототок, Фс - световой поток, S- чувствительность полупроводникового прибора, 
- длина волны падающего светового потока.
К измерительным преобразователям относятся также математические устройства. Например, устройство сложения и вычитания сигналов. Структурные схемы этих устройств показаны на рисунке.
D- датчик, УС - устройство сложения, УВ - устройство вычитания. Преобразователь реализует следующее уравнение:
.
Аппроксимирующий преобразователь.
Преобразователь заменяет нелинейную функцию изменения входного сигнала Uвх рядом линейных функций. Принцип действия и схема аппроксимирующего преобразователя показаны на рисунке.
В преобразователе используется свойство вольт-амперной характеристики стабилитрона. Если стабилитроны VD1…VD3 подобрать таким образом, чтобы их на-
4
пряжения пробоя соответствовали значениям соответственно U1…U3, тогда получится характеристика вход – выход показанная на рисунке.
Датчики не электрических величин.
Для электрических измерений не электрических величин применяются специальные датчики. Принцип их действия основан на различных физических явлениях. Основной квалификационной характеристикой является заложенный физический принцип измерения и построения датчиков.
Резистивные датчики – преобразуют измеряемую величину в омическое сопротивление. Наиболее часто такие датчики применяются для измерения перемещений, для измерения уровня жидкости и пр. На первом этапе измеряемая величина преобразуется в перемещение движка переменного резистора. Общий вид и рабочие характеристики резистивного датчика показаны на рисунке.
При этом R1+R2=R0.
Если обозначить Х - угловое или линейное перемещение движка тогда: 
. Резистивные преобразователи применяются в системах, где прилагаемое усилие 
10-2 Н. Величина перемещения 
2 мм. Частота питания 
5 Гц.
Тензодатчики – используют для исследования механических напряжений. Простейший тензодатчик представляет из себя пленку с наклеенной на нее проволокой очень маленького диаметра 0.02…0.03 мм. Ширина наклейки – а; Длина проволоки – l. Датчик крепится к исследуемой поверхности. При деформациях изменяется длина провода и, следовательно, его сопротивление. По этим изменениям судят о деформациях объекта. Рисунок датчика приведен ниже.
Пьезо резистивные преобразователи сил давления и деформации.
5
Устройство датчика следующее: между металлизированными обкладками находится пьезо чувствительный элемент. Если приложить силу к обкладкам, сопротивление элемента будет изменяться (на практике это изменения бывают в несколько раз). По изменению сопротивления судят о приложенной силе или деформации. Устройство датчика показано на рисунке.
Размеры датчика: высота <5мм, площадь до 10 см2. Статическое сопротивление Rстат=10…108 Ом.
Электромагнитные датчики перемещения и деформаций.
Принцип действия этих датчиков основан на взаимодействии магнитных потоков. О величине перемещения или деформации судят по изменению тока в катушке индуктора. Различные схемы электромагнитных датчиков приведены на рисунке.
На рисунке а показан датчик линейных перемещений. На рисунке б – угловых перемещений. Для повышения точности измерений применяют трансформаторную схему подключения (рис. в) и дифференциальную схему (рис. Г).
Магнитоупругие датчики – применяют для измерения больших сил (F=105…106 Н). Датчик устроен следующим образом: В диэлектрическом материале большой твердости залиты две взаимно перпендикулярные катушки. Если на первую катушку подать переменное напряжение, на второй катушке будет индуцироваться ЭДС равная нулю. В случае приложения к датчику силы, происходит деформация материала, вследствие чего изменяется пространственное положение катушек и на второй катушке появляется ЭДС отличная от нуля. Устройство датчика показано на рисунке.
6