рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Измерение электрических величин

Измерение электрических величин - раздел Спорт, Учебное пособие подготовлено старшим преподавателем отделения: Эксплуатации систем трубопроводного транспорта и автоматизации технологических процессов 2.2.1 Измерение Токов И Напряжений В Цепях Постоянного И Переменного Тока...

2.2.1 Измерение токов и напряжений в цепях постоянного и переменного тока

2.2.1.1 Общие сведения об измерительных механизмах и устройствах. Измерительный механизм имеет подвижную часть, на которую воздействуют механические силы, зависящие от измеряемой электрической величины.

Принцип действия измерительных механизмов основан на преобразовании электромагнитной энергии в механическую, воспринимаемую подвижной частью механизма. Механические силы и вращающий момент Мвр этих сил, действующих на подвижную часть механизма, возникают в результате взаимодействия магнитных или электрических полей, создаваемых током, напряжением, намагниченными или наэлектризованными телами.

Измерительные механизмы по принципу действия различают по следующим признакам:

- на магнитоэлектрические, в которых вращающий момент создается путем взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и контура (рамки) с током. Используются только для измерения постоянного тока;

 

- на ферродинамические, в которых вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого электромагнитом, и подвижного контура (рамки) с током;

- на электродинамические, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия двух контуров (рамок) с током, один из которых – подвижный;

- на электромагнитные, в которых вращающий момент создается в результате действия магнитного поля неподвижной катушки на ферромагнитное тело, являющимся подвижной частью механизма;

- на электростатические, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия двух или нескольких заряженных тел, одно из которых является подвижной частью механизма;

- на индукционные, в которых используются неподвижные контуры с переменным током, создающие переменные магнитные поля, индуктирующие токи в диске, являющимся подвижной частью механизма. Могут работать только на переменном токе и применяются только для измерения электрической энергии, т.е. в счетчиках переменного тока.

Ферродинамические, электродинамические, электромагнитные и электростатические измерительные механизмы применяются как на постоянном, так и на переменном токе. На переменном токе эти механизмы измеряют действующее значение.

 

Измерительные механизмы логометров. Логометрами называются приборы, измеряющие отношение двух токов или напряжений.

Измерительным механизмов логометра может служить любой из описанных ранее измерительных механизмов, если в нем противодействующий момент создавать не механически (пружиной или растяжкой), а таким же путем, как вращающий момент. Таким образом, в логометре должны иметь место два одинаково создаваемых момента, направленных навстречу друг к другу. В конструктивном отношении измерительные механизмы логометров характеризуются наличием двух подвижных катушек и отсутствием пружин.

Если катушки в измерительном механизме логометра являются подвижной частью механизма, то подвод тока к катушкам осуществляется через безмоментные токоподводы, выполненные из тонких, тщательно оттоженных серебряных или золотых лент.

Наибольшее распространение получили магнитоэлектрические логометры (рисунок 17). Их подвижная часть состоит из двух рамок Р1 и Р2, жестко закрепленных на оси 1.

При отсутствии токов в рамках подвижная часть может занимать любое положение, а стрелка находится на любом делении шкалы.

На каждый прибор наносят условные обозначения согласно нормативного документа. Условные обозначения должны соответствовать ГОСТ 23217 – 78 «Приборы электроизмерительные аналоговые с непосредственным отсчетом. Наносимые условные обозначения».

2.2.1.2 Измерение токов и напряжений. Основное требование, предъявляемое к любому измерительному прибору: любой измерительный прибор при его использовании не должен изменять параметры и режим работы объекта измерения.

2.2.1.3 Измерение постоянных токов и напряжений в большинстве случаев производятся магнитоэлектрическими амперметрами и вольтметрами.

Для этой цели применяются также электромагнитные, электродинамические,

 

ферродинамические и электростатические приборы, а также потенциометры постоянного тока и цифровые приборы.

 

Поле в воздушном зазоре неоднородно, так как сердечник и полюсные наконечники неконцентричны. Поэтому силы F1 и F2, а также моменты М1 и М2, создаваемые этими силами, при повороте подвижной части изменяются неодинаково Так как при  

1 – ось; Р1, Р2 – подвижные рамки; F1, F2 – силы, действующие на рамки

Рисунок 17 – Магнитоэлектрический логометр

 

 

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры. Измерительные механизмы магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются. В зависимости от назначения прибора (для измерения тока или напряжения) меняется его измерительная цепь.

В амперметрах измерительный механизм включается в цепь непосредственно (в разрыв цепи, рисунок 18а) или при помощи шунта, обычно встроенного в прибор, как показано на рисунке 18б.

Электрическое сопротивление шунта рассчитывают по формуле

где Iи – величина тока в измерительном механизме амперметра;

Rи – электрическое сопротивление измерительного механизма амперметра.

 

Рисунок 18 – Включение амперметра в электрическую цепь объекта измерения 1:

а – непосредственно; б – при помощи шунта.

 

Для исключения влияния амперметра на изменение параметров и режима работы объекта измерения должно быть выполнено условие

(18)

где RA – электрическое сопротивление амперметра.

Невыполнение условия (18) приведет к методической погрешности измерения, которую будет необходимо рассчитать и результат измерения исправить поправкой на указанную систематическую погрешность.

В вольтметрахизмерительный механизм включается в цепь непосредственно (рисунок 19а) или при помощи добавочного сопротивления, обычно встроенного в прибор, как показано на рисунке 19б.

 

Рисунок 19 – Включение вольтметра в электрическую цепь объекта измерения 1:

а – непосредственно; б – при помощи добавочного сопротивления.

 

Прибор подключается к тем точкам схемы объекта измерений, между которыми необходимо измерить напряжение.

Электрическое добавочное сопротивление рассчитывают по формуле

 

где Uи – величина напряжения постоянного тока, необходимое для полного отклонения подвижной части измерительного механизма вольтметра;

Rи – электрическое сопротивление измерительного механизма вольтметра.

Для исключения влияния вольтметра на изменение параметров и режима работы объекта измерения должно быть выполнено условие

(20)

где RV – электрическое сопротивление вольтметра.

Невыполнение условия (20) приведет к методической погрешности измерения, которую будет необходимо рассчитать и результат измерения исправить поправкой на указанную систематическую погрешность.

Магнитоэлектрические приборы принадлежат к наиболее точным приборам непосредственной оценки. Они выпускаются в качестве лабораторных приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5, а также как щитовые приборы классов 1,0 и 1.5.

Магнитоэлектрические лабораторные приборы чаще выпускаются универсальными и многопредельными.

2.2.1.4 Измерение переменных токов и напряжений. Действующие значения переменные токов и напряжений могут быть измерены непосредственно электромагнитными, электродинамическими, ферродинамическими и электростатическими измерительными механизмами.

Расширение пределов измерений перечисленных измерительных механизмов (кроме электростатических) по току осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока. Падения напряжений в этих механизмах в несколько раз больше, чем в магнитоэлектрических, поэтому шунты получились бы громоздкими и дорогими (рисунок 20а).

Расширение пределов измерения по напряжению может быть достигнуто как с помощью добавочных сопротивлений, так и путем использования измерительных трансформаторов напряжения. Последние главным образом применяются при необходимости изоляции прибора от сети высокого напряжения.

Расширение пределов измерения электростатических измерительных механизмов производится с помощью добавочных конденсаторов (рисунок 21а) или емкостных делителей (рисунок 21б), а на постоянном токе – с помощью делителей напряжения на сопротивлениях (рисунок 21в).

 

Рисунок 20 – Схемы включения измерительных трансформаторов тока (а) и напряжения (б)

 

Если выбрать , то отношение напряжений (измеряемого и на вольтметре) остается постоянным для всех значений измеряемого напряжения. В этом случае включение емкостного делителя напряжения не будет искажать щкалу вольтметра.

Рисунок 21 – Схемы расширения пределов измерения статических вольтметров

 

Электромагнитные приборы в основном применяют в качестве щитовых приборов класса 1,5, а также в качестве лабораторных многопредельных приборов класса 0,5.

Электродинамические амперметры и вольтметры являются наиболее точными приборами на переменном токе. Они выпускаются только в качестве лабораторных приборов классов 0,1; 0,2 и 0,5.

Электромагнитные, электродинамические и ферродинамические приборы обычно градуируются и поверяются либо на переменном токе промышленной частоты, либо на постоянном токе.

При измерении на повышенных частотах эти приборы имеют значительную погрешность (в основном за счет индуктивности катушек).

Электростатические вольтметры отличаются малыми частотными погрешностями, что позволяет применять их в частотном диапазоне от 20 Гц до единиц и десятков мегагерц. Промышленность выпускает несколько типов электростатических вольтметров с широким диапазоном верхних пределов измерения: от 10 В до 300 кВ.

2.2.1.5 Для измерения действующих значений переменных токов и напряжений применяют термоэлектрические приборы (рисунок 22).

Термоэлектрический прибор представляет собой магнитоэлектрический механизм Г (рисунок 22а) в сочетании с термопарой 1, служащей для измерения температуры t проволоки (термосопротивления) 2, через которую протекает измеряемый ток I.

Угол отклонения измерительного механизма α является функцией действующего значения переменного тока I

Если измеряемый ток мал, то мало и значение ТЭДС. В этом случае можно использовать батарею из нескольких термопар, горячие спаи которых должны быть изолированы от терморезисторов.

Рисунок 22 – Схемы цепей термоэлектрических приборов: а – с единичной термопарой; б – с батареей термопар; 1 – термопара; 2 – терморезистор, через который протекает ток

Терморезистор часто называют нагревателем, а сочетание нагревателя с термопарой – термопреобразователем.

Индуктивность терморезистора очень незначительна, поэтому основное применение термоэлектрические приборы получили для измерения токов высокой частоты (до десятков мегагерц).

2.2.1.6 Измерения средних и амплитудных значений переменного тока могут быть осуществлены путем использования магнитоэлектрического механизма в сочетании с полупроводниковыми или вакуумными диодами, а также с вакуумными триодами.

Приборы с полупроводниковыми диодами называются выпрямительными. Они измеряют средние значения переменного тока.

В зависимости от схемы включения диодов и измерительного механизма производится однополупериодное либо двухполупериодное выпрямление. В схемах первого типа (рисунок 23а) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная - пропускается через диод VD2 и резистор R. Цепь VD2 - R используется для выравнивания сопротивления выпрямительной схемы в обе половины периода.

В схемах второго типа выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода, поэтому чувствительность этих схем выше, чем у однополупериодных (рисунок 23б).

В мостовых схемах включения на каждый диод приходится меньшее напряжение, чем в однополупериодном, что снижает чувствительность схемы. Поэтому для измерения малых напряжений применяют однополупериодную схему выпрямления.

Иногда в мостовых схемах двухполупериодного выпрямления используют лишь два диода, а остальные заменяют резисторами. Таким образом уменьшают температурную погрешность схемы, но при этом снижается чувствительность схемы.

 

Рисунок 23 – Схемы включения измерительного механизма и диодов при однополупериодном (а) и двухполупериодном (б) выпрямлении

 

 

Сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма, схемы выпрямления с шунтами или добавочными резисторами образует выпрямительные амперметры или вольтметры.

Схемы выпрямительных вольтметров приведены на рисунке 24.

Рисунок 24 – Схемы выпрямительных милливольтметров (а) и вольтметров (б)

 

Схема рисунка 24а применяется в вольтметрах с небольшими пределами измерения. Уменьшение эквивалентного сопротивления выпрямляющего моста при увеличении температуры окружающей среды компенсируется увеличением сопротивления добавочного сопротивления, выполненного частично из меди. В вольтметрах для больших напряжений (рисунок 24б) сильнее сказывается уменьшение коэффициента выпрямления диодов с

повышением температуры окружающей среды, и по этой причине применяется шунт к выпрямляющему мосту. Шунт частично выполнен из меди. Уменьшение частотной погрешности достигается включением конденсатора С (рисунок 24а) или катушки индуктивности L (рисунок 24б). С повышением частоты шунтирующее действие емкости диодов увеличивается и показание прибора за счет снижения общего коэффициента выпрямления уменьшаются. Благодаря емкости С, шунтирующей в схеме рисунка 24а часть Rд, при повышении частоты общий ток вольтметра возрастает, что компенсирует уменьшение выпрямленного тока. В схеме рисунка 24б при повышении частоты уменьшается доля тока, отвлетвляющаяся в шунт, содержащей катушку индуктивности L, что также приводит к компенсации частотной погрешности.

Выпрямительные миллиамперметры на малые пределы измерения могут изготовляться для непосредственного включения без шунта. Амперметры имеют шунты, которые необходимы для расширения пределов измерения и для компенсации погрешностей от изменения частоты и температуры.

Схемы выпрямительных амперметров на малый и большой токи приведены на рисунке 25.

 

Рисунок 25 – Схемы выпрямительных амперметров на малый а и на большой б токи

 

Компенсация погрешности от изменения температуры и частоты у выпрямительных амперметров производятся по тому же принципу, что и вольтметров.

Выпрямительные приборы в большинстве случаев выпускаются комбинированными, т.е. путем переключений в схеме с помощью переключателей одним и тем же прибором можно измерять как постоянные, так и переменные напряжения и токи, а также измерять сопротивления по схеме омметра.

Выпрямительные приборы могут быть использованы для измерения постоянных и переменных токов до 20 А и напряжения до 1000 В. Они удовлетворяют требованиям лишь приборов класса 1,5. Они потребляют столько мощности, сколько и магнитоэлектрические приборы (3 мВт/В и 75 мВт/А). Частотный диапазон не превышает, как правило, 5000 Гц.

Приборы с вакуумными диодами и триодами называются ламповыми. Они измеряют амплитудные и средние значения переменного тока.

2.2.1.7 Измерение токов и напряжений аналоговыми электронными вольтметрами. В электронных устройствах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электронный преобразователь обычно полупроводниковый, а измерительный механизм - магнитоэлектрический.

Электронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

Электронные вольтметры постоянного тока выполняют по схеме рисунка 26а.

Измеряемое напряжение Ux подается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока и далее на измерительный механизм. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют и усиливают напряжение до значений, необходимых до нормальной работы измерительного механизма.

 

 

Рисунок 26 – Структурные схемы электронных вольтметров

а – постоянного тока; б, в – переменного тока

 

 

Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокоомного сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма.

Входное сопротивление электронного вольтметра составляет, как правило, несколько десятков мегаом. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения.

Диапазон измеряемых напряжений постоянного тока – от десятков милливольт до нескольких киловольт. Для измерения малых напряжений используются милливольтметры с преобразованием постоянного тока в переменный ток. В таких приборах усиление измеряемого сигнала производится на переменном токе, что позволяет достичь больших значений коэффициента усиления и снизить порог чувствительности до нескольких милливольт. Рабочий диапазон электронных вольтметров постоянного тока составляет от 1∙10-8 до 1 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам рисунков 26б и 26в. На схеме рисунка 26б, измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное детектором, а затем усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и воздействует на измерительный механизм.

На схеме рисунка 26в усиление производится на переменном токе и затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и воздействует на измерительный механизм. Эти две схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками.

 

По схеме рисунка 26б могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном от 10 Гц до 1000 МГц, но они не могут измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта: детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения.

По схеме рисунка 26в могут строиться вольтметры, нижний предел измерения которых составляет единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно большим.

Электронные вольтметры обладают рядом ценных качеств. Они имеют большое входное сопротивление, поэтому потребляют малую мощность от цепи измерения. Диапазон их рабочих частот может составлять от нуля до сотен мегагерц. Значения измеряемых напряжений находятся в интервале от нескольких микровольт до киловольт.

К отрицательным характеристикам электронных вольтметров относятся: невысокая точность, обусловленная недостаточной стабильностью электронных элементов (диодов, транзисторов и т.п.).

2.2.1.8 Измерение токов и напряжений цифровыми измерительными приборами (ЦИП) – это приборы, которые в процессе измерения автоматически осуществляют преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную величину с последующей индикацией результата измерения на цифровом отсчетном устройстве или регистрации его при помощи цифропечатающего устройства.

Функциональные схемы цифровых измерительных устройств показаны на рисунке 27. Аналоговая величина сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем ВАП к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощи аналого – цифрового преобразователя АЦП производится ее дискретизация и кодирование. Цифровое отсчетное устройство ЦОУ преобразовывает кодированную информацию измеряемой величины в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором.

По сравнению с аналоговыми цифровые приборы имеет такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение измерительной информации в удобной для считывания оператором форме и ввода в ЭВМ, автоматического введения поправок для уменьшения систематической погрешности, автоматической калибровки, автоматизации процесса измерений.

Основой ЦИП является АЦП, который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации.

Дискретизация – это процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Непрерывная величина Х(t) заменяется последовательностью отсчетов Х(tк), соответствующих некоторым моментам времени tк. Как правило, промежутки времени между двумя последовательными отсчетами одинаковы. В этом случае говорят, что шаг дискретизации ∆t постоянен.

Квантованиезаключается в замене непрерывных значений величины Х(t) конечным набором ее дискретных значений Хn. Каждое из этих значений совпадает с одним из

установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования.

 

Непрерывные значения величины заменяются значениями уровней квантования в соответствии с некоторым правилом.

Например, вместо непрерывных значений величине приписываются значения ближайших уровней.

 

ВАП - входной аналоговый преобразователь; АЦП - аналого – цифровоой преобразователь; ЦОУ - цифровое отсчетное устройство; ГСИ - генератор счетных импульсов; ВС - временной селектор; БФ - блок формирования.

Рисунок 27 – Схемы цифровых измерительных приборов: а – функциональная схема прибора; б – упрощенная схема АЦП с времяимпульсным преобразованием; в – структурная схема преобразователя «временной интервал – код»

 

Кодированием называется процесс представления численного значения величины, определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство и формирующие показания ЦИП, используется устройство, называемое дешифратором.

Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей ЦИП. Замена непрерывной величины рядом ее значений, считанных в определенные моменты времени, ведет к потере информации о поведении этой величины в

промежутках времени между отсчетами. Однако число уровней квантования также является причиной погрешностей ЦИП.

Аналогоцифровые преобразователи АЦП представляют собой измерительные преобразователи, предназначенные для автоматического преобразования измеряемой аналоговой величины в дискретную величину, представленную в виде цифрового кода.

В соответствии с методом построения все АЦП подразделяются на три группы:

- с времяимпульсным преобразованием;

- с частотно импульсным преобразованием;

- поразрядного уравновешивания.

АЦП с времяимпульсным преобразованием (рассмотрен в качестве примера). В основу времяимпульсного метода положено преобразование измеряемой величины в интервал времени, заполняемый затем импульсами со стабильной частотой повторения (счетными импульсами). АЦП, использующие этот метод, применяются для преобразования временного интервала, напряжения, частоты, разности фаз и других величин в код.

Упрощенная схема АЦП представлена на рисунке 27б. В схему входят два преобразователя: первый преобразовывают входную величину Х в интервал времени ∆t, второй - интервал времени ∆t в последовательность импульсов (цифровой код) N.

Если структура первого преобразователя может быть различной в зависимости от вида входной величины Х , то структура преобразователя «временной интервал – код» одинакова для всех АЦП (рисунок 27в). Временной интервал задается двумя короткими импульсами: опорным (в момент времени t1) и интервальным ( в момент времени t2).

Эти импульсы поступают в блок формирования БФ, вырабатывающий прямоугольные импульсы uпр длительностью . Указанный прямоугольный импульс подается на вход 1 временного селектора ВС. На вход 2 временного селектора от генератора счетных импульсов ГСИ непрерывно поступает последовательность счетных импульсов uсч со строго определенной частотой следования fсч. Счетные импульсы могут проходить через ВС на выход только тогда, когда ВС открыт прямоугольными импульсами uпр, т.е. в течение временного интервала ∆tх.

Поскольку период следования счетных импульсов выбрано намного меньше, чем ∆t, то можно утверждать, что число счетных импульсов N, прошедших через ВС, выражается формулой

2.2.2 Измерение электрического сопротивления и электрической емкости

 

2.2.2.1 Измерение электрических сопротивлений. Для точных измерений (с погрешностью менее 1 %) используют мосты, потенциометры и цифровые приборы. Для более грубых измерений применяют электромеханические приборы. При этом используют или приборы, градуированные в единицах измеряемой величины, или несколько

приборов, по показаниям которых можно рассчитать измеряемую величину (косвенный вид измерений).

Омметры. Если на схемах рисунка 28, использовать магнитоэлектрический измерительный механизм, то при соблюдении условия показания будут определяться значением измеряемого сопротивления Rx. В этом случае шкала может быть отградуирована в единицах сопротивления.

Рисунок 28 – Последовательная (а) и параллельная (б) схемы омметров; в – схема включения логометра в омметре

 

Шкалы в обеих схемах неравномерны. В последовательной схеме включения нуль шкалы совмещен с максимальным углом поворота подвижной части измерительного механизма. Омметры с последовательной схемой включения более пригодны для измерения больших значений сопротивления, а с параллельной схемой – малых. Обычно омметры выполняют в виде переносных приборов класса точности 1,5 и 2,5. В качестве источника питания применяют сухую батарею электропитания.

Необходимость установки нуля при падении напряжения батареи электропитания является крупным недостатком рассмотренных омметров. Этого недостатка нет у омметров с магнитоэлектрическим логометром. На рисунке 28в показана схема включения логометра в омметре. В этой схеме 1 и 2 – рамки логометра, обладающие сопротивлением R1 и R2; Rн и Rд – добавочные резисторы, постоянно включенные в схему.

Конструктивно омметры с логометрами выполняют весьма разнообразно в зависимости от требуемого предела измерения, назначения (щитовой или переносной прибор).

Измерение сопротивлений методом вольтметра (рисунок 29а) и амперметра (рисунок 29б). Достоинство этих схем – по резистору с измеряемым сопротивлением можно пропускать такой же ток, как и в условиях его работы, что очень важно при измерениях сопротивлений, значения которых зависят от тока.

 

 

Рисунок 29 – Измерение электрического сопротивления вольтметром и амперметром

 

Действительное значение сопротивления Rх для схемы рисунка 29а

Действительное значение сопротивления Rх для схемы рисунка 29б

Относительная погрешность δ (в процентах) для схемы рисунка 29а

Пользоваться схемой рисунка 29а следует в тех случаях, когда сопротивлении вольтметра RV велико по сравнению с измеряемым сопротивлением Rх. Схему целесообразно применять для измерения малых сопротивлений.

Пользоваться схемой рисунка 29б следует в тех случаях, когда сопротивление амперметра RА мало по сравнению с измеряемым сопротивлением Rх. Схему целесообразно применять для измерения больших сопротивлений.

 

2.2.2.2 Измерение электрической емкости фарадметром и с помощью баллистического гальванометра.

Фарадметр выполнен на логометре переменного тока, обычно электродинамическом (рисунок 30а).

Неподвижные катушки А, соединенные последовательно с конденсатором постоянной емкости С, подключаются к напряжению питания U сети переменного тока. В цепи

подвижных катушек 1 и 2 включены соответственно конденсатор Сх, емкость которого измеряется, и конденсатор С0. Сопротивления катушек логометра делаются настолько малыми по сравнению с сопротивлениями конденсаторов, чтобы ими было можно пренебречь, и считать, что и . Отклонение подвижной части логометра определяется отношением токов в обмотках подвижных катушек

т.е. каждому значению емкости Сх соответствует определенное положение подвижной части прибора, т.е. шкалу можно градуировать в единицах емкости. От напряжения питания показания фарадметра не зависят.

 

Рисунок 30 – Схема электродинамического фарадметра (а); схема измерения емкости конденсатора с помощью баллистического гальванометра (б)

 

Измерение емкости с помощью баллистического гальванометра. Этот метод основан на измерении баллистическим гальванометром количества электричества Q, накопленного конденсатором Сх, заряженным до напряжения U. Схема измерения показана на рисунке 30б. Поставив переключатель S в положение 1, заряжают конденсатор до напряжения U, измеряемого вольтметром V. Затем, переведя S в положение 2, разряжают конденсатор через баллистический гальванометр, отсчитывая первое максимальное отклонение α1m указателя гальванометра. Искомая емкость

где Сб – баллистическая постоянная гальванометра.

 

2.2.2.3 Измерение электрических величин методами сравнения с мерой. Сравнение измеряемой величины с мерой происходит при любом измерении. Однако в приборах непосредственной оценки мера измеряемой величины в процессе измерения не используется. В этом случае измеряемая величина преобразуется а другую (промежуточную), которая сравнивается с мерой промежуточной величины, а мера измеряемой величины используется при градуировки прибора.

В большой группе СИ реализуется метод сравнения измеряемой величины с мерой этой величины и измерения заключается в установлении равенства или определенного соотношения между значениями измеряемой величины и меры.

В приборах и устройствах сравнения может быть использована мера, однородная с измеряемой величиной или неоднородная. Например, при измерении индуктивности с помощью моста переменного тока в качестве меры можно использовать емкость конденсатора. В этих случаях определение значения измеряемой величины производится на основании известной математической зависимости измеряемой величины от меры, реализуемой в средстве измерения.

Все известные методы сравнения по характеру самой операции сравнения можно разделить на методы одновременного и разновременного сравнения.

Метод одновременного сравнения. Метод характеризуется одновременным участием измеряемой величины и меры в процессе измерения и объединяет следующие известные методы сравнения:

- нулевой метод;

- дифференциальный метод;

- метод совпадения.

На основе нулевого метода широко осуществляют на практике приборы сравнения в виде мостов и потенциометров (компенсаторов) постоянного и переменного тока с полным ручным или автоматическим уравновешиванием.

Дифференциальный метод может быть применен с использованием приборов непосредственной оценки или сравнения для измерения разности значений двух величин.

Метод совпадений может быть применен для определения значения измеряемой величины с использованием специальных средств или приборов общего назначения, например электроннолучевого осциллографа, при помощи которого можно измерить частоту сигнала.

Метод разновременного сравнения. Разновременное сравнение означает разновременное участие измеряемой величины и меры в процессе измерения. Измерение в этом случае распадается на два этапа и результат измерения определяется по двум измерениям:

с участием измеряемой величины на первом этапе и меры – на втором.

К разновременному сравнению относится метод замещения. На рисунке 31 в качестве примера показано измерение сопротивление резистора Rx методом замещения с использованием меры Rн. При разных положениях переключателя S по показанию амперметра А получим значения токов

и

Измеряемая величина определяется из соотношения

 

Рисунок 31 – Схема измерения электрического сопротивления методом замещения

 

 

2.2.3 Измерение активной мощности и энергии, коэффициента мощности

 

2.2.3.1 Измерение мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока. Из выражения для мощности на постоянном токе видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерение и снижающие его точность.

В цепях постоянного тока для измерения мощности применяют электродинамические ваттметры, а в цепях однофазного тока – электродинамические (в качестве лабораторных приборов классов 0,2 и 0,5), ферродинамические и индукционные ваттметры (в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5).

 

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения , т.е. от мощности.

2.2.3.2 Измерение активной энергии переменного тока проводится индукционными и электронными счетчиками.

По точности счетчики активной энергии делятся на классы 0,5; 1,0; 2,0 и 2,5. Счетчики реактивной энергии делятся на классы 1,5; 2,0 и 3,0.

Под действием внешних факторов у индукционного счетчика появляются дополнительные погрешности вследствие искажения формы токов и напряжений, колебания напряжения и частоты, резкого перепада мощности, потребляемой нагрузкой.

Лучшими метрологическими характеристиками обладают электронные счетчики электрической энергии (ЭС). В основу работы ЭС положено использование статического преобразователя мощности в постоянное напряжение. Цифровые счетчики идут на смену индукционным.

 

В зависимости от построения и используемых компонентов, счётчики измеряют: активную, реактивную и полную мощности; энергию, соответствующую указанным мощностям; параметры напряжения сети и тока нагрузки. Электронные счётчики обеспечивают высокую точность измерений в соответствии с международными (IEC) и межгосударственными (ГОСТ) стандартами и выполняют ряд дополнительных функций. В счётчиках используются современные достижения микроэлектроники и цифровые методы обработки сигналов.

Новые счётчики компактны, надёжны, обеспечивают более высокую точность измерений (классы точности 0,2 и 0,5 ) и, кроме того, обладают дополнительными функциями. Счётчики способны работать в широком диапазоне частот, начиная от 0 Гц, то есть не только в цепях переменного (разных частот), но и постоянного тока.

Основной составной частью счётчиков являются специальные (энергетические) измерительные интегральные микросхемы (измерительные ИС).

Полная (кажущаяся) мощность P, В∙А, развиваемая в нагрузке двухпроводной цепи переменного тока, равна

(20)

где Um и Im - амплитуды напряжения и тока, а и - их эффективные значения.

Полная мощность является геометрической суммой двух составляющих — активной Pa, Вт, и реактивной Pr, ВАР, мощностей, равных

(21)

(22)

где φ - фазовый сдвиг между напряжением и током.

Мощность Pa, развивается на активной части нагрузки, потребляющей энергию, а Pr - на реактивной (индуктивной или емкостной). При наличии реактивной мощности угол сдвига фаз может быть в пределах - 90° < φ < 90°, где отрицательные значения соответствуют емкостному характеру нагрузки, а положительные - индуктивному.

При перемножении функций напряжения и тока

получают функцию активной мощности

(23)

содержащую функции Pa (21) и переменную составляющую удвоенной частоты.

Подобно мгновенным напряжению u(t) и току i(t), мощность p(t) называют мгновенной, тогда как Pa является средней активной мощностью.

В соответствии с выражением (23), для определения Pa в измерительных ИС производят перемножение функций, представляемых в виде электрических сигналов датчиков, после чего производят низкочастотную фильтрацию, подавляющую переменную составляющую. Затем производят интегрирование и получают значение потребляемой энергии (в ватт-часах). Интегратором может служить внешне подключаемый к ИС электромеханический индикатор, содержащий шаговый двигатель. Двигатель питается импульсами с выхода ИС, частота следования которых пропорциональна Pa.

Для измерения реактивной мощности вводят дополнительный фазовый сдвиг 90° между функциями напряжения и тока. В остальном измерение реактивной мощности аналогично измерению активной: перемножают функции напряжения и тока (с указанным сдвигом 90°) и получают функцию реактивной мощности (её мгновенных значений) pr(t), аналогичную pa(t) (23); затем функцию pr(t) фильтруют и получают величину, пропорциональную Pr (22) - средней реактивной мощности.

Для трёхфазных нагрузок в четырёхпроводной сети (с нейтральным проводом) мощность определяется суммой её составляющих в трёх фазах - "A", "B", "C". Каждая из составляющих определяется при перемножении: uA(t)∙iA(t), uB(t)∙iB(t) и uC(t)∙iC(t). Для трёхфазной трёхпроводной сети (без нейтрального провода) мощность может быть определена как сумма двух составляющих в следующем сочетании напряжений и токов: uAC(t)∙iA(t) и uBC(t)∙iB(t), где uAC(t), uBC(t) - линейные напряжения, а iA(t) и iB(t) - фазные токи.

Электронные счетчики с частотным выходом и электромеханическим индикатором

В простейшем случае счётчики используются для измерения активной мощности и потребляемой электроэнергии, являющейся интегралом от активной мощности.

На рисунке 32 приведена схема такого счётчика, предназначенного для однофазной цепи (как части многофазной сети переменного тока).

В составе счётчика:

- датчики напряжения и тока, измеряющие напряжение сети и ток нагрузки;

- измерительная микросхема, в которой производится усиление и аналого-цифровое преобразование сигналов датчиков, их перемножение и фильтрация (в цифровом виде). Полученный сигнал, пропорциональный измеряемой мощности, преобразуется в выходной сигнал, удобный для использования;

- устройства, обеспечивающие интегрирование, дальнейшее преобразование, индикацию и передачу результатов измерений.

 

Знаками «+» и «-» показана фазировка входных цепей.

Рисунок 32 – Структурная схема счетчика электроэнергии с выходными преобразователями F1/F2 и CF

 

Простейшими датчиками напряжения и тока являются прецизионные резистивные датчики - делитель напряжения (Датчик U) и токовый шунт (Датчик I). Получается делитель - с высокоомным входом и низкоомным выходом.

Делитель включен между двумя проводами контролируемой цепи, а шунт — в цепь фазного провода (рисунок 32).

Указанное включение шунта снижает возможность несанкционированного потребления электроэнергии мимо счётчика. Включение датчиков имеет две особенности. Место включения шунта является причиной того, что общий провод счётчика подключен к фазному проводу. Соответственно, электрическая часть счётчика находится под высоким напряжением сети, и её располагают в корпусе, обеспечивающем изоляцию от внешней среды. Выходные цепи также изолированы.

Вторая особенность связана с подключением шунта — со стороны нагрузки, как показано на рис. 1, или со стороны сети по отношению к общему проводу счётчика.

В первом случае, датчик напряжения подключен к контролируемой цепи до датчика тока, и последний не учитывает его потребление.

Возможно подключение датчика тока со стороны сети (выше линии общего провода на рисунок 32). В этом случае потребление датчика напряжения будет учитываться, но потери мощности в шунте будут без учёта.

Это общий вопрос для любых измерителей мощности (ваттметров, индукционных

и электронных счётчиков и так далее). Выбор схемы включения зависит, в частности, от того, какой датчик сколько потребляет.

Обычно потребление датчиками, а также падение напряжения на датчике тока (порядка 2 мВ) незначительны, и поэтому можно встретить как одно, так и другое включение.

Для приведённых выше данных резистивных датчиков максимальная потребляемая ими мощность составляет 10 мВт (Датчик I) и 63,5 мВт (Датчик U).

При подключении датчиков следует также обращать внимание на фазировку их выходных сигналов. На рисунке 32 фазировка условно показана при помощи символов "+" и "–". Оба сигнала датчиков, имея одинаковую фазировку "–" (по отношению к фазному напряжению с "+"), после перемножения приводят к положительному значению функции Pa. Усилители, применённые на входе микросхемы, имеют дифференциальные входы, что обеспечивает возможность изменения фазировки входных сигналов усилителей.

Для того чтобы счётчик учитывал потребление своего вторичного источника питания, его следует подключать со стороны контролируемой счётчиком нагрузки.

Между датчиками и входами усилителей ИС включаются фильтрующие RC-цепи обеспечивающие низкочастотную фильтрацию, которая предшествует аналого-цифровому преобразованию в ИС. ИС имеют, как правило, два входа для сигналов обоих датчиков - UU и UI, причём входы дифференциальные.

Входными устройствами являются усилители с программируемыми коэффициентами усиления. Затем используются сигма-дельта, обеспечивающие, свойственное им, высокоточное аналого-цифровое преобразование сигналов.

Перемножение полученных цифровых сигналов и фильтрация продуктов перемножения осуществляются в цифровых устройствах - перемножителе "×" и ФНЧ (фильтре низкой частоты). Цифровая обработка обеспечивает высокую точность производимых вычислений.

Применение цифровой обработки — это одна из существенных особенностей современных счётчиков электроэнергии.

Измерительные ИС и, соответственно, счётчики можно подразделить на две группы - с частотным выходом и цифровым.

Приведённая на рисунке 32 схема счётчика относится к ИС первой группы и содержит два вида выходных преобразователей - "F1/F2" и "CF". Первый из них - это преобразователь "цифра-частота". Цифровой сигнал с выхода ФНЧ преобразуется в две последовательности импульсов, показанные на рисунке 33, - UF1 и UF2.

Нагрузкой является интегрирующий электромеханический индикатор ("Индикатор" на рисунке 32), содержащий шаговый двигатель и механическое табло, подобное используемым в счётчиках индукционного типа.

Импульсы - знакопеременные, показанные на рисунке 33, (UШД).

 

Рисунок 33 – Выходные импульсы F1/F2 (UF1, UF2), их разность (UШД), подаваемая на шаговый двигатель электромеханического индикатора, и импульсы CF (UCF)

 

Они определяются разностью последовательностей F1 и F2 микросхемы, к которой индикатор подключается двумя проводами. Выходной ток F1 (F2) в импульсе равен входному току F2 (F1) в паузе, то есть двухпроводный выход преобразователя "F1/F2" замыкается "на себя" через обмотку шагового двигателя. Индикатор интегрирует (накапливает) отсчёты мощности, которой пропорциональна частота следования импульсов, питающих двигатель. В результате, показания индикатора равны ватт-часов потребляемой электроэнергии. При этом счётчик обладает энергонезависимой памятью: при выключении питания показания индикатора не сбрасываются. Обмотки шагового двигателя и его выводы изолированы, а сам индикатор располагается вместе с измерительной ИС в общем корпусе.

Другим выходным преобразователем является "CF" (рисунок 32). Его импульсы, показанные на рисунке 33 (UCF), типа ЧИМ, положительной полярности и с более высокой частотой следования, чем у "F1/F2". Частота следования импульсов CF, как и F1/F2, пропорциональна не энергии, а мощности. Преобразователь "CF", в общем случае, может быть использован не только для формирования сигнала, пропорционального мощности, но также и для получения сигналов, отображающих форму и величину напряжения сети и тока в нагрузке. Импульсы CF являются выходным электрическим сигналом, предназначенным для дистанционной передачи данных и, в частности, для контроля ИС при дистанционной настройке (программировании). Сигнал CF поступает на выход счётчика через изолирующее оптронное устройство (ИОУ на рисунке 32).

Электронные счетчики с цифровым выходом и жидкокристаллическим индикатором

Вторая группа - это ИС с цифровым выходом и, кроме того, с дополнительными функциями, реализуемыми благодаря более широкому применению методов цифрового

преобразования. В указанных ИС используются выходные данные АЦП каналов измерения напряжения и тока, а также других цифровых устройств - перемножителя и ФНЧ, аналогичных имеющимся в ИС первой группы.

Кроме того, в ИС второй группы дополнительно производится вычисление энергии, причём в некоторых ИС не только активной, но и реактивной и полной. Измеряются эффективные значения напряжения сети и тока нагрузки, а также берутся отсчёты их мгновенных значений.

В ИС второй группы, в отличие от первой, содержатся:

- блок регистров, в котором осуществляются указанные вычислительные операции;

- последовательный интерфейс, обеспечивающий передачу измеряемых и вычисляемых данных, а также управление ИС, в частности, их программирование.

Наряду с цифровым выходом, в ИС второй группы так же, как и у ИС первой группы, есть частотный выход "CF".

В ИС второй группы определение энергии осуществляется посредством интегрирования при помощи накопительного (аккумулирующего) регистра.

Данные измеряемой энергии поступают обычно на жидкокристаллический индикатор (например, используемый совместно с микроконтроллером в составе счётчика).

В микроконтроллере производятся необходимые операции вычисления и преобразования, в том числе, при необходимости, интегрирование данных измеряемой мощности.

Микроконтроллер должен быть снабжён энергонезависимой, внутренней или внешней памятью.

Микроконтроллеры могут быть использованы для многотарифных расчётов, зависящих от времени суток и так далее. Выходные данные ИС могут поступать в центры учёта и обработки информации (например, в Оренбургэнерго).

Измерительные трансформаторы - датчики напряжения и тока

Выше рассмотрены простейшие резистивные датчики. Другой класс датчиков – трансформаторные датчики. Они сложнее резистивных, но обладают рядом преимуществ. Они более экономичны по потреблению от источника сигнала, а трансформаторы тока, кроме того, по сравнению с шунтами, работают при меньших падениях напряжения на входе. Сказанное обусловлено тем, что трансформаторы обладают свойством согласования цепей источника и нагрузки. Кроме того, они обеспечивают "негальваническую" магнитную связь между обмотками. Переключением выводов обмоток можно изменить фазировку сигнала датчика.

В качестве "Датчика U" используется понижающий трансформатор напряжения в режиме холостого хода. Благодаря указанному режиму, трансформатор теоретически не потребляет. В качестве "Датчика I" используются трансформаторные датчики двух типов:

- трансформатор тока, нагруженный на прецизионный резистор с малой величиной сопротивления (при пересчёте её в первичную обмотку). Трансформатор – повышающий

(по напряжению), резисторов обычно два - с выводом средней точки. Выходное напряжение, снимаемое с резистора (резисторов), пропорционально току первичной обмотки;

- дифференцирующий трансформатор "di/dt", используемый в режиме холостого хода. Выходное напряжение, являющееся ЭДС вторичной обмотки, пропорционально производной от тока первичной обмотки.

Применение трансформаторного датчика тока может сочетаться, например, с применением резистивного датчика напряжения. Возможны и другие сочетания датчиков напряжения и тока, в зависимости от технической или экономической целесообразности.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Учебное пособие подготовлено старшим преподавателем отделения: Эксплуатации систем трубопроводного транспорта и автоматизации технологических процессов

метрология и измерительная техника.. Для студентов специальности.. Автоматизация технологических процессов Квалификация степень бакалавр..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Измерение электрических величин

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Обеспечение единства измерений
1.4.1 Правовые основы обеспечения единства измерений   1.4.1.1 Нормативно – правовая база метрологии: - конституционная норма по вопросам метрологии;

Измерение магнитных величин
2.3.1 Средства измерений магнитных величин 2.3.1.1 Задачи магнитных измерений. Область электроизмерительной техники, которая занимается измерениями магнитных величин

Измерение неэлектрических величин
2.4.1 Структурные схемы измерительных преобразователей для измерения неэлектрических величин 2.4.1.1 Разновидностей электрических приборов для измерения неэлектрических величин значительно

Измерительные информационные системы
2.5.1 Информация. Форма существования информации в памяти ЭВМ 2.5.1.1 Информация. Термин «информация» происходит от латинского слова «informatio», что означает сведения, разъяснения

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги