24. Контрольно измерительные приборы для регистрации электрических велечин: тока,напряжения, мощности. Способы подключения.

Ток.

Амперме́тр (см. ампер + …метр от μετρέω — измеряю) — прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений — с шунтом или через трансформатор. (Примером амперметра с трансформатором являются «токовые клещи»)

Общая характеристика

Наиболее распространены амперметры, в которых движущаяся часть прибора со стрелкой поворачивается на угол, пропорциональный величине измеряемого тока.

Амперметры бывают магнитоэлектрическими, электромагнитными, электродинамическими, тепловыми, индукционными, детекторными, термоэлектрическими и фотоэлектрическими.

Магнитоэлектрическими амперметрами измеряют силу постоянного тока; индукционными и детекторными — силу переменного тока; амперметры других систем измеряют силу любого тока. Самыми точными и чувствительными являются магнитоэлектрические и электродинамические амперметры.

Принцип действия

Принцип действия магнитоэлектрического прибора основан на создании крутящего момента, благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки. С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока.

Электродинамические амперметры состоят из неподвижной и подвижной катушек, соединённых параллельно или последовательно. Взаимодействия между токами, которые проходят через катушки, вызывает отклонения подвижной катушки и соединённой с нею стрелки. В электрическом контуре амперметр соединяется последовательно с нагрузкой, а при высоком напряжении или больших токах — через трансформатор.

Напряжение

Обобщенная структурная схема вольтметров прямого преобразования показана на рис. 7.1.

Измеряемое напряжение подается на входное устройство (ВУ), с выхода которого сигнал поступает на измерительный преобразователь (ИП) и далее на измерительное устройство (ИУ). В качестве входного устройства могут использоваться делители и трансформаторы напряжения. В качестве ИП применяются преобразователи переменного сигнала в постоянный, усилители, детекторы и др. В качестве измерительного устройства могут использоваться различные приборы на основе измерительных механизмов (чаще всего используется магнитоэлектрический прибор).

Электронные вольтметры.

Электронные вольтметры постоянного тока состоят из делителя входного напряжения, усилителя постоянного тока, и измерительного устройства, в качестве которого обычно используется магнитоэлектрических микроамперметр. Диапазон измерения составляет 100 мВ … 1000 В.

Электронные вольтметры переменного тока строятся по одной из структурных схем (рис. 7.2), различающихся типом ИП.

В вольтметрах (рис. 7.2, а) измеряемое переменное напряжениеUx преобразуется в постоянное, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока.

В вольтметрах, построенных по схеме рис. 7.2, б, измеряемое напряжение сначала усиливается усилителем переменного тока (УПер.Т), а затем выпрямляется с помощью детектора Д и измеряется ИУ. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ

Электронные вольтметры, выполненные по схеме рис. 7.2, имеют меньшую чувствительность, меньшую точность, но имеют более широкий частотный диапазон (от 10 Гц до 100 ...700 МГц). Нижний предел таких вольтметров ограничивается порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно 0,1 … 0,2 В.

Вольтметры, выполненные по схеме рис. 7.2, б, имеют более узкий частотный диапазон (до 50 МГц), который ограничивается усилителем переменного тока, но они более чувствительны. Усилители переменного тока позволяют получить значительно больший коэффициент усиления, чем с помощью УПТ. По данной схеме можно построить микровольтметры, у которых нижний предел Ux ограничивается собственными шумами усилителя.

Милливольтметры переменного тока в зависимости от устройства измеряют амплитудное, среднее и действующее значения переменного напряжения и строятся по схеме усилитель - выпрямитель. Шкала вольтметра градуируется, как правило, в действующих значениях для синусоидального напряжения, или в 1,11Uср для приборов, показания которых пропорциональны среднему значению напряжения, и в 0,707Um – для приборов, показания которых пропорциональны амплитудному значению.

Электронные вольтметры среднего значения служат для измерения относительно высоких напряжений. Такой вольтметр может быть выполнен по схеме рис. 7.2, б с использованием в качестве выпрямителя полупроводникового диодного моста. Показания вольтметра средних значений зависят от формы кривой измеряемого напряжения. Диапазон измерения составляет от 1 мВ до 300 В. Частотный диапазон измеряемого напряжения - от 10 Гц до 10МГц.

На рис. 7.3 показан пример схемы вольтметра переменного тока типа усилитель-выпрямитель. Данная схема представляет двухполупериодный ПСЗ с включением выпрямительных элементов в цепь обратной связи. Эта схема позволяет существенно снизить порог чувствительности в режиме измерения переменного напряжения при сохранении достаточно широкого частотного диапазона.

Электронные вольтметры действующего значения содержат преобразователь действующих значений. ПДЗ выполняется на элементах с квадратичной ВАХ. Для увеличения протяженности квадратичного участка ВАХ используются на преобразователи на диодных цепочках (см. рис. 6.9). Достоинством является независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Для расширения пределов используются емкостные делители напряжения. Диапазон измерения от 1 мВ до 1000 В. Частотный диапазон от 20 Гц до 50 МГц.

Другой метод измерения действующего значения переменного напряжения состоит в определении количества рассеиваемого тепла. Этот метод используется в термовольтметре, где входной ток течет по нити накала, нагревая ее. Выделенное тепло служит непосредственной мерой среднеквадратического значения тока.

Упрощенная функциональная схема вольтметра действующих значений с ПДЗ на термопреобразователях, включенных по способу взаимообратных преобразований показана на рис. 7.4.

В усилителе с обратной связью У1 измеряемое напряжение Ux преобразуется в ток Ix Этот усилитель должен иметь очень точный коэффициент передачи К такой, чтобы термоЭДС, возникающая термопреобразователе ТП1 была истинной мерой среднеквадратического значения измеряемого напряжения.

Второй термопреобразователь ТП2, по нагревателю которого протекает ток Ik, включен последовательно с ТП1. Выходные напряжения термопреобразователей имеют противоположную полярность, так что напряжение на входе усилителя постоянного тока У2 равно разности этих двух напряжений. Если коэффициент этого усилителя достаточно велик, то при сравнительно большом выходном напряжении Uвых разность напряжений двух термопреобразователей окажется равной нулю Е1 = Е2. Тогда

Uвых = IT∙R = α ∙IX ∙R = α ∙K∙UX ∙R. (7.1)

В этом выражении сопротивление R много больше сопротивления нагревателя термпреобразователя ТП2. Коэффициент α служит критерием согласованности термопреобразователей ТП1 и ТП2 (α ≈ 1). К – коэффициент передачи входного каскада: К = IX /UX .

Выражение (7.1) для Uвых показывает, что абсолютное значение параметров термопреобразователей ТП1 и ТП2 не имеют решающего значения; важно знать насколько хорошо они согласованы.

Примером построения вольтметра с использованием термопреобразователей является вольтметр В3-45. Погрешность данного вольтметра в рабочем диапазоне частот 40 Гц – 1 МГц не превышает 2,5%.

Термопреобразователи могут использоваться также и для построения амперметров.

Термопреобразователи могут быть заменены твердотельными интегральными схемами. Они состоят из дифференциального усилителя и пары резисторов. Оба резистора расположены очень близко к переходам база-эмиттер двух входных транзисторов дифференциального усилителя. По одному из резисторов течет ток IТ, в то время как по другому течет измеряемый ток высокой частоты IX. Любое неравенство температур резисторов вызовет появление напряжения смещения в дифференциальном усилителе. Если дифференциальная пара входных транзисторов входит в состав операционного усилителя У2, то Тп1 Тп2 и У2 (рис. 7.4) можно заменить одной интегральной схемой. Измеритель действующего значения будет хорошо работать на частотах значительно выше 100 МГц, так как паразитные импедансы гораздо меньше из-за малых размеров схемы.

Сочетание электронного усилителя с электростатическим вольтметром на выходе позволяет не использовать в схеме вольтметра действующих значений специального ПДЗ. Недостатками такого вольтметра являются: 1) неравномерность шкалы; 2) малая чувствительность и др.

Мощность

Ваттме́тр (ватт + др.-греч. μετρεω «измеряю») — измерительный прибор, предназначенный для определения мощности электрического тока или электромагнитного сигнала.

По назначению и диапазону частот ваттметры можно разделить на три категории — низкочастотные (и постоянного тока), радиочастотные и оптические. Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и её вывода оператору ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.

НЧ-ваттметры используются преимущественно в сетях электропитания промышленной частоты для измерения потребляемой мощности, могут быть однофазные и трехфазные. Отдельную подгруппу составляют варметры — измерители реактивной мощности. Цифровые приборы обычно совмещают возможность измерения активной и реактивной мощности.

Аналоговые НЧ-ваттметры электродинамической или ферродинамической системы имеют в измерительном механизме две катушки, одна из которых подключается последовательно нагрузке, другая параллельно. Взаимодействие магнитных полей катушек создает вращающий момент, отклоняющий стрелку прибора, пропорциональный произведению силы тока, напряжения и косинуса или синуса разности фаз (для измерения соответственно активной или реактивной мощности).

ПРИМЕРЫ: Ц301, Д8002, Д5071Цифровые НЧ-ваттметры имеют в качестве входных цепей два датчика — по току и по напряжению, подключаемые соответственно последовательно и параллельно нагрузке, датчики могут быть на основе измерительных трансформаторов, термисторов, термопар и другие. Информация с датчиков через АЦП передается на вычислительное устройство, в котором рассчитываются активная и реактивная мощность, далее итоговая информация выводится на цифровое табло и, при необходимости, на внешние устройства (для хранения, печати данных и т. д.). ПРИМЕРЫ: MI 2010А, СР3010, ЩВ02