- •Измерения электрических и магнитных величин Курс лекций
- •Введение. Основные термины и определения.
- •1. Общие сведения об электрических измерениях Определения и классификация средств измерений
- •1.2 Характеристики средств измерений
- •Структурные схемы средств измерений
- •Эталоны, образцовые и рабочие меры
- •Меры электрических величин
- •Меры эдс на основе нормальных элементов
- •Меры напряжения на основе кремниевых стабилитронов
- •Калибраторы напряжения и силы тока
- •Меры сопротивления, емкости, индуктивности
- •Классификация измерений
- •2. Погрешности измерений и обработка результатов измерений Основные понятия
- •Вероятностные оценки ряда наблюдений
- •Вероятностные оценки погрешности результата измерений на основании ряда наблюдений
- •Суммирование погрешностей
- •Динамическая погрешность
- •3. Измерения электрических величин аналоговыми приборами
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Принцип действия, основы теории и применения измерительных механизмов
- •3.3. Масштабные измерительные преобразователи
- •3.4. Измерение постоянных токов, напряжений и количества электричества
- •3.5. Измерение переменных токов и напряжений электромеханическими приборами без преобразователей рода тока
- •3.6. Измерение переменных токов и напряжений магнитоэлектрическими приборами с преобразователями рода тока
- •3.7. Измерение мощности, энергии, угла сдвига фаз и частоты
- •3.8. Измерение параметров электрических цепей
- •3.9. Анализ кривых переменного тока
- •3.10. Переходные процессы в электромеханических приборах
- •Масштабные измерительные преобразователи
- •Токовые шунты
- •Добавочные сопротивления
- •Делители напряжения
- •Измерительные усилители
- •Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения
- •Электромеханические измерительные преобразователи и приборы Принцип действия
- •Общие узлы и детали
- •Магнитоэлектрические измерительные преобразователи и приборы
- •Применение магнитоэлектрических приборов для измерений в цепях переменного тока
- •Электромагнитные измерительные преобразователи и приборы
- •Электростатические измерительные преобразователи и приборы
- •Электродинамические и ферродинамические измерительные преобразователи и приборы
- •Индукционные приборы
3.5. Измерение переменных токов и напряжений электромеханическими приборами без преобразователей рода тока
Общим для электромагнитных, электродинамических, ферродинамических и электростатических приборов является то, что все они могут быть использованы для измерения действующих значений переменных токов и напряжений (электростатические приборы – для измерений действующих значений только напряжении).
Однако ввиду различий в устройстве измерительных механизмов и измерительных схем каждая из указанных групп приборов отличается своими достоинствами и недостатками, рабочим частотным и температурным диапазонами, чувствительностью к различного рода помехам и пр.
Знание свойств амперметров и вольтметров различных групп позволяет в зависимости от конкретных условий измерения правильно решить вопрос о выборе прибора.
Электромагнитные амперметры и вольтметры. В амперметрах катушка измерительного механизма включается последовательно в цепь измеряемого тока. На большие токи амперметры непосредственного включения обычно не делаются из–за сильного влияния на показания прибора магнитного поля токоподводящих проводов и значительного нагрева шины.
Щитовые амперметры выпускаются однопредельными; переносные – в ряде случаев на несколько пределов, обычно не больше чем на четыре. Изменение предела измерения производится путем секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно. Если, например, обмотку катушки разделить на две секции, то их последовательное или параллельное соединение дает возможность изменить пределы в отношении 1 : 2.
Расширение пределов измерения электромагнитных амперметров на переменном токе производится также при помощи измерительных трансформаторов тока.
Из дополнительных погрешностей электромагнитных амперметров отметим температурную, частотную и погрешность от гистерезиса. Температурная погрешность возникает вследствие зависимости упругости пружинок от температуры. С этой погрешностью приходится считаться только для приборов класса точности 0,2 и выше. Частотная погрешность возникает главным образом из–за вихревых токов в сердечнике и других металлических частях измерительного механизма, пронизываемых магнитным потоком катушки. Погрешность от гистерезиса проявляется только при измерениях в цепях постоянного тока. Ее уменьшают, применяя для сердечников материалы с малой коэрцитивной силой (например, пермаллой).
В электромагнитных вольтметрах катушка и добавочный резистор соединены последовательно. Для компенсации температурной погрешности отношение сопротивления добавочного резистора из манганина к сопротивлению катушки из меди не должно быть меньше некоторого значения, определяемого допускаемой температурной погрешностью. Поэтому в вольтметрах на малые пределы измерения уменьшают сопротивление катушки, т. е. уменьшают число ее витков.
Из этих же соображений у переносных вольтметров изменение пределов измерения в сторону малых значений производится не за счет изменения сопротивления добавочного резистора, а путем секционирования обмотки катушки и переключения секций с последовательной схемы на параллельную. Для больших пределов включаются разные добавочные резисторы. Для измерения напряжений свыше 600 В применяются измерительные трансформаторы напряжения.
Частотная погрешность у электромагнитных вольтметров больше, чем у амперметров. Это объясняется зависимостью реактивных сопротивлений катушки и добавочного резистора от частоты.
Электродинамические амперметры и вольтметры. У электродинамических амперметров для токов до 0,5 А неподвижные и подвижные катушки соединяются последовательно. Для такой схемы I1 = I2 = I; cosψ = 1. Если противодействующий момент создается упругими элементами, то на основании (3.15)
Если бы , то шкала прибора была бы квадратичной. Однако в применяемых конструкциях множитель уменьшается с увеличением α, что приближает шкалу к равномерной начиная примерно с 25% ее длины.
При последовательном включении катушек компенсации частотной и температурной погрешностей не требуется, так как изменения частоты (до 2000–3000 Гц) и температуры оказывают незначительное влияние на показания приборов.
В амперметрах на токи свыше 0,5 А подвижная и неподвижные Катушки включаются параллельно. В этом случае необходимо принимать специальные меры для компенсации частотной и температурной погрешностей, которые возникают в результате перераспределения токов в катушках при изменении частоты и температуры.
Для компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы температурные коэффициенты сопротивления параллельных ветвей были одинаковыми. В этом случае изменение температуры не вызовет перераспределения тока в ветвях. Условия компенсации достигаются путем соответствующего подбора добавочных резисторов ветвей из манганина и меди.
Компенсация погрешности от частоты будет осуществляться при равенстве постоянных времени цепей неподвижных и подвижной катушек. Для выполнения этого условия в соответствующие ветви схемы включают добавочные катушки индуктивности или конденсаторы.
Для схемы с параллельным включением катушек и при выполнении условий компенсации
Применяя те же рассуждения, что и при выводе формулы (3.37), получим выражение для угла отклонения подвижной части амперметра с параллельной схемой включения катушек:
Из сравнения формул (3.37) и (3.38) видно, что рассуждения о характере шкалы для амперметра с последовательным включением катушек применимы и для амперметров с параллельным их включением.
Электродинамические амперметры выпускаются чаще всего на два предела измерения. Изменение пределов производится путем включения неподвижных катушек последовательно и параллельно. Для расширения пределов измерения используются измерительные трансформаторы тока.
Имеются электродинамические амперметры со встроенным внутрь трансформатором тока. В качестве примера можно указать амперметр типа Д553 на 9 пределов измерения – от 0,1 до 50. А, экранированный, класса точности 0,2. Прибор имеет номинальную область частот от 45 до 65 Гц и расширенную от 90 до 500 Гц.
У электродинамических вольтметров неподвижные и подвижная катушки и добавочный резистор включаются последовательно.
Отношение сопротивления добавочного резистора из манганина к сопротивлению катушек из меди не должно быть меньше заданного значения, определяемого допускаемой температурной погрешностью. С уменьшением предела измерения значение сопротивления добавочного резистора будет уменьшаться, поэтому для того, чтобы сохранить неизменным указанное отношение, надо уменьшить и сопротивление катушек. Это потребует, при условии сохранения вращающего момента, увеличения номинального тока.
Частотная погрешность, возникающая вследствие изменения индуктивного сопротивления вольтметра с изменением частоты (изменение активного сопротивления до частот в несколько тысяч герц незначительно), может быть скомпенсирована при помощи шунтирования части добавочного резистора конденсатором.
Для электродинамического вольтметра I1 = I2 = U/Z, где U – измеряемое напряжение; Z – полное сопротивление цепи вольтметра.
При выполнении условий компенсации температурной и частотной погрешностей можно считать, что Z = const, и тогда, пользуясь рассуждениями, приведенными для электродинамических амперметров, можно написать
где с3 = 1/Z2.
Формула (3.39) аналогична выражениям (3.37) и (3.38) и, следовательно, все рассуждения, приведенные выше относительно характера шкалы электродинамических амперметров, применимы и к электродинамическим вольтметрам.
Электродинамические вольтметры выпускаются обычно на несколько пределов. В качестве примера электродинамических вольтметров можно указать прибор типа Д567. Прибор астатический, на растяжках, со световым отсчетом, класса точности 0,5, семипредельный – от 15 (класс точности 1,0) до 600 В, предназначен для измерений в цепях постоянного и переменного тока, номинальная облас ь частот 45–2500 Гц, расширенная область частот 2500–5000 Гц.
Основная область применения электродинамических амперметров и вольтметров – точные измерения в цепях переменного тока, чаще всего в диапазоне частот от 45 –50 Гц до нескольких сотен или тысяч герц. Их применяют также в качестве образцовых при поверке и градуировке других приборов, а иногда и для измерений в цепях постоянного тока.
Ферродинамические амперметры и вольтметры. Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют в принципе такие же схемы включения неподвижных и подвижных катушек, как и соответствующие электродинамические приборы. Некоторая разница может быть лишь в элементах схем, предназначенных для компенсации погрешностей. Так же как и у электродинамических приборов, угол отклонения подвижной части ферродинамических амперметров и вольтметров пропорционален соответственно квадрату измеряемого тока или напряжения.
Для амперметров квадратичная шкала является нежелательной. Обычно в процессе измерений нагрузка, а следовательно, и ток могут меняться в широких пределах, т. е. вся шкала является рабочей. Для улучшения характера шкалы рабочий воздушный зазор делается неравномерным. Это позволяет приблизить шкалу к равномерной.
Ферродинамические вольтметры применяются главным образом как стационарные приборы относительно малой точности. В большинстве случаев они измеряют номинальное напряжение сети и отклонение напряжения от номинального значения. Поэтому квадратичная шкала, сжатая в начале и растянутая в конце, для этих условий является даже предпочтительнее равномерной.
Ферродинамические приборы кроме температурной и частотной погрешностей имеют еще специфические погрешности, вызванные наличием сердечника. К ним относятся погрешности от нелинейности кривой намагничивания, от потерь в материале магнитопровода и от гистерезиса. Первые две погрешности для амперметров и вольтметров можно учесть при градуировке. Их компенсация посредством специальных схем требуется только для ваттметров (см. § 3.7).
Погрешность от гистерезиса проявляется только в том случае, если измерения или градуировка производятся в цепях постоянного тока. Для уменьшения этой погрешности магнитопроводы изготовляют из материалов с малой коэрцитивной силой.
Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют в ряде случаев несколько пределов измерения. Для расширения пределов измерения этих приборов применяются те же способы, что и для электродинамических приборов.
Примером служит вольтамперметр типа Д128 класса точности 1,0 на 8 пределов измерения (по току от 2,5 до 50 А, по напряжению от 30 до 450 В), на номинальную частоту 50 Гц, тряско- и вибропрочный.
Основная область применения ферродинамических амперметров и вольтметров – измерение в цепях переменного тока частотой 50 Гц в условиях механических воздействий (тряска, вибрации, удары) при классе точности приборов 1,5–2,5. Ферродинамические измерительные механизмы широко применяют также в самопишущих приборах.
Электростатические вольтметры. Схемы включения электростатических вольтметров обладают некоторыми особенностями. У вольтметров на малые пределы измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а следовательно, и сети при случайных ударах, тряске и т. п. Для исключения этой опасности внутрь вольтметра встраивается защитный резистор и прибор включается в сеть посредством зажимов 1 и 2 (рис. 3.27).
Рис. 3.27. Схема электростатического вольтметра на низкие напряжения
При повышении частоты до нескольких сотен килогерц защитный резистор во избежание дополнительной погрешности должен быть выключен, т. е. прибор включается через зажимы 1 и Э (экран). При измерениях в несимметричных цепях, особенно при повышенных частотах, заземляющий провод обязательно подключается к зажиму, соединенному с внутренним экраном прибора (зажимы Э или 2). При измерениях на высокой частоте длина соединительных проводов для уменьшения дополнительной погрешности должна быть возможно меньшей.
Расширение пределов измерений электростатических вольтметров на переменном токе может быть достигнуто при помощи включения добавочных конденсаторов (рис. 3.28, а) или емкостных делителей напряжения (рис. 3.28, б), а на постоянном токе – посредством омических делителей напряжения (рис. 3.28, в).
Для изображенной на рис. 3.28, а схемы можно написать
Собственная емкость вольтметра СV не остается постоянной, а изменяется в соответствии с поворотом подвижной части. Кроме того, эта формула дана в предположении, что конденсаторы являются идеальными. В действительности они обладают потерями, зависящими от частоты. Поэтому погрешности измерений при включении вольтметра через добавочный конденсатор существенно возрастают. Их можно значительно уменьшить, применяя для каждого добавочного конденсатора свою градуировку.
Рис. 3.28. Схемы расширения пределов измерения электростатических вольтметров
Для схемы с емкостным делителем напряжения (рис. 3.28, 6) имеем
Если выбрать емкости так, чтобы С2 >> СV, то отношение напряжений – измеряемого и на вольтметре – остается постоянным для всех значений измеряемого напряжения. В этом случае включение емкостного делителя напряжения не будет искажать шкалу вольтметра.
В настоящее время промышленность выпускает несколько типов электростатических вольтметров с широким диапазоном верхних пределов измерений (от 10 В до 300 кВ). Все эти приборы отличаются малыми частотными погрешностями, что позволяет применять их на частотах от 20 Гц до единиц и десятков мегагерц. Их с успехом применяют и на постоянном токе.
Вибрационный гальванометр. Рассмотрим вопрос измерения малых переменных токов и напряжений магнитоэлектрическими электромеханическими приборами без преобразователей переменного тока в постоянный. Примером является вибрационный гальванометр, который используется прежде всего в качестве нуль–индикатора в цепях переменного тока в диапазоне частот от нескольких десятков до нескольких сотен герц. Наибольшее применение имеют магнитоэлектрические вибрационные гальванометры с подвижным магнитом.
Устройство измерительного механизма такого прибора схематически показано на рис. 3.29. Здесь подвижный магнит 2 расположен между полюсами Ш–образкого электромагнита 8, обмотка 7 которого включена в цепь измеряемого переменною тока. Подвижный магнит укреплен на растяжках 3 и 1. Перпендикулярно полюсам электромагнита расположены еще два полюса 4 и 6, между выступающими частями которых помещен поворотный постоянный магнит 5. Поворотом этою магнита можно изменить значение магнитного потока между полюсами 4 и 6. Таким образом, в рассматриваемом приборе противодействующий момент создается растяжками и постоянным магнитом 5. При отсутствии тока в обмотке 7 подвижный магнит 2 устанавливается вдоль линий поля в зазоре. При наличии переменного тока в обмотке катушки подвижный магнит 2 стремится установиться вдоль результирующей двух полей – постоянного и переменного – и начинает колебаться. Вместе с магнитом 2 будет колебаться и зеркальце 9, закрепленное на растяжке и используемое для оптического указателя. Зеркальце освещается лампочкой, помещаемой внутрь прибора, а отражение от него в виде световой полоски попадает на прозрачную шкалу (рис. 3.30). При колебании подвижной части гальванометра световая полоса на шкале будет совершать поступательно–возвратное движение и благодаря способности наблюдателя сохранять некоторое время зрительное впечатление воспринятая глазом полоса будет казаться наблюдателю расширенной. Меняя посредством выведенной наружу ручки положение магнита 5 (рис. 3.29), можно настраивать вибрационный гальванометр на резонанс между частотой собственных колебаний подвижной части, зависящей от значения противодействующего момента, и частотой переменного тока в обмотке катушки. При резонансе ширина наблюдаемой полосы будет наибольшей. Обычно вибрационные гальванометры строят на частоты примерно 30–100 Гц с ценой деления, равной 10-7 – 10-6 А.
Рис. 3.29. Устройство измерительного механизма вибрационного гальванометра с подвижным магнитом
Рис. 3.30. Шкала вибрационного гальванометра