 |
15. Измерение токов и напряжений аналоговыми и цифровыми измерительными приборами.
|
|
|
|
Помимо расширения пределов измерения приборов переменного тока, трансформаторы напряжения отделяют цепи низкого напряжения измерительных приборов от главных цепей высокого напряжения.
В целях электробезопасности один зажим вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора напряжения заземляются.
15. Измерение токов и напряжений аналоговыми и цифровыми измерительными приборами.
Напряжение и силу тока измеряют приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторы). По структурному построению приборы, измеряющие напряжение и силу тока, условно можно разделить на два основных типа:
· электромеханические;
· цифровые.
Электромеханические приборы:
По физическому принципу действия, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, электромеханические приборы относят к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины. Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой физической величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее обстоятельство позволяет производить измерение наиболее информативного параметра сигнала без методических ошибок. Электромеханические приборы строят по обобщенной структурной схеме, представленной на рис. 15. 1
Рис. 15. 1. Структурная схема электромеханического прибора
Измерительная схема электромеханического прибора содержит совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов электрической цепи прибора и осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х в электрическую величину х', на которую реагирует измерительный механизм. Механизм преобразует электрическую величину х' в механическое угловое или линейное перемещение а, значение которого отражается на шкале отсчетного устройства прибора, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x). Для этого необходимо чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно, определенное отклонение а. При этом параметры схемы и измерительного механизма не должны меняться при изменении внешних условий: температуры окружающей среды, частоты питающей сети и других факторов. Классификацию электромеханических приборов проводят на основании типа измерительного механизма. Наиболее распространены в практике радиотехнических измерений следующие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, электростатическая.
|
|
|
Магнитоэлектрическая система:
В данной системе измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнито- провода). Поле в зазоре, где находится рамка, сделано равномерным за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием протекающего тока I рамка вращается в магнитном поле, угол поворота а ограничивают специальной пружиной, поэтому передаточная функция (часто называемая уравнением шкалы) линейна:
где — удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W — удельный противодействующий момент, создаваемый специальной пружинкой.
Для расширения пределов измерения амперметров и вольтметров применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно измерительным механизмам в схемы этих приборов.
|
|
|
Таблица 15. 1: Электромеханические приборы
| Наименование системы, функциональная схема | Уравнение шкалы, применение | Частотный диапазон, потребление мощности, класс точности |
| 
где Ч'о = ВSor,
В - индукция в зазоре;
S - площадь рамки; о - число витков рамки;
W - удельный противодействующий момент, создаваемый пружинкой
Переносные, лабораторные, многопредельные амперметры, вольтметры постоянного тока
| Постоянный ток, класс точности 0, 05-0, 5; Рсоб*10".. 10“*Вт |
| 
где I1 = — i2dt;
rj-, J
L - индуктивность катушки Щитовые и лабораторные переносные низкочастотные амперметры, вольтметры
| F = 0... 5 кГц; класс точности 0, 5-2, 5, /»соб*1. -6 ВТ |
| 
где 0 - угол между токами;
М - коэффициент взаимной индуктивности катушек
Лабораторные приборы низкочастотные высокого класса точности
| F= 0... 5 кГц; класс точности 0, 1 - 0, 2; Р - = 1 Вт соо |
| 
где С - емкость между пластинами
Высокочастотные лабораторные и высоковольтные вольтметры
| F= 0... 30 МГц; класс точности 0, 5- 1, 5; Поб< 1 мВт |
Гальванометры:
Особую группу измерителей силы тока представляют высокочувствительные магнитоэлектрические приборы — нуль-индикаторы, называемые гальванометрами. Задача гальванометров показать наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны обладать большой чувствительностью. Гальванометры снабжают только условной шкалой. Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому при выпуске на производстве чувствительные гальванометры не градуируют в единицах измеряемой физической величины и им не присваивают классы точности (не нормируют по классам точности). В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки. Чувствительность гальванометров выражается в миллиметрах или делениях шкалы (например, Si» 109 мм/А). Такая высокая чувствительность достигается за счет особой конструкции прибора. Современные гальванометры позволяют измерять токи 1(Г5... 10“12 А) и напряжения до 10 4 В.
|
|
|
Электромагнитная система:
Принцип действия этой системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Ферромагнитный сердечник втягивается в катушку при любой полярности тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле так, чтобы поле усилилось. Следовательно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако он является низкочастотным, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки. Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока и на постоянном токе. Недостатки приборов — большое потребление энергии, невысокая точность, малая чувствительность и сильное влияние магнитных полей. Приборы электромагнитной системы применяют в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов составляет 1, 5 и 2, 3.
Электродинамическая система — измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвижную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой:
где Мвр — вращающий момент; /, — ток через неподвижную катушку; /2 — ток через подвижную катушку; 0 — фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М — коэффициент взаимной индуктивности катушек.
На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток выполняют вольтметры, амперметры, ваттметры. Достоинством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может составлять 0, 1... 0, 2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измерительных приборов переменного тока. Электродинамические приборы используют как образцовые лабораторные измерительные приборы.
|
|
|
Электростатические приборы — принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе с указателем, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Движение ограничивает пружинка. Электростатические приборы по принципу действия механизма являются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения.
Цифровые универсальные измерительные приборы (" мультиметры" ) и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока.
|
|
|
