Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по Метрологии - файл 4.DOC


Лекции по Метрологии
скачать (554.4 kb.)

Доступные файлы (7):

1.DOC1236kb.25.01.2005 18:13скачать
3.5.1.doc370kb.13.03.2004 11:14скачать
4.DOC918kb.25.01.2005 23:28скачать
6.DOC420kb.25.01.2005 18:11скачать
7.1.DOC759kb.25.01.2005 18:15скачать
7.5.doc597kb.25.01.2005 18:14скачать
Содержание.doc56kb.25.01.2005 17:53скачать

4.DOC

  1   2
4. Аналоговые измерительные приборы.

Принципы действия, свойства и применения
4.1. Общие характеристики
Аналоговые измерительные приборы, как правило, обеспечивают выполнение прямых измерений, отсчет результата измерений производится по шкале. Режим измерений, выполняемых аналоговыми средствами измерений - статический. Большинство аналоговых измерительных приборов - стрелочные с неподвижной шкалой и подвижной стрелкой, перемещение которой (поворот или линейное перемещение) относительно шкалы функционально взаимнооднозначно связано со значением измеряемой величины.

Другие разновидности аналоговых измерительных приборов:

- с неподвижной стрелкой или иным указателем и подвижной шкалой,

- с линейным индикатором в виде совмещенной со шкалой полосы, длина которой функционально взаимно однозначно связана со значением измеряемой величины (например, ртутный термометр).

Рассмотрим метрологическую структурную схему измерений, выполняемых стрелочным измерительным прибором, представленную на рис. 26.


По сравнению с метрологической структурной схемой рис. 8 здесь в составе погрешности применения отсутствует погрешность, вызванная пульсациями и помехами, которые наложены на измеряемую величину и однородны с ней. Это вызвано тем, что механизм, перемещающий стрелку относительно шкалы или, наоборот, шкалу относительно стрелки, обладает значительной инерционностью: время установления показаний прибора равно примерно 1 секунде. Поэтому высокочастотные пульсации и помехи, действующие на большинстве объектов, фильтруются почти полностью.

Примеры погрешностей и приведены выше в пп. 2.2, 3.1.2.

В стрелочном приборе измеряемая величина преобразуется в угол поворота стрелки (или в перемещение шкалы) с некоторой погрешностью . Обратное преобразование и совмещение со шкалой осуществляется за счет того, что отметки на шкале наносятся в соответствии с номинальной обратной функцией и оцифровываются в единицах измеряемой величины. Перенос размеров измеряемой величины на шкалу выполняется путем подачи на вход прибора образцовых значений от специального источника (калибратора), связанного с государственным эталоном через поверочную схему (см. п. 3.6.4). Эти действия также сопровождаются погрешностями, которые обозначены, как .

В конструкторских и нормативных документах на аналоговые измерительные приборы устанавливаются следующие метрологические характеристики:

- диапазон изменения измеряемой величины,

- предел допускаемой основной абсолютной инструментальной погрешности или (гораздо чаще) предел допускаемой основной приведенной инструментальной погрешности (п. 3.4),

- пределы допускаемых дополнительных погрешностей (п. 3.4), вызываемых отклонением каждой из влияющих величин от значений, соответствующих нормальным условиям,

- характеристики параметров, влияющих на погрешность , вызванную взаимодействием прибора с объектом измерений (см. п. 2.2); для вольтметров - это сопротивление или ток полного отклонения стрелки, для амперметров - это собственное сопротивление амперметра.

Нормы на указанные метрологические характеристики устанавливаются следующим образом.

Нормы на предел допускаемой основной абсолютной погрешности устанавливаются в единицах измеряемой величины числом, содержащим не более двух значащих цифр.

Нормы на предел допускаемой основной приведенной, в том числе, относительной погрешности устанавливаются числом, выраженным в процентах, из ряда чисел по ГОСТ 8.401, представленного в п. 3.5.5.

Нормы на предел допускаемой дополнительной погрешности устанавливаются, как на дополнение к пределу основной (абсолютной или приведенной) погрешности в следующих долях от предела основной погрешности:

- для дополнительной погрешности от температуры окружающей среды - на половину или на целый предел основной погрешности при отклонении температуры от нормального значения на каждые 10 град.,

- для остальных влияющих величин - на половину или на целый предел основной погрешности при отклонении каждой влияющей величины (п. 1.2) от нормального значения на весь диапазон изменения каждой влияющей величины в рабочих условиях применения прибора.

Нормы на параметры, влияющие на погрешность , устанавливаются указанием номинального значения и пределов допускаемых отклонений от этого значения.

Кроме записей в нормативной или сопроводительной документации некоторые характеристики и свойства аналоговых измерительных приборов указываются на их шкалах или корпусах в соответствии с ГОСТ 23217.

^ Обозначения системы прибора:



- прибор магнитоэлектрической системы,



- прибор магнитоэлектрической системы с выпрямителем,



- прибор электродинамической системы,



- прибор ферродинамической системы,





- прибор электромагнитной системы,

- прибор электростатической системы,



- прибор индукционной системы.
^ Обозначения классов точности прибора (см. п. 3.4)

- обозначение класса точности прибора, численно равное пределу до- пускаемой основной приведенной погрешности, которая определена при нормирующем значении (нормируется, если мульти- пликативная составляющая погрешности мала по сравнении с адди- тивной составляющей); в подобных случаях это означает, что абсо- лютная инструментальная погрешность исправного средства измере- ний в нормальных условиях эксплуатации не должна превышать зна- чения

,

где - численное обозначение класса точности средства измерения (СИ).

В приведенном примере .




- обозначение класса точности прибора, численно равное пределу до- пускаемой основной относительной погрешности которая определена при нормирующем значении (нормируется, если аддитивная составляющая погрешности мала по сравнении с мультипликативной составляющей); в подобных случаях это означает, что абсолютная инструментальная погрешность исправного средства измерений в нормальных условиях эксплуатации не должна превышать значения

,

где - численное обозначение класса точности средства измерения (СИ), х - результат измерения.

В приведенном примере .



- обозначение класса точности прибора, численно равное пределу до- пускаемой основной приведенной погрешности которая определена при нормирующем значении (нормируется, когда нулевое значение измеряемой величины находится либо внутри диа- пазона, либо вне его); в подобных случаях это означает, что абсо- лютная инструментальная погрешность исправного средства измере- ний в нормальных условиях эксплуатации не должна превышать зна- чения

,

где - численное обозначение класса точности средства измерения (СИ).

В приведенном примере .



- обозначение класса точности прибора (только аналогового омметра), численно равное пределу основной приведенной погрешности, которая определена, как выраженное в процентах отношение длины участка шкалы l [мм], соответствующего максимальной абсолютной погрешности, к общей длине шкалы L [мм] (см. п. 3.4).

Примеры практического применения последнего выражения нормы, которая устанавливается на основную погрешность аналогового омметра, приведены в лабораторном практикуме [11].
^ Обозначения вида тока (напряжения)

- постоянный ток (напряжение),

- переменный ток (напряжение),

- постоянный и переменный ток (напряжение),
^ Другие обозначения

- нормальное рабочее положение прибора вертикальное (на щите),

- нормальное рабочее положение прибора горизонтальное,

- испытательное напряжение прочности изоляции 500 В,

- испытательное напряжение, превышающее 500 В (здесь 2 кВ),

- прибор не подлежит испытанию прочности изоляции,

- перед использованием прибора внимательно изучить инструкцию

по его эксплуатации,

- зажим не изолирован от высокого напряжения,

- зажим соединен с корпусом, не заземляется,

- зажим соединен с корпусом, заземляется.


^ 4.2. Приборы магнитоэлектрической системы
Приборы магнитоэлектрической системы (или, иначе, магнитоэлектрические приборы) являются самыми распространенными стрелочными электроизмерительными приборами. Эти приборы обладают высокой чувствительностью и применяются не только, как самостоятельные приборы для измерения силы тока и напряжения, но и встраиваются в другие, более сложные приборы, снабженные измерительными преобразователями различного назначения, принципа действия и исполнения.



Принцип действия магнитоэлектрического прибора (в дальнейшем МЭ - прибора) основан на взаимодействии проводника с током и магнитного поля. На рис. 27 представлен схематический чертеж МЭ - прибора с примером возможных надписей на его шкале. Обозначение типа отечественных приборов содержит сведения о системе (‘М’ - магнитоэлектрический) и о заводе-изготовителе (первая цифра ‘1’ - завод “Вибратор”).

Магнитное поле создается постоянным магнитом, прошедшим стабилизацию. Между полюсами магнита расположен сердечник таким образом, чтобы воздушный зазор, в котором движется рамка с обмоткой, был равномерным. В обмотку рамки через пружинки или иные упругие элементы, например, растяжки, поступает ток I, и в результате его взаимодействия с постоянным магнитным полем возникает вращающий момент , где ^ B - индукция магнитного поля в зазоре, S - площадь обмотки рамки, w - число витков обмотки рамки. Вращающему моменту противодействует момент, создаваемый пружинкой или растяжкой, который в пределах упругих деформаций этих элементов линейно зависит от угла поворота рамки : , где W - жесткость пружинки (растяжки). В установившемся состоянии, когда ,



с такой точностью, которая обеспечивается стабильностью индукции магнитного поля в зазоре и жесткости пружинки (растяжки). Современные технологии изготовления и стабилизации магнитов и упругих элементов позволяют достигать значений основной приведенной погрешности МЭ - приборов вплоть до 0,1%.

Поскольку угол поворота рамки и, стало быть, стрелки линейно зависит от тока в рамке, шкалы автономно применяемых МЭ - приборов равномерные.

В переходном режиме, когда ток в рамке изменяется, движение рамки описывается дифференциальным уравнением второго порядка, как колебательной системы, имеющей инерционную массу и жесткость:

, (28)

где J - момент инерции подвижной части (рамки и стрелки), второе слагаемое есть момент сопротивления, пропорциональный скорости движения рамки. Этот момент для МЭ - приборов складывается из момента сопротивления воздуха и момента торможения, вызванного током, возбужденным перемещением обмотки рамки в магнитном поле (аналог рекуперативного торможения электрического двигателя). Указанное свойство МЭ - приборов используют для предохранения стрелки от повреждений при транспортировании путем закорачивания обмотки рамки. В этом случае ток, возбужденный в обмотке рамки при тряске и ударах, будет максимальным, следовательно, максимальным будет и торможение стрелки.

Предельно достижимые значения параметров МЭ - приборов:

- предел допускаемой основной приведенной погрешности - от 0,1%,

- ток полного отклонения стрелки от 10 мкА.

В силу таких высоких показателей МЭ - приборы имеют широкое применение. Примеры применений 1)  8) показаны на рис. 27 справа.

1) Использование в качестве амперметра со стандартными шунтами, падение напряжения на которых 10 мВ, 45 мВ, 75 мВ. Пределы измерения постоянного тока с помощью таких амперметров - от А (гальванометры) до 10 000 А (с шунтом). Основная приведенная погрешность от 0,2%.

2) Вольтметр постоянного тока с добавочным сопротивлением R. Высокая чувствительность МЭ - приборов позволяет достичь довольно высокого сопротивления подобных вольтметров. Так, при токе полного отклонения стрелки прибора 10 мкА сопротивление вольтметра на основе МЭ - прибора составит 100 000 Ом/В. При диапазоне измерений [0  10] В собственное сопротивление вольтметра составит 1.0 МОм. Такое высокое сопротивление вольтметра обеспечивает благоприятные условия взаимодействия с объектом ( см. п. 2.2).

Пределы измерений от до . Основная приведенная погрешность от 0,2%.

3) Амперметры для измерения действующего значения переменного тока в пределах от 0.005 А до 100 А (с трансформатором тока) в частотном диапазоне до Гц с погрешностью от 1%. Измеряемый ток поступает в термопреобразователь и нагревает проволоку, температура которой определяется выделяемой в ней активной мощностью этого тока, то есть действующим значением тока. До этой же температуры нагревается горячий спай термопары, и возникающий в ней ток измеряется МЭ - прибором.

4) Выпрямительный амперметр. Показанные на схеме диоды включены в противоположных направлениях для того, чтобы включение такого амперметра в исследуемую цепь не приводило к выпрямлению тока в этой цепи. Сопротивление R должно быть равно сопротивлению рамки прибора. Ток в цепи должен оставаться переменным.

Пределы измерений от до (с трансформатором тока). Основная приведенная погрешность от 1,5%.

5) Высокочувствительные электронные аналоговые амперметры и вольтметры постоянного тока и напряжения с усилителем. Используемые здесь усилители помимо повышения чувствительности обеспечивают благоприятные условия взаимодействия с объектом измерений (см. п. 2.2) за счет того, что входное сопротивление усилителя тока (для амперметра) может быть сделано пренебрежимо малым, а входное сопротивление усилителя напряжения (для вольтметра), напротив, - очень большим до Ом.

Пределы измерений силы тока от до 1.0 А, напряжения - от В до В. Основная приведенная погрешность от 1,5%.

6) Высокочувствительные электронные амперметры и вольтметры параметров переменного тока и напряжения. В этих приборах, как и в предыдущих, усилитель исполняет одинаковые функции. Кроме того здесь могут быть предусмотрены частотные фильтры, обеспечивающие частотный анализ измеряемого (исследуемого) сигнала.

Пределы измерений силы тока от до 1.0 А, напряжения - от до . Основная приведенная погрешность амперметров и вольтметров от 1,5%.

Недостаток выпрямительных амперметров и вольтметров переменного тока: угол отклонения стрелки МЭ-прибора пропорционален постоянной составляющей выпрямленного тока, но все такие приборы градуируются в действующих значениях тока и напряжения. Это означает, что объявленные характеристики инструментальной погрешности подобных приборов справедливы только для той формы кривой тока или напряжения, для которой выполнена градуировка, а именно, для синусоидальной. Погрешность, вызванная отличием формы кривой от синусоидальной, может составить величину до 11%, что соответствует максимальному значению коэффициента формы кривой.

7) Амплитудный электронный вольтметр. Показанная на рисунке входная цепь, состоящая из конденсатора и диода (схема фиксатора), при высоком входном сопротивлении усилителя обеспечивает выделение на диоде пульсирующего напряжения с постоянной составляющей, примерно равной двойной амплитуде измеряемого напряжения. Это происходит потому, что конденсатор, зарядившись до амплитудного значения напряжения в следующий полупериод запирает диод и тем самым поднимает входное напряжение на величину его амплитуды. Погрешность такого преобразования вызывается частичным разрядом конденсатора на входное сопротивление усилителя.
8) Аналоговый омметр. На схеме показаны:

- внутренний источник постоянного напряжения,

П - переключатель пределов измерения,

К - ключ, замыкание которого имитирует нулевое значение измеряемого сопротивления, при замкнутом ключе К с помощью переменного сопротивления устанавливается электрический ‘0’ шкалы омметра, которому соответствует ток полного отклонения стрелки МЭ - прибора.

После установки нуля ключ К размыкается, и выполняется измерение сопротивления . Очевидно, что при ток через МЭ - прибор не течет, стрелка не отклоняется, и отметка ‘’ оказывается на левой границе шкалы сопротивлений омметра.

Пределы измерения - от единиц Ом до сотен тысяч Ом. Основная приведенная погрешность - не лучше, чем 1,5% .

9) Магнитоэлектрический кулонометр. Чтобы на основе МЭ - прибора создать прибор для измерения заряда, следует уменьшить, по возможности, момент инерции подвижной части и противодействующий момент. Поэтому у кулонометров отсутствуют пружинки (растяжки), ток в обмотку рамки подается через безмоментные подводы, а подвижная часть максимально облегчена. Тогда в идеальном случае уравнение движения подвижной части кулонометра находится из выражения (28):

,

откуда, по определению тока, как скорости изменения заряда, получим

, ,

где - интервал времени, в течение которого измеряемый заряд проходил через обмотку рамки. Результат измерения отсчитывается по шкале прибора в кулонах, как разница двух положений стрелки в момент времени присоединения к объекту и в момент завершения разряда объекта через обмотку рамки. В связи с таким действием МЭ кулонометр снабжается устройством принудительной установки стрелки в некоторое начальное положение перед каждым измерением.

10) Магнитоэлектрический веберметр предназначен для измерения разности потокосцепления исследуемого постоянного магнитного поля с испытательной катушкой веберметра, площадь которой S и число витков известны. Он устроен и действует точно так же, как МЭ кулонометр.

Плоская катушка, присоединенная к зажимам веберметра, перемещается из одной в другую точку исследуемого магнитного поля. Пусть - магнитные потоки в двух точках поля, тогда и - потокосцепления в этих точках. ЭДС и соответственно, ток, индуцирующиеся в катушке при ее перемещении из точки к точке, вычисляются через производную от потокосцепления по времени. В частности, , где R - сопротивление цепи. Подставляя эти выражения в формулы, записанные выше для кулонометра, получим:

, .

Таким образом, для измерения разности между магнитными потоками (или потокосцеплениями) в двух точках магнитного поля необходимо установить стрелку веберметра в некоторое положение, затем присоединить к нему плоскую катушку с известной площадью и числом витков и переместить ее между этими точками магнитного поля. Стрелка веберметра переместится, и результатом измерения будет разность положений стрелки, отсчитанная в единицах магнитного потока.

Пределы измерений от 500 мкВб до мкВб. Основная приведенная погрешность от 1,5%.
^ 4.3. Приборы электродинамической системы
Принцип действия приборов электродинамической системы (в дальнейшем ЭД-приборов) и пример обозначений на шкале показаны на рис. 28.

Вращающий момент создается в результате взаимодействия токов, протекающих в подвижной и неподвижной катушках. Этот момент пропорционален произведению мгновенных значений токов:

.

Момент инерции подвижной части прибора (катушка и стрелка) достаточно велик, и поэтому она не успевает реагировать на быстрые изменения токов, то есть является простым механическим низкочастотным фильтром. Поскольку эти приборы, как правило, предназначены для измерения характеристик перио-



дических сигналов, то постоянная составляющая вращающего момента записывается в виде среднего значения

,

где T - период сигналов тока , - постоянный коэффициент.

На основе механизма электродинамической системы создаются амперметры, вольтметры и ваттметры (см. схемы а), б), в) рис. 28).

а) ЭД амперметр. Из схемы рис. 28 видно, что через обе катушки течет один и тот же ток, поэтому среднее значение вращающего момента пропорционально действующему значению измеряемого тока вне зависимости от формы кривой тока:

.

Из этой формулы следует, что ЭД амперметр позволяет измерять постоянный ток и действующее значение переменного тока, о чем говорит специальный знак на шкале. Вследствие значительной индуктивности катушек частотный диапазон ЭД амперметров ограничен сверху значением 5000 Гц. В связи с этим при наличии в кривой тока высокочастотных составляющих, которые превышают частотный диапазон прибора, все-таки появляется незначительная зависимость результатов измерений от формы кривой.

Предельные свойства ЭД амперметров.

- предел допускаемой основной приведенной погрешности - от 0,2% до 1,0%,

- диапазон измерений - от 0,005 А и выше, с трансформатором тока - до 6 000 А,

- диапазон частот - 0; 45  5000 Гц,

- собственное сопротивление не более нескольких Ом.

Шкала ЭД амперметра неравномерна. Конструктивными мерами путем подбора формы катушек ее стремятся сделать равномерной. На шкалах отечественных ЭД амперметров обычно нанесены жирные точки, за пределами которых объявленный класс точности не обеспечивается.

б) ЭД вольтметр. В силу отмеченных обстоятельств ЭД вольтметр используется для измерения постоянного и действующего значения переменного напряжения практически вне зависимости от формы кривой, если частоты высших гармоник кривой напряжения не выходят за пределы его частотного диапазона. Из-за большого потребляемого тока (3 мА) сопротивление ЭД вольтметра не может быть большим. Так, на пределе 30 В его сопротивление не может быть больше 10 000 Ом. Поэтому ЭД вольтметры применяются для измерений в мощных цепях, в которых шунтирующее действие их невысокого сопротивления не будет заметно сказываться на результатах измерений.

Предельные свойства ЭД вольтметров.

- предел допускаемой основной приведенной погрешности - от 0,2% до 1,0%,

- диапазон измерений - от 5 В до 600 В, с трансформатором - до В.

- диапазон частот - до 5000 Гц,

- собственное сопротивление - (100 - 2000) Ом.

Свойства шкал ЭД вольтметров такие же, как у шкал ЭД амперметров.

в) ЭД ваттметр. Предназначен для измерения мощности, выделяемой постоянным и переменным током в нагрузке. Ток нагрузки, который может достигать десятков ампер, проходит через неподвижную катушку, называемую последовательной цепью ваттметра. Через подвижную катушку (параллельную цепь ваттметра) пропускается ток, пропорциональный напряжению, подаваемому от источника. Для периодических сигналов с учетом сдвига фаз между током и напряжением выражение для среднего вращающего момента имеет вид:

,

где - действующие значения тока и напряжения, - постоянный коэффициент.

Из последнего выражения видно, что вращающий момент, и следовательно, угол отклонения стрелки электродинамического ваттметра прямо пропорционален активной мощности. Поэтому шкала электродинамического ваттметра линейна.

Зажимы ваттметра, помеченные звездочкой, как это показано на рис. 28 в), присоединятся к проводам, идущим от источника, и потому эти зажимы называются генераторными.

Предельные свойства электродинамических ваттметров.

- предел допускаемой основной приведенной погрешности от 0,05%,

- пределы измерения от единиц ватт до Вт (с трансформаторами тока и напряжения).

- диапазон частот - 45  2000 Гц.
^ 4.4. Приборы ферродинамической системы
Назначение, схемы включения и принцип действия - те же, что и у ЭД - приборов. Как видно из рис. 29, конструктивное различие заключается в том, что с целью усиления электромагнитного поля неподвижной катушки, она снабжена магнитопроводом из листовой наборной электротехнической стали. По аналогии с МЭ - приборами, магнитопровод снабжен наконечниками и - для уменьшения магнитного сопротивления - сердечником, так что для подвижной катушки обеспечивается равномерный воздушный зазор.

За счет указанных мероприятий вращающий момент ФД - приборов существенно увеличен, а вся магнитная система оказывается экранированной от действия внешних магнитных полей, которые могут возникать на энергоемких предприятиях, особенно в местах расположения приборных щитов. Поэтому чаще всего ФД - приборы применяются, как щитовые приборы для вертикального расположения. Из-за сравнительно большого вращающего момента ФД - приборы устойчивы к тряске и вибрациям и успешно применяются на железнодорожных, морских и воздушных транспортных средствах. Стрелка и шкала и иные индикаторы ФД - приборов обычно делаются хорошо видимыми с обычного расстояния от щита 1 - 2,5 м, за которым следит технолог, управляющий производственным процессом.



С другой стороны, наличие магнитопровода значительно увеличивает индуктивность неподвижной катушки, и поэтому частотный диапазон ФД - приборов существенно уже частотного диапазона ЭД - приборов.

Диапазоны измерений действующих значений тока, напряжения и активной мощности те же, что и у ЭД - приборов. Точность ФД - приборов ниже и не бывает лучше, чем 0,5%. Частотный диапазон 0 Гц, 45  500 Гц. Собственное сопротивление ФД вольтметров составляет (100  2000) Ом. Большое значение вращающего момента дает возможность использовать ФД механизм для построения самопишущих приборов. Для этого на стрелке устанавливается пишущий инструмент (перо, чернильница), и в прибор встраивается лентопротяжный механизм, перемещающий бумажную ленту - диаграмму.
^ 4.5. Приборы электромагнитной системы
Принцип действия приборов электромагнитной системы (в дальнейшем ЭМ - приборы) поясняется рис. 30, на котором приведены типичные надписи на шкале. Вращающий момент создается за счет того, что ток i(t), протекающий по катушке, выполненной, как соленоид со щелевидным отверстием, создает электромагнитное поле, которое втягивает внутрь катушки фигурную пластину, изготовленную из электротехнической стали. Этот момент пропорционален квадрату силы тока и содержит поэтому постоянную и переменную составляющие. Частота первой гармоники переменной составляющей равна удвоенной частоте первой гармоники измеряемой силы тока. В силу инерционности подвижной части переменная составляющая фильтруется, и средний вращающий момент равен

,

где T - период измеряемого тока, - постоянный коэффициент.

Как видно из этого выражения, ЭМ - приборы позволяют измерять действующее значение переменного тока, а также силу постоянного тока, о чем свидетельствует также соответствующий знак на шкале.



Из принципа действия ЭМ - приборов следует, что на его показания могут оказывать сильное воздействие внешние магнитные поля. Чтобы уменьшить их действие, в ЭМ - приборах предусматривается дифференциальная конструкция, как это показано на рис. 30. Компенсация действия внешнего поля происходит за счет того, что моменты, которые оно создает при воздействии на обе стороны подвижной части, действуют в противоположных направлениях, а моменты, создаваемые измеряемым током, действуют в одном направлении. Эта компенсация будет неполной, если внешнее поле неоднородно в объеме подвижного механизма прибора.

На рис. 30 показан ЭМ амперметр. ЭМ вольтметр получается присоединением к ЭМ амперметру последовательно добавочного сопротивления.

В силу квадратичной зависимости вращающего момента от силы тока шкала ЭМ - приборов неравномерна. Равномерности шкалы на рабочей части добиваются путем подбора формы пластин, втягивающихся в катушку.

Метрологические и эксплуатационные свойства ЭМ - приборов невысоки. Ток полного отклонения стрелки не менее 5 мА, предел допускаемой основной приведенной погрешности не менее 0,5%, частотный диапазон составляет 0 Гц и 403000 Гц. Собственное сопротивление ЭМ - вольтметров составляет (100  2000) Ом.

Достоинством ЭМ - приборов является отсутствие токоподводов к подвижной части, низкая трудоемкость в изготовлении и низкая стоимость используемых материалов и, следовательно, пониженная цена по сравнению с другими приборами, имеющими равные метрологические свойства.

Основное применение - в качестве щитовых приборов, в том числе, на транспортных средствах.
^ 4.6. Приборы электростатической системы


Действие электростатического прибора (в дальнейшем ЭС - прибора) основано на использовании силы, возникающей между пластинами воздушного конденсатора, заряды на которых имеют разные знаки. Схематический чертеж ЭС - прибора представлен на рис.31. Измеряемое напряжение u(t) прикладывается к неподвижным и подвижным пластинам, которые под действием указанной силы втягиваются в пространство между неподвижными пластинами. Вращающий момент пропорционален квадрату напряжения и содержит поэтому постоянную и переменную составляющую. Частота первой гармоники переменной составляющей в два раза больше частоты первой гармоники измеряемого напряжения. В силу инерционности подвижной части переменная составляющая вращающего момента фильтруется, и подвижная часть отклоняется на угол, пропорциональный постоянной составляющей, то есть среднему значению вращающего момента:

,

где T - период измеряемого тока, - постоянный коэффициент.

Устройство и принцип действия ЭС - прибора говорят о том, что ЭС - прибором может быть только вольтметр, обеспечивающий измерение постоянного напряжения и действующего значения переменного напряжения. ЭС - вольтметр выделяется среди вольтметров всех систем, в том числе и электронных, своим экстремально высоким сопротивлением, которое при измерении постоянного напряжения равно сопротивлению изоляции. При измерении переменного напряжения собственное сопротивление ЭС-вольтметра опреде­ляется его емкостью, не превышающей нескольких сот пикофарад.

Основным недостатком вольтметров электростатической системы является низкий вращающий момент, из-за чего диапазон измеряемых напряжений ограничен снизу значением 30 В, и он может применяться только при условии защиты от вибраций и тряски.

С другой стороны, вольтметры электростатической системы обеспечивают измерение высоких напряжений до 300 кВ без использования делителя напряжения и практически без собственного потребления мощности от объекта.

Достигнутый предел допускаемой основной приведенной погрешности ЭС вольтметров - 0,5%. Частотный диапазон: 0 Гц, 40 Гц.
^ 4.7. Приборы индукционной системы
Единственной разновидностью приборов индукционной системы являются счетчики активной и реактивной электрической энергии переменного тока, по-



требляемой нагрузкой. Устройство счетчика электрической энергии схематически представлено на рис. 32. Подвижной частью этого прибора является диск из электропроводящего материала (обычно это алюминий, как обладающий наименьшим весом). Диск вращается на оси, закрепленной в подпятниках, которые должны быть износоустойчивыми и создавать минимальный и неизменный во времени момент трения. Вращающий момент создается двумя электро­магнитами, расположенными по разные стороны от диска. Их расположение таково, что вихревые токи, создаваемые ими в диске, взаимодействуют с полями этих электромагнитов, и при этом взаимодействии возникает момент, пропорциональный произведению токов:

.

Если в одном из электромагнитов протекает ток нагрузки (назовем эту цепь по аналогии с подобной цепью ЭД ваттметра последовательной, см. п. 4.3), а в другом электромагните протекает ток, пропорциональный напряжению на нагрузке, то есть (назовем эту цепь параллельной , как соответствующую цепь ЭД ваттметра, см. п. 4.3), где R - добавочное сопротивление параллельной цепи, то средний вращающий момент, как и в случае ЭД ваттметра, будет пропорционален активной мощности:

,

где - угол сдвига фазы между током и напряжением в нагрузке.

Собственное сопротивление последовательной обмотки (тока) делают как можно меньше (десятые доли Ом), а сопротивление параллельной обмотки (напряжения) - как можно больше (единицы и десятки кОм).

Если бы противодействующий момент создавался пружинкой, то угол поворота диска был бы пропорционален мощности. Однако, отсутствие противодействующей пружинки позволяет диску вращаться, то есть выполнять операцию интегрирования угловой скорости его вращения. Если угловая скорость вращения диска пропорциональна мощности, то угол поворота диска (который индицируется индикатором с округлением до целого числа оборотов) пропорционален интегралу от мощности, то есть энергии. Для обеспечения этой пропорциональности противодействующий момент создается стабилизированным постоянным магнитом. Тормозной противодействующий момент возникает за счет того, что при движении диска в поле магнита в диске возникает ток, пропорциональный скорости его вращения, и этот ток взаимодействует с полем магнита, тормозя вращение, как это происходит при рекуперативном торможении электрического двигателя постоянного тока.

Равномерное вращение имеет место тогда, когда равны моменты: вращающий и противодействующий, то есть, когда . Поскольку вращающий момент пропорционален мощности ^ P, а противодействующий пропорционален угловой скорости вращения ,

,

где - коэффициенты пропорциональности, - момент трения в подпятниках.

Отсюда, пренебрегая моментом трения, получаем:

, ,

где (t) - угол поворота диска счетчика за время t, A(t) - электрическая энергия, потребленная за время t, - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, количество оборотов диска счетчика, пропорционально энергии. Вращение диска через червячное зацепление передается на счетчик числа оборотов, которое индицируется на цифровом индикаторе.

Бытовые и промышленные счетчики предназначены для измерения количества электрической энергии, выделяемой переменным током частотой 50 Гц.

Метрологические свойства счетчиков электрической энергии:

- бытовые счетчики предназначены для измерения электрической энергии при напряжении 220 В и токах 5.0, 10.0, предел допускаемой основной относительной погрешности (то есть приведенной к текущему показанию) 2.5%,

- промышленные счетчики предназначены для измерения перетоков большой электрической энергии при напряжении 3000 В и токах до 1000 А, предел допускаемой основной относительной погрешности (то есть приведенной к текущему показанию) от 0.5%.

Нормированием и международной унификацией свойств счетчиков электрической энергии занимается специальный комитет международной электротехнической комиссии (МЭК), поскольку результаты измерений перетоков электрической энергии через государственные границы являются основой для соответствующих расчетов и экономических санкций.

Схема включения счетчика электрической энергии точно такая, как схема включения ваттметра (сравнить рис. 28 в и схему рис. 32). Так же, как у ваттметра, генераторные зажимы счетчика обозначены звездочкой. После присоединения счетчика к электрической цепи корпус счетчика и все присоединительные зажимы пломбируются во избежание экономических злоупотреблений.
^ 4.8. Средства расширения пределов измерения

и правила выбора подходящего предела
4.8.1. Типичные способы и средства расширения пределов измерений
Расширение пределов измерения приборов - это важная технико - экономическая задача, целью которой является уменьшение объема приборного парка предприятия без ущерба для метрологического обеспечения испытаний изделий и управления технологическими процессами. При наличии средств расширения пределов измерения оказывается возможным применять один и тот же обычно дорогостоящий прибор для измерения величин различного размера. В конкретных ситуациях может потребоваться изменить предел измерения в сторону увеличения верхнего предела измерений, то есть уменьшить чувствительность прибора, а в других случаях наоборот, - повысить чувствительность, то есть изменить предел измерения в сторону уменьшения верхнего предела измерения. Возможны два варианта решения этой задачи.

В первом варианте средства расширения пределов измерения встраиваются в измерительный прибор, который снабжается ручным переключателем пределов. Такой прибор является многопредельным, и метрологические характеристики этого прибора (см. п. 3.5.5) на разных пределах могут различаться. Тогда они нормируются для каждого предела измерения по отдельности. Об этом потребителю сообщается надписями на шкале или в сопроводительной документации.

Во втором варианте используются внешние средства расширения пределов измерений. Этот вариант используется там, где измерения на одном выбранном пределе выполняются втечение длительного времени, например, в системах управления технологическим процессом.

Такое внешнее средство расширения пределов измерения есть не что иное, как масштабирующий линейный измерительный преобразователь, который изменяет не вид измеряемой величины, а лишь ее масштаб. Эти преобразователи выпускаются промышленностью, как автономные средства измерений (СИ). Каждая группа таких преобразователей имеет унифицированные свойства, присоединительные размеры и метрологические характеристики. Поэтому при их соединении с однопредельным измерительным прибором фактически получается новый прибор, метрологические характеристики которого должны быть рассчитаны по метрологическим характеристикам соединенных компонентов.

В качестве внешних средств расширения пределов измерения используются:

- шунты - для расширения пределов измерения силы тока в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, то есть для уменьшения чувствительности,

- делители напряжения и добавочные сопротивления - для расширения пределов измерения напряжения в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, то есть для уменьшения чувствительности,

- усилители тока и напряжения - для расширения пределов измерения тока или напряжения в сторону уменьшения максимального значения измеряемой величины, то есть для увеличения чувствительности,

- измерительные трансформаторы тока и напряжения - могут применяться для расширения пределов измерения тока или напряжения в обе стороны, но чаще всего применяются для расширения пределов измерения в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, то есть для уменьшения чувствительности.
4.8.2. Шунты
Схема соединения однопредельного амперметра с шунтом показана на рис. 33. Шунт имеет четыре зажима. Пара зажимов называются токовыми зажимами, к ним подключается линия с измеряемым током. Два других зажима - потенциальные, к ним подключается амперметр, собственное сопротивление которого показано на рисунке и обозначено через . Потенциальные зажимы жестко соединены между определенными точками шунта путем сварки или другими методами, обеспечивающими высокую стабильность расположения этих точек и пренебрежимо малое и стабильное переходное сопротивление от этих точек к потенциальным зажимам. Непосредственное присоединение амперметра к токовым зажимам недопустимо, поскольку в этом случае нестабильность сопротивления контактов в токовых зажимах из-за различных усилий при винтовом соединении, из-за попадания грязи и пыли при большой силе тока будет вызывать соответствующую нестабильность падения напряжения на этих контактах и погрешность измерения, которая не может быть гарантирована изготовителями амперметра и шунта и не может быть определена при измерении.

Сопротивление шунта между точками присоединения потенциальных зажимов обозначено через .



Пусть - ток полного отклонения стрелки, соответствующий верхнему пределу диапазона измерения амперметра А, а - падение напряжения на сопротивлении амперметра при этом токе: .

Пусть - верхний предел диапазона измерения силы тока, который желательно обеспечить с помощью шунта.

Очевидно, что при этой силе тока должно выполняться равенство , откуда получаем значение масштабного коэффициента расширения предела измерения силы тока:

.

Всегда K > 1.

В нормативной и сопроводительной документации на шунты указываются следующие метрологические характеристики шунтов:

- номинальное падение напряжение на шунте при максимальном значении силы тока в диапазоне измерения из следующего стандартного ряда: 10 мВ, 45 мВ, 75 мВ,

- верхний предел диапазона измерений, который обеспечивает данный шунт,

- верхний предел измерения силы тока амперметром, с которым может быть использован данный шунт,

- предел допускаемой основной относительной погрешности преобразования (основным источником погрешности является погрешность воспроизведения масштабного коэффициента К, которая порождает мультипликативную составляющую инструментальной погрешности, см. п. 3.1.3),

- пределы допускаемой дополнительной погрешности.

В документации на шунты, предназначенные для работы на переменном токе, указывается частотный диапазон, в котором их основная погрешность не превышает нормированный предел.

Для обеспечения совместимости шунта с амперметром в документации на амперметр и, как правило, на его шкале указывается падение напряжения на внутреннем сопротивлении амперметра при токе полного отклонения стрелки из ряда 10 мВ, 45 мВ, 75 мВ.
^ 4.8.3. Добавочные сопротивления
Для расширения пределов измерения напряжения могут использоваться делители напряжения и добавочные сопротивления. Однако, из-за того, что делитель напряжения должен потреблять от объекта ток, превышающий ток собственного потребления вольтметра, на практике для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления. Исключение составляет только электростатический вольтметр, который практически не потребляет ток, и с ним могут использоваться делители напряжения, составленные из активных сопротивлений или конденсаторов.

Добавочное сопротивление соединяется последовательно с вольтметром. Если собственное сопротивление вольтметра , а значение добавочного сопротивления , то при подключении к вольтметру добавочного сопротивления верхний предел измерения увеличивается до напряжения

,

где - ток полного отклонения стрелки вольтметра.

Поэтому коэффициент расширения предела измерения равен:

.

Всегда К > 1.

Для обеспечения совместимости добавочного сопротивления и вольтметра, к которому оно подключается, в документации на вольтметр и, как правило, на его шкале указывается ток полного отклонения стрелки. Подходящее добавочное сопротивление подбирается по следующим признакам:

- по коэффициенту расширения предела измерения ,

- по максимально допустимому току через , который не должен быть меньше, чем , чтобы добавочное сопротивление не перегревалось этим током,

- по характеристикам инструментальной погрешности созданного таким образом нового вольтметра, которая будет складываться из собственной погрешности вольтметра и погрешности добавочного сопротивления, в том числе, возникающей в результате перегрева протекающим по нему током.

С учетом изложенного в документации на добавочное сопротивление приводятся следующие метрологические характеристики:

- номинальное значение сопротивления,

- предел допускаемой основной относительной погрешности (поскольку, по аналогии с п. 4.8.2, аддитивная составляющая пренебрежимо мала по сравнению с мультипликативной),

- максимально допустимое значение силы тока,

- предел допускаемой дополнительной погрешности.
^ 4.8.4. Измерительные трансформаторы тока
Применяются для расширения пределов измерения характеристик переменного тока. Измерительные трансформаторы тока имеют существенное преимущество перед шунтами, которое заключается в том, что при их применении отсутствует гальваническая связь между первичной обмоткой, включенной в мощную электрическую цепь объекта, и вторичной обмоткой. Разрыв этой гальванической связи способствует обеспечению безопасности персонала, снижению действия помех и облегчает выполнение необходимых соединений



во вторичной цепи. Кроме того в ограниченном частотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирования) определяется только отношением числа витков обмоток трансформатора и мало зависит от внешних влияющих факторов. Схема включения измерительного трансформатора тока в линию с измеряемым током и присоединения амперметра ко вторичной обмотке представлена на рис. 34. На этом рисунке - зажимы первичной обмотки трансформатора, к которым подключена линия, - зажимы вторичной обмотки, к которым подключается амперметр, К - ключ, замыкающий вторичную обмотку.

Как известно, опасным режимом для трансформатора тока является режим холостого хода, при котором на вторичной обмотке развивается высокое напряжение, и возможен пробой изоляции. Напротив, благоприятным режимом для трансформатора тока является режим короткого замыкания вторичной обмотки. В связи с этим чрезвычайно важно выполнять следующие правила включения трансформатора тока с амперметром в линию.

Перед включением первичной обмотки в линию вторичная обмотка обязательно должна быть замкнутой на амперметр или ключем К, показанным на рис. 34. Если обмотка была замкнута ключем, то его можно разомкнуть для работы только тогда, когда включен амперметр и проверена целостность его цепи и качество контактов в местах присоединений.

Как уже было сказано, коэффициент преобразования трансформатора тока в ограниченном диапазоне частот равен отношению числа витков обмоток трансформатора и может быть как больше, так и меньше единицы.

Особенностью измерительного трансформатора тока является также то, что в отличие от других трансформаторов тока он имеет нормированные метрологические характеристики:

- пределы изменения силы тока первичной обмотки, подлежащего измерению,

- предел измерения амперметра, включаемого во вторичную обмотку,

- предел допускаемой основной относительной погрешности по амплитуде,

- предел допускаемой основной погрешности по фазе,

- предельные значения сопротивления нагрузки во вторичной обмотке, при которых инструментальные погрешности трансформатора не превышают норм, установленных на основные погрешности

- пределы допускаемых дополнительных погрешностей,

- частотный диапазон, в котором инструментальные погрешности трансформатора не превышают норм, установленных на основные погрешности.
^ 4.8.5. Измерительные трансформаторы напряжения
Измерительные трансформаторы напряжения применяются для расширения пределов измерения характеристик переменного напряжения. Применение измерительных трансформаторов напряжения дает те же преимущества перед применением добавочных сопротивлений, что и применение трансформаторов тока (п. 4.8.4). В ограниченном частотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирования) определяется только отношением числа витков обмоток трансформатора и практически не зависит от действия внешних влияющих факторов. С увеличением частоты сверх этого диапазона начинают расти погрешности передачи амплитуды и фазы измеряемого напряжения. Схемы соединений трансформатора напряжения с участком электрической цепи и с вольтметром во вторичной обмотке особенностей не имеют.

Измерительный трансформатор напряжения отличается от других трансформаторов напряжения тем, что он имеет следующие нормированные метрологические характеристики:

- пределы изменения напряжения, действующего на первичной обмотке,

- предел измерения вольтметра, включаемого во вторичную обмотку,

- предел допускаемой основной относительной погрешности по амплитуде,

- предел допускаемой основной погрешности по фазе,

- предельные значения сопротивления нагрузки во вторичной обмотке, при которых инструментальные погрешности трансформатора не превышают норм, установленных на основные погрешности

- пределы допускаемых дополнительных погрешностей,

- частотный диапазон, в котором инструментальные погрешности трансформатора не превышают норм, установленных на основные погрешности.
^ 4.8.6. Правило выбора пределов измерения
При выборе пределов измерения аналоговых приборов следует иметь в виду, что из нормы, установленной на их инструментальную погрешность, как на приведенную к максимальному значению в диапазоне измерения (см. п. 3.5.5), следует, что потребителю даются гарантии только в том, что вне зависимости от истинного значения измеряемой величины в любой точке шкалы

,

где - гарантированное значение основной приведенной погрешности прибора, допущенного к применению и это же - численное обозначение класса точности прибора.

Это означает, что если истинное значение измеряемой величины составляет половину от максимального, то есть показание прибора оказывается в середине шкалы, то об относительной погрешности результата такого измерения потребитель не может предполагать ничего, кроме того, что

.

Если истинное значение измеряемой величины составляет треть от верхнего предела измерений, то относительная погрешность результата оказывается втрое больше, чем объявленный класс точности. Вообще, чем ближе к началу шкалы показания прибора, тем больше относительная погрешность результата измерения.

В связи с этим следует руководствоваться следующим правилом выбора предела измерений.

^ Предел измерений аналогового измерительного прибора следует выбирать таким образом, чтобы показания прибора находились в последней трети его шкалы. При таком выборе возрастание относительной погрешности результатов измерений по отношению к объявленному классу точности прибора не будет превышать 1,5.
^ 4.9. Применение аналоговых приборов для измерений

в трехфазных цепях переменного тока
Будут рассмотрены особенности измерений в трехфазных цепях переменного тока следующих величин: действующих значений тока и напряжения, активной и реактивной мощности и энергии. Тривиальные методы измерений указанных величин тремя отдельными приборами в каждой фазе или в каждой линии рассматривать не будем в силу их очевидности.
^ 4.9.1. Измерение линейных токов и напряжений

в трехфазной трехпроводной цепи
Рассматривается подход, позволяющий в отличие от очевидного случая использовать вместо трех трансформаторов тока или напряжения соответственно только два трансформатора при любой схеме включения нагрузки


(звезда или треугольник). Схемы включения трансформаторов и приборов показаны на рис.35.

Такая экономия измерительных трансформаторов оказалась возможной благодаря тому, что в трехфазных трехпроводных цепях сумма линейных токов и сумма линейных напряжений равны нулю, откуда следует, что

, .

Поскольку амперметры и вольтметры суть приборы, предназначенные для измерения действующих значений токов и напряжений соответственно, инвертирования фазы они не чувствуют
^ 4.9.2. Измерение активной электрической мощности и энергии

в симметричных трехфазных цепях одним прибором
Поскольку схемы включения ваттметра и счетчика электрической энергии одинаковы (сравнить рис. 28 в и схему рис. 32), под понятием “прибор” мы будем подразумевать оба указанных средства измерений.

Если схема включения нагрузки - звезда с доступной нейтралью, то прибор включается в соответствии с рис. 36 а), и общая активная мощность и энергия, потребляемая нагрузкой получается умножением на три показаний прибора.

При недоступной нейтрали в симметричной трехфазной цепи, когда, например, нагрузка включена по схеме треугольника (рис. 36 б), делают искусственную нейтраль, как показано на рисунке. Для этого между фазами В и С включают последовательно два резистора, сопротивление каждого из которых равно сопротивлению параллельной цепи прибора (ваттметра или счетчика энергии). Точку их соединения подключают к негенераторному зажиму параллельной цепи прибора. В результате эта точка становится нейтралью, если, конечно, нагрузка симметрична.

Общую мощность и энергию, потребляемую в трехфазной цепи, подсчитывают, умножая на 3 показания соответствующих приборов.
^ 4.9.3. Измерение реактивной электрической мощности и энергии

в симметричных трехфазных цепях одним прибором
Кроме активной мощности и энергии, расходуемой потребителями, очень важно контролировать реактивные компоненты мощности и энергии, на выработку которых затрачиваются дефицитные энергоресурсы, но не используются в силу их преобразования в бесполезное для практической реализации электромагнитное излучение. При превышении норм, установленных на допускаемую долю этих реактивных компонент, к потребителям предъявляются штрафные санкции.

Как известно, реактивная мощность выражается формулой

.



Из этого следует, что для измерения реактивной мощности в однофазной цепи или в каждой фазе трехфазной цепи по отдельности необходимо сдвинуть фазу в одной из цепей ваттметра или счетчика энергии на . Практически это можно сделать только в параллельной цепи данных приборов.

Однако, если трехфазная цепь симметрична, нагрузка включена по

схеме звезда, то в этом случае (см. векторную диаграмму рис. 37):

- линейные токи одинаковы по модулю и равны токам в фазах,

- векторы линейных напряжений ортогональны векторам противоположных фазовых напряжений, например, вектор ортогонален вектору ,

- линейные напряжения одинаковы по модулю, их модули больше модулей фазных напряжений в , то есть ,

- общая потребляемая мощность и электрическая энергия равны утроенной фазовой мощности и, соответственно, утроенной фазовой энергии.

Поэтому при включении ваттметра по первой из схем рис. 32 вращающий момент, действующий на его подвижную часть, пропорционален величине , где - угол между векторами и , - действующее значение линейного напряжения , - действующее значение линейного, в этом случае также и фазного тока .

Поскольку и , то полная реактивная мощность трехфазной цепи будет равна

.

Аналогичные выводы справедливы и для других вариантов схем включения ваттметра, показанных на рис. 38.



Это означает, что для получения результата измерения реактивной мощности, которая рассеивается симметричной трехфазной цепью, достаточно умножить показание ваттметра, включенного по любому из вариантов, показанных на рис. 32, на .

Точно такие же выводы и рекомендации относятся к схемам включения счетчиков электрической энергии и к получению результата измерения реактивной электрической энергии, рассеиваемой симметричной трехфазной цепью.
^ 4.9.4. Измерение активной электрической мощности и энергии

в трехфазной цепи с помощью двух приборов
Используются следующие соотношения между линейными токами и напряжениями.

Пусть - линейные токи в фазах A, B, C соответственно, и - линейные напряжения между соответствующими фазами. Известно, что и . Мощность, выделяемая, например, в фазе А, равна скалярному произведению векторов . Точно так же в других фазах и . Суммарная мощность, потребляемая нагрузкой, равна . Но . Поэтому

.


Разности напряжений и суть линейные напряжения и соответственно. В результате получаем формулу

, (29)

которая оправдывает первый вариант схемы рис. 39 присоединения двух приборов к линиям трехфазной цепи с целью измерения полной активной электрической мощности или энергии, потребляемой нагрузкой. Эта мощность или энергия вычисляется, как сумма показаний двух приборов.

Аналогичным образом доказывается правомерность иных вариантов схем, которые показаны на том же рисунке.

Рассмотренные схемы реализуются в трехфазных счетчиках электрической энергии, в корпусе которых размещены два механизма, показанных на рис. 38. Оба диска расположены на одной оси, благодаря чему вращающие моменты, создаваемые каждой парой электромагнитов, суммируются в соответствии с формулой (29).
^ 5. Мостовые методы измерения параметров элементов

электрических цепей
Мостовые методы измерения и преобразования параметров элементов электрических цепей (сопротивления, индуктивности и емкости) широко применяются как для измерения этих параметров, так и для создания на их основе измерительных преобразователей измерительных информационных систем (ИИС).

Будут рассмотрены мосты постоянного и переменного тока, работающие в равновесном и неравновесном режимах.
^ 5.1. Мосты постоянного тока
5.1.1. Мосты постоянного тока в равновесном режиме
Мосты постоянного тока, работающие в равновесном режиме (в дальнейшем - равновесные мосты), относятся к средствам измерения сравнения и предназначены для измерения сопротивления. Cхема равновесного моста постоянного тока приведена на рис. 40 а). Этот мост называется одинарным мостом и предназначен для измерения сопротивлений от единиц Ом до Ом. Для измерения малых сопротивлений от до 5^ 0 Ом применяется двойной мост, схема которого представлена на рис. 40 б).

Рассмотрим вначале свойства одинарного моста.

Измеряемое сопротивление включается в одно из плеч моста, и процесс измерения заключается в том, что изменением сопротивления, стоящего в другом плече, например, сопротивления , добиваются равновесия моста, то есть такого состояния, при котором в диагонали моста



ВС ток не идет. Для индикации этого состояния в диагональ ВС, называемую измерительной диагональю, включается высокочувствительный микроамперметр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ). Ключ К предназначен для кратковременного включения нуль-индикатора в диагональ, поскольку при значительном отличии от равновесия длительное включение НИ может привести к выходу его из строя.

Равновесие моста наступит тогда, когда падения напряжений на плечах АВ и АС сравняются, то есть, когда

,

где Е - напряжение питания моста.

Из этого равенства следует

,

откуда получаем условие отсутствия тока в измерительной диагонали, то есть условие равновесия моста

. (30)

Значения сопротивлений известны, поэтому значение измеряемого сопротивления вычисляется по формуле

. (31)

Обычно в серийных мостах с ручным уравновешиванием сопротивления подбираются так, чтобы отношение , где k - целое число, положительное, отрицательное или 0. Тем самым обеспечивается удобство отсчитывания значения измеряемого сопротивления в десятичном коде по шкале значений регулируемого сопротивления . В мостах с автоматическим уравновешиванием под управлением компьютера отношение .

Как следует из (30), (31), условия равновесия не зависят от напряжения питания моста. Но это не значит, что это напряжение может быть сколь угодно малым, поскольку при уменьшении напряжения питания уменьшается чувствительность моста, то есть при ограниченной чувствительности нуль-индикатора возрастает неопределенность в определении состоянии равновесия, а это, в свою очередь, приводит к росту аддитивной погрешности результата измерений. Поэтому с целью увеличения чувствительности моста следует повышать напряжение питания. Однако, при этом возрастают токи, сопротивления нагреваются этими токами, и их значения меняются, в результате чего возрастает погрешность измерений. Поэтому повышать напряжение питания можно только до уровня, при котором перегрев сопротивлений плеч не приводит к росту погрешности, вызванной этим перегревом. Кроме того чувствительность моста зависит от соотношения сопротивлений плеч. Максимальной чувствительностью обладает равноплечий мост, то есть мост, у которого значения сопротивлений плеч одинаковы.

Существенные трудности возникают при необходимости измерений малых сопротивлений, значения которых составляют единицы и доли Ом. Подобными сопротивлениями обладают мощные электрические двигатели и генераторы, трансформаторы и другие агрегаты.

Эти трудности вызваны следующими обстоятельствами:

- если измеряемое сопротивление составляет десятые и сотые доли Ом, то для того, чтобы падение напряжения на плече АВ моста достигло единиц вольт, необходимо пропустить через него ток порядка десятков и сотен ампер соответственно, но при этом сопротивление также должно быть малым, ибо в противном случае на нем будет выделяться недопустимо большая мощность,

- для обеспечения приемлемой чувствительности моста необходимо, чтобы сопротивления имели значения одного порядка с значениями сопротивления ,

- погрешность регулировки и отсчитывания значений сопротивления , равного десятым и сотым долям Ом, недопустимо велика из-за влияния нестабильного сопротивления контактов и соединительных проводов, значения которых могут даже превышать значение измеряемого напряжения.

Поэтому для указанной цели одинарный мост непригоден, и для измерения малых сопротивлений применяется двойной мост, схема которого представлена на рис. 40 б).

Большой ток, необходимый для создания значительного напряжения на измеряемом сопротивлении, пропускается по цепи ‘1, 4, 5, 8’. В этой цепи включено образцовое высокоточное сопротивление , значение которого сопоставимо с значением измеряемого сопротивления, и в нее включается измеряемое сопротивление. Эти два сопротивления соединены толстой медной шиной с ничтожно малым сопротивлением. Контакты ‘1, 4, 5, 8’ - токовые контакты сопротивлений, контакты ‘2, 3, 6, 7’ - потенциальные контакты (зажимы). О цели разделения контактов на токовые и потенциальные см. п. 4.8.2.

При достижении равновесия моста

.

Источники погрешностей измерений, выполняемых равновесными мостами:

- ограниченная чувствительность нуль-индикатора, порождает аддитивную погрешность измерений,

- погрешности в изготовлении резисторов моста, в том числе погрешность регулируемого резистора, нестабильность контактов переключателей регулируемого резистора вызывают мультипликативную погрешность измерений.

Метрологические характеристики равновесных мостов приведены в п. 5.3. Основная погрешность равновесных мостов нормируется, как относительная погрешность.
  1   2



Скачать файл (554.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации