Электрические измерения

 

Набор резисторов, заключённых  в общий кожухи соединённых по определённой схеме, называется – магазином  резисторов или сопротивлений. Они применяются взамен образцовых катушек и для регулировки тока. Магазины резисторов по точности делятся на классы: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0. Образцовые катушки и магазины резисторов должны иметь возможно меньшие собственные индуктивность и ёмкость.

в). Меры индуктивности и  взаимной индуктивности представляют собой катушки индуктивности  и взаимной индуктивности с постоянным значением индуктивности.

Образцовые катушки индуктивности  представляют собой пластмассовый  или фарфоровый каркас с наложенной на него обмоткой из медной изолированной  проволоки, концы которой укрепляются  на зажимах. Использование каркаса  из немагнитного материала обеспечивает независимость индуктивности от тока в катушке.

Добротность катушки Q=щL/r увеличивают, уменьшая её активное сопротивление r.

Образцовые катушки изготовляют  на следующие номинальные значения индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Г.

Образцовая катушка с  переменной индуктивностью – вариометр  состоит из двух частей – неподвижной  и подвижной, могущей поворачиваться на угол около 180є. Индуктивность вариометра зависит от положения подвижной  части.

Магазин индуктивностей состоит  из набора катушек, а иногда, кроме  того, и из вариометра. Погрешность  этого магазина индуктивностей равна  ±(0,3ч0,5)%.

Катушка взаимной индуктивности  выполняются аналогично катушкам индуктивности, но имеют две обмотки.

г). Меры ёмкости – это  образцовые конденсаторы с известной  или переменной ёмкостью. Ёмкость  конденсатора должна возможно меньше изменяться в зависимости от времени, температуры, частоты и других факторов. Конденсатор должен обладать малыми диэлектрическими потерями и большим сопротивлением изоляции. В качестве образцовых используются воздушные и слюдяные конденсаторы.

Воздушные конденсаторы выполняются  с плоскими или цилиндрическими  электродами, они имеют малую  ёмкость от 0,001 мкФ и практически  не обладают диэлектрическими потерями, но обладают большими размерами.

Слюдяные конденсаторы состоят  из ряда металлических пластин, изолированных  слюдяными прокладками. Чётные пластины соединены с одним, а нечётные с другим зажимом конденсатора. Тангенс  угла потерь слюдяных конденсаторов  порядка 10-4, погрешность их составляет ±(0,01ч0,5)%.

При использования магазина конденсаторов кроме групп конденсаторов, в магазине имеется конденсатор переменной ёмкости (С=0ч0,011 мкФ). Погрешность его ±0,5%.

д). Мера тока – токовые  весы.

 

Токовые весы имеют коромысло, на одном плече которого подвешена  токовая катушка К1. Последовательно с ней соединена неподвижная катушка К2. При прохождении тока по катушкам К1 и К2 возникает сила их электродинамического взаимодействия пропорциональная I2, которая уравновешивается эталонными гирями, нагруженными на второе плечо коромысла.

 

Исходя из данного определения  единицы силы тока и геометрических размеров катушек подсчитывается значение силы взаимодействия между катушками при силе тока 1 А. Нагрузив второе плечо грузом найденного расчётного значения, регулируют силу ока в катушках до получения равновесия, при котором установившийся ток имеет значение 1 А.

Токовые весы ВНИИМ обеспечивают погрешность до 0,001%.

Единица силы тока – ампер А – сила не изменяющегося тока, который, проходя по двум прямолинейным параллельным проводам бесконечной длинны и ничтожно малого кругового сечения, расположенного на расстоянии 1 м один от другого в вакууме. Вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2·10-7 Ньютон (Н), на каждый метр длины.

Эталон ЭДС – 20 насыщенных нормальных элементов и устройство сравнения для взаимного сличения нормальных элементов. ЭДС отдельного элемента может колебаться, но среднее  значение ЭДС= const (постоянно).

Эталон индуктивности– 4 катушки (групповой индуктивности).

Эталоны сопротивления – 10 манганиновых катушек с номинальным  сопротивлением в 1 Ом.

 

 

 

 

 

          

 

 

 

2. Преобразователи  токов и напряжений

 
2.1 Шунты

Является простейшим измерительным  преобразователем тока в напряжение. Применяется для расширения предела  измерения тока измерительным механизмом. Представляет собой измерительный  преобразователь, состоящий из резистора, включаемого в цепь измеряемого  тока, параллельно которому присоединяется измерительный механизм.

Для устранения влияния сопротивлений  контактных соединений шунты снабжаются токовыми и потенциальными зажимами.

 

	Iи=I·	Rш	;	Rш=	Rш
		Rш+Rи			p 1
	где	р=	I	Шунтирующий множитель
			Iи

 

Шунты изготавливают из манганина. Шунты на токи до 30 А обычно встраивают в корпус прибора на большие токи делают наружные шунты.

Наружные шунты обычно выпускаются калиброванными, т.е. рассчитываются на определённые токи и падения напряжения 10; 15; 30; 50; 60; 75; 100; 150; 300 мВ.

 

	Для переносных приборов часто  используются многопредельные шунты. Такой шунт состоит из нескольких резисторов, переключаемых в зависимости  от предела измерения, рычажным переключателем или переносом проводов с одного зажима на другой. Сечение шунта должно быть достаточно большим, с тем чтобы не было нагревания шунта током и связанной с ним температурной погрешности. По точности шунты делятся  на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0. Число класса точности обозначает допустимое отклонение сопротивления в процентах его  номинального значения. Шунты широко применяются  с измерительным механизмами  магнитоэлектрической системы, которые  могут изготовляться на малые  номинальные напряжения 45–150 мВ.
Многопредельный с рычажным переключателем.
Многопредельный с отдельными выводами.

 

2.2 Добавочные  резисторы

 
Добавочный резистор, представляющий собой измерительный преобразователь, применяется для расширения предела  измерения напряжения и для исключения влияния температуры на сопротивление  вольтметра RV.

 

Добавочный резистор изготавливается  из манганина и включается последовательно  с измерительным механизмом.

 

Если предел измерения  напряжения измерительного механизма  необходимо расширить в р раз, то, U=Uи·p=Uи+Uд=Iи·(rи+rд) откуда сопротивление добавочного резистора rд=(Uи·P–Iи·rи)/I=(Iи·rи·p–Iи·rи)/Iи;

Или Rд=rи·(p 1),

Оно должно быть в (з 1) раз больше сопротивления измерительного механизма.

Если сопротивление измерительного механизма и добавочного резистора  известны, то множитель добавочного  сопротивления р=rд/rи+1.

Добавочные резисторы  для постоянного тока наматываются обычно, а для переменного тока – бифилярно для получения  безреактивного резистора. Намотка производится изолированным проводом на пластины или каркасы из пластмассы.

 

В переносных приборах часто  применяют добавочные резисторы, состоящие  из нескольких частей, что позволяет  иметь вольтметры на несколько пределов измерения. Применяются внутренние и  наружные добавочные резисторы.

 

Последние выполняют в виде самостоятельных устройств и подразделяют на индивидуальные и калиброванные. Индивидуальные резисторы применяют только с тем прибором, который градуировался с ним. Калиброванный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.

Калиброванные добавочные резисторы, так же как и шунты, делят на классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0. Они  изготавливаются на номинальные  токи 0,5; 1; 3; 5; 7,5; 15 и 30 мА.

Добавочные резисторы  применяются для преобразования напряжения до 30 кВ.

 

Пример 1:

I=10A; Iп=100; Rи=10Ом; Rш– ?

 

Rш=	Rи		Р=	I	=	10	=100	Rш=	10	=0,1 Ом
	р 1			Iи		0.1			100–1

 

Пример 2:

U=30; Uи=5; Rи=5; Rд– ?

 

p=	U	=	30	=6	Rд=Rи·(p 1)=5·(6–1)=25 кОм
	Uи		5

 

2.3 Измерительные  трансформаторы тока

 
Трансформаторы тока предназначены  для преобразования измеряемых переменных токов в относительно малые токи. Во вторичную цепь трансформатора тока включают амперметры, последовательные обмотки ваттметров, счётчиков и  других приборов.

– В цепях высокого напряжения при помощи трансформаторов тока измерительные приборы изолируются  от проводов высокого напряжения. Таким  образом, с одной стороны, достигается  возможность применения низковольтных  измерительных приборов, с другой стороны, обеспечивается безопасность обслуживания измерительной установки.

Трансформатор тока состоит  из стального магнитопровода и двух изолированных обмоток. Первичная обмотка Л1, Л2, имеющая меньшее число витков, включается в рассечку провода с измеряемым током. Вторичная обмотка с большим витком И1, И2 замыкается на амперметр и токовые обмотки измерительных приборов, соединённые последовательно,

Так что сопротивление  вторичной внешней цепи мало и  обычно не превышает 1–2 Ом.

Принцип работы трансформатора тока тот же, что и трансформатора напряжения, но в отличие от последнего он работает в условиях, близких  к короткому замыканию. Кроме  того, первичный ток трансформатора тока не зависит от сопротивления  его вторичной цепи. При работе этот ток может изменяться от нуля до номинального, а при коротких замыканиях в цепи может превосходить номинальный в десятки раз.

Отношение действительного  значения первичного тока I1 к действительному  значению вторичного тока I2 называется действительным коэффициентом трансформации  трансформатора тока, т.е. k=I1/I2. При известном  коэффициенте k, измерив вторичный ток амперметром, определяем первичный ток: I1=k·I2.

Действительный коэффициент  трансформации обычно не известен, так как он зависит от режима работы трансформатора тока, т.е. от измеряемого  тока, значения и характера сопротивления  вторичной внешней цепи и от частоты  тока. Вследствие этого пользуются даваемым заводом на щитке трансформатора номинальным коэффициентом трансформации  kН=IН1/IH2, представляющим отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току трансформатора. Зная kH, находим приближённое значение переменного тока: I'1=kH·I2.

Погрешность при измерении  тока, вызванная применением трансформатора,

 

гI=	I'1–I1	·100%=	kH·I2–k2·I2	·100%=	kH–k	·100%=гK
	I1		k·I2		k

 

где гК=г1 – погрешность в коэффициенте трансформации или погрешность по току.

Вторичный номинальный ток  у большинства трансформаторов  тока равен 5 А.

Один из выводов вторичной  обмотки должен быть заземлён.

По точности трансформаторы тока подразделяются на десять классов: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 10.

Разновидность трансформатора тока с разъёмным магнитопроводом и вторичной обмоткой, замкнутой на амперметр, носит название измерительных клещей. Разъёмный магнитопровод даёт возможность измерять ток в проводе, не разрывая его, а только охватывая его как клещами.

2.4 Измерительные  трансформаторы напряжения

 
Представляет собой измерительный  преобразователь, понижающий измеряемое напряжение в заданное число раз. Получаемое низкое напряжение, не превышающее  обычно 100 В, подводится к вольтметрам, параллельным цепям ваттметров, счётчиков и других измерительных приборов.

Используя трансформаторы напряжения, с одной стороны, получаем возможность  применения низковольтных приборов для измерений в цепях высокого напряжения, а с другой – обеспечиваем безопасность обслуживания высоковольтных установок.

 

Устройство трансформатора напряжения аналогично устройству силового трансформатора. Трансформатор напряжения состоит из замкнутого магнитопровода, набранного из листовой трансформаторной стали, и двух изолированных обмоток – первичной Л1, Л2 и вторичной И1, И2 с числами витков w1, и w2. Первичная обмотка трансформатора присоединённая к сети с измеряемым напряжением; к зажимам вторичной обмотки подключается соединённые параллельно вольтметры и параллельные цепи других приборов.

Для работы трансформатора напряжения характерно незначительное изменение первичного напряжения и  большое сопротивление вторичной  внешней цепи; таким образом, он работает в условиях, близких к холостому  ходу.

Отношение действительного  значения первичного напряжения U1 к  действительному напряжению U2 называется действительным коэффициентом трансформации  трансформатора напряжения k=U1/U2. зная этот коэффициент и измерив вторичное напряжение вольтметром, можно определить первичное напряжение U1=k·U2.

Однако действительный коэффициент  трансформации обычно не известен, так как он зависит от режима работы трансформатора, т.е. от измеряемого  напряжения, от значения и характера  нагрузки и от частоты переменного  тока.

Вследствие этого приближённо  измеряемое напряжение U’1 находят  по формуле:

U’1=kH·U2

 
где kH=UH1/UH2 – номинальный коэффициент трансформации, равный отношению номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению, даётся заводом изготовителем на щитке трансформатора. Напряжение UH2=100 B или 100 В.