Методические указания к проведению лабораторной работы

U_вых _, В

Лабораторная работа №1.

Изучение датчиков тока и напряжения.

Студент группы___________________________________________________________________________

Допуск_______________________________Выполнение_____________________Защита____________

Цель работы

1. Изучить режимы работы и основные характеристики датчиков тока и напряжения;

2. Сравнить экспериментальные характеристики с теоретическими и оценить погрешности;

3. Определить основные погрешности датчиков тока и напряжения.

Программа работы

Дома изучить принцип работы, назначение и технические характеристики датчиков тока и напряжения, схемы их подключения, а также основные узлы и возможности лабораторного комплекса.

В лаборатории:

- пройти тестирование по теоретической части;

- снять и построить экспериментальные статические характеристики измерительного шунта;

- снять и построить экспериментальные статические характеристики измерительного трансформатора тока;

- снять и построить экспериментальные статические характеристики интегрального датчика тока;

- снять и построить экспериментальные статические характеристики делителя напряжения;

- снять и построить экспериментальные передаточные характеристики трансформатора напряжения;

- снять и построить экспериментальные статические характеристики интегрального датчика напряжения;

- проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы;

- выполнить отчет о проделанной работе.

Методические указания к проведению лабораторной работы

1. Общие сведения

В лабораторной работе исследуются следующие датчики тока и напряжения:

- измерительный шунт;

- измерительный трансформатор тока Talema АС 1010;

- интегральный датчик тока LEM НХ-ОЗР;

-делитель напряжения;

-трансформатор напряжения HANN BV201;

- интегральный датчик температуры LEM LV-25P.

Краткий теоретический материал, посвященный описанию принципов работы датчиков тока и напряжения, а также технические характеристики используемых в лабораторной работе датчиков приведены в Прил. 1.

2. Описание лабораторной установки для изучения датчиков тока и напряжения

Прежде, чем приступить к экспериментальному исследованию датчиков тока и напряжения, необходимо ознакомиться с принципом их действия и схемой подключения. Необходимо также изучить назначение элементов стенда.

Зона для изучения датчиков тока и напряжения лабораторного стенда представлена на рис. 1. Данная зона представляет собой субблоки генератора переменного по амплитуде и частоте напряжения с выходными клеммами, регулятора постоянного напряжения с выходными клеммами, поле для установки минимодулей с изучаемыми датчиками тока и напряжения с входными клеммами для соединения с выходами субблоков генератора переменного напряжения и регулятора постоянного напряжения и выходными клеммами для подключения измерительных входов мультиметра, а также блок индикаторов (вольтметр и амперметр, позволяющие в зависимости от режима работы измерять переменный или постоянный ток и напряжение). Питание датчиков и других микросхем ±15В осуществляется через внутренние цепи от импульсного источника питания.

На рис. 2 представлен внешний вид минимодулей, в которых расположены изучаемые датчики.

Рис.1. Зона для исследования датчиков тока и напряжения

Рис.2. Внешний вид минимодулей с изучаемыми датчиками: измерительный шунт (а), трансформатор тока (б), интегральный датчик тока (в), делитель напряжения (г), трансформатор напряжения (д), интегральный датчик напряжения (е)

3. Проверка работоспособности экспериментальной установки:

Для проверки работоспособности необходимо

- сетевой кабель необходимо подключить к разъему СНП на модуле ДТИ2. С помощью соединительных проводов соединить выходные клеммы субблока генератора переменного напряжения с входами мультиметра с режимом измерения переменного напряжения до 20 В;

- включить сетевой выключатель SA1 на лицевой панели модуля ДТИ2. Наличие напряжения на стенде индицируется подсветкой, установленной в тумблере питания на лицевой панели. Переключателем SA2 включить генератор переменного напряжения. Вращая ручки регулировки и амплитуды с помощью мультиметра и индикатора частоты, при правильной работе всех элементов модуля наблюдается изменение величины и частоты переменного напряжения от 0 до 10 В и от 10 Гц до 10 кГц. Переключая галетный переключатель в положения х10 и x100 можно наблюдать изменение частоты соответственно в 10 и 100 раз относительно указанной на лимбе ручки регулировки частоты;

- с помощью соединительных проводов соединить выходные клеммы субблока регулятора постоянного напряжения с входами мультиметра с режимом измерения постоянного напряжения до 20 В;

- включить сетевой выключатель SA1 на лицевой панели модуля ДТИ2. Наличие напряжения на стенде индицируется подсветкой, установленной в тумблере питания на лицевой панели. Переключателем SA3 включить регулятор постоянного напряжения. Вращая ручку регулировки, при правильной работе всех элементов модуля наблюдается изменение уровня постоянного напряжения.

4. Экспериментальное определение характеристик датчиков тока и напряжения

4.1. Снятие и построение экспериментальной характеристики измерительного шунта при измерении постоянного и переменного тока

Для снятия экспериментальной статической характеристики измерительного шунта необходимо установить в поле «Датчики тока и напряжения» модуль с изучаемым прибором. К его входам подключить выходы регулятора напряжения, причем в эту цепь необходимо последовательно включить амперметр в режиме измерения постоянного тока и параллельно вольтметр также в режиме измерения постоянного напряжения. К выходам минимодуля необходимо подключить мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения до 2 В. Вращая соответствующую ручку регулятора напряжения, необходимо изменять величину тока, протекающую через шунт и фиксировать значения на дисплее мультиметра. В ходе эксперимента необходимо снять восходящую и нисходящую ветви характеристики (не менее 15 точек в каждую сторону). Данные занести в табл. 1. Аналогично провести экспериментальные исследования для переменного тока. Для этого к входам минимодуля необходимо подключить выходы генератора переменного напряжения, амперметр и вольтметр перевести в режим измерения переменного тока и напряжения, мультиметр перевести в режим измерения переменного напряжения до 2 В. Методика снятия характеристик аналогична исследованиям датчика на постоянном токе. Данные занести также в табл. 1.

Таблица 1

=	I_BX. мА
U_вых _, В
∼	I_в_x, мА
U_вых, В

Построить на одном графике восходящую и нисходящую ветви статической характеристики измерительного шунта и оценить основные погрешности отдельно для измерения постоянного и переменного тока.

4.2. Снятие и построение экспериментальной характеристики измерительного трансформатора тока при измерении переменного тока

Для снятия экспериментальной статической характеристики измерительного трансформатора тока необходимо установить в поле «Датчики тока и напряжения» модуль с изучаемым прибором. К его входам подключить выходы генератора переменного напряжения, причем в эту цепь необходимо последовательно включить амперметр в режиме измерения переменного тока и параллельно вольтметр также в режиме измерения переменного напряжения. К выходам минимодуля необходимо подключить мультиметр в режиме измерения переменного напряжения до 20 В. Вращая соответствующую ручку генератора переменного напряжения и, регулируя таким образом амплитуду переменного напряжения, необходимо изменять величину тока, протекающую через трансформатор тока и фиксировать значения на дисплее мультиметра. При этом частота протекающего тока 50 Гц. В ходе эксперимента необходимо снять восходящую и нисходящую ветви характеристики (не менее 15 точек в каждую сторону). Данные занести в табл. 2.

Таблица 2

∼	I_BX. мА
U_вых _, В				I

Построить на одном графике восходящую и нисходящую ветви статической характеристики измерительного трансформатора тока и оценить основные погрешности.

4.3. Снятие и построение экспериментальной характеристики интегрального датчика тока

Для снятия экспериментальной статической характеристики интегрального датчика тока необходимо установить в поле «Датчики тока и напряжения» модуль с изучаемым прибором.

Таблица 3

Построить на графиках восходящие и нисходящие ветви статических характеристик интегрального датчика тока и оценить основные погрешности.

4.4. Снятие и построение экспериментальной характеристики делителя напряжения при измерении постоянного/переменного напряжения

Для снятия экспериментальной статической характеристики делителя напряжения необходимо установить в поле «Датчики тока и напряжения» модуль с изучаемым прибором.

Аналогично 4.1 снять статические характеристики датчика на постоянном и переменном токе. Мультиметр должен находиться в режиме измерения переменного/постоянного напряжения до 2 В. Данные занести в табл. 4.

Таблица 4

=	U_BX. В
U_вых _, В
∼	U_в_x, В
U_вых, В

Построить на одном графике восходящую и нисходящую ветви статической характеристики делителя напряжения и оценить основные погрешности.

4.5. Снятие и построение экспериментальной характеристики трансформатора напряжения

Для снятия экспериментальной статической характеристики трансформатора напряжения необходимо установить в поле «Датчики тока ц напряжения» модуль с изучаемым прибором.

Аналогично 4.1 снять статические характеристики датчика на переменном токе. Мультиметр должен находиться в режиме измерения переменного напряжения до 20 В. Данные занести в табл. 5.

Таблица 5

∼	U_BX. В
U_вых _, В				I

Построить на одном графике восходящую и нисходящую ветви статической характеристики трансформатора напряжения и оценить основные погрешности.

4.6. Снятие и построение экспериментальной характеристики интегрального датчика напряжения

Для снятия экспериментальной статической характеристики интегрального датчика напряжения необходимо установить в поле «Датчики тока и напряжения» модуль с изучаемым прибором.

Таблица 6

=	U_BX. В
U_вых _, В
∼	U_в_x, В
U_вых, В

Построить на графиках восходящие и нисходящие ветви статических характеристик интегрального датчика напряжения и оценить основные погрешности.

5. Требования к отчёту

Отчет должен содержать:

а) цель работы;

б) основные технические характеристики исследуемых датчиков;

в) экспериментальные данные, расчётные значения требуемых параметров и графиков по каждому из проведенных экспериментов;

г) анализ полученных экспериментальных данных, сравнение полученных данных с паспортными, выводы.

6. Контрольные вопросы

1. Каковы принципы действия и конструктивные особенности измерительного токового шунта и делителя напряжений?

2. Каковы принципы действия и конструктивные особенности трансформатора тока и трансформатора напряжения?

3. Каковы принципы действия и конструктивные особенности интегральных датчиков тока и напряжения?

4. Какие основные погрешности есть у датчиков тока и напряжения, каковы их причины и пути снижения?

5. Какими техническими характеристиками должны обладать датчики тока для снижения погрешностей измерения

6. Какими техническими характеристиками должны обладать датчики напряжения для снижения погрешностей измерения

7. Опишите порядок проведения экспериментов, назначение элементов стенда и меры предосторожности при работе с датчиками?

8. Какие из рассмотренных датчиков обладают наилучшими техническими характеристиками и почему?

Приложение 1. Датчики тока и напряжения

Вопросы, связанные с принципом работы измерительного токового шунта и делителя напряжения достаточно подробно рассматриваются в курсах ТОЭ и в достаточно большом количестве литературных источников, поэтому в данном приложении внимание им не уделяется.

То же самое касается и трансформатора тока и трансформатора напряжения, поэтому здесь будут даны только определения данных устройств.

Трансформатором тока, являющимся наиболее широко применяемым измерительным преобразователем тока, называется такой трансформатор, в котором при нормальных условиях работы выходной сигнал является током, практически пропорциональным первичному току и при правильном включении сдвинутым относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная замыкается на некоторую нагрузку (измерительные приборы и реле), обеспечивая в ней ток, пропорциональный току в первичной обмотке.

В трансформаторах тока высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (земля) на полное рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется. Поэтому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли.

Трансформаторы тока по назначению разделяются на трансформаторы тока для измерений и трансформаторы тока для защиты. В некоторых случаях эти функции совмещаются в одном ТТ.

Трансформаторы тока для измерений предназначаются для передачи информации измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях высокого напряжения или в цепях с большим током, т. е. в цепях, в которых невозможно непосредственное включение измерительных приборов. Ко вторичной обмотке ТТ для измерений подключаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков и аналогичных приборов. Таким образом, трансформатор тока для измерений обеспечивает:

1) преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, приемлемый для непосредственного измерения с помощью стандартных измерительных приборов;

2) изолирование измерительных приборов, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.

В данной лабораторной работе используется измерительный трансформатор тока АС1010 фирмы Talema. Его основные технические характеристики представлены в табл. П1.1.

Измерительный трансформатор напряжения - трансформатор, предназначенный для преобразования высокого напряжения в низкое в цепях измерения и контроля. Трансформатор напряжения позволяет изолировать цепи вольтметров, частотометров, электрических счетчиков, устройств автоматического управления и контроля и т.д. от цепи высокого напряжения и создает возможность стандартизации номинального напряжения контрольно-измерительной аппаратуры. Трансформаторы напряжения подразделяются на трансформаторы переменного напряжения и трансформаторы постоянного напряжения.

Первичная обмотка (ПО) трансформатора переменного напряжения состоит из большого числа витков w₁ и подключается к цепи с измеряемым (контролируемым) напряжением параллельно. К зажимам вторичной обмотки (ВО) с числом витков w₂ (w₂ << w₁) подсоединяют измерительные приборы (или контрольные устройства). Так как внутреннее сопротивление последних относительно велико, трансформатор напряжения работает в условиях, близких к режиму холостого хода, что позволяет, зная коэффициент трансформации, определять величину первичного напряжения по результатам измерения низкого напряжения в ВО.

Работа интегральных датчиков тока и напряжения основана на эффекте Холла. В корпусе такого интегрального датчика расположен магнитопровод, датчик Холла и согласующая схема.

Принцип действия датчиков тока компенсационного типа, основанных на эффекте Холла заключается в следующем: магнитный поток, создаваемый током первичной обмотки lp, сбалансирован дополнительным потоком, создаваемым при прохождении тока через вторичную обмотку (рис. П1.1). Датчик Холла и связанная с ним электрическая цепь используются для создания выходного тока, который является точным отображением тока первичной обмотки.

Рис. П1.1. Принцип работы датчика тока компенсационного типа

Основные преимущества интегральных датчиков тока заключаются в следующем:

- широкий частотный диапазон;

- хорошая точность;

- быстрое время отклика;

- низкий температурный дрейф;

- отличная линейность;

- отсутствие вносимых потерь.

Принцип действия датчиков напряжения компенсационного типа, основанных на эффекте Холла заключается в следующем: ограниченный последовательным резистором минимальный ток проходит через первичную катушку (рис. П1.2). Магнитный поток, создаваемый током первичной обмотки lp, сбалансирован дополнительным потоком, создаваемым при прохождении тока через вторичную обмотку. Датчик Холла и связанная с ним электрическая цепь используются для создания выходного тока, который является точным отображением напряжения первичной обмотки. Датчик может быть оснащен встроенным первичным резистором.

Преимущества интегральных датчиков напряжения заключаются в следующем:

- преобразование высокого напряжения;

- безопасная изоляция;

- хорошая точность;

- низкий температурный дрейф;

- отличная линейность.

Рис. П1.2. Принцип работы датчика напряжения компенсационного типа

Приложение 5. Бесконтактные конечные выключатели и индуктивный преобразователь перемещений

Принцип действия емкостного бесконтактного выключателя состоит в следующем. Чувствительная поверхность выключателя образуется двумя концентрически расположенными металлическими электродами. Их поверхности А и В (рис. П5.1) расположены в цепи обратной связи высокочастотного генератора, который настроен таким образом, что он не генерирует при отсутствии объекта детектирования. Если объект приближается к чувствительной поверхности датчика, то он попадает в электрическое поле перед поверхностями электродов и способствует повышению ёмкости связи между пластинами А и В. При этом амплитуда генератора начинает возрастать. Амплитуда колебаний регистрируется оценочной схемой и преобразуется в логический сигнал включения.

Рис. П5.1. Структура емкостного выключателя

Принцип действия индуктивного бесконтактного выключателя также основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика металлического, магнитного, ферромагнитного или аморфного магнитного материала определённых размеров. При подаче питания на конечный выключатель в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле (рис. П5.2), наводящее во внесённом материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется в зависимости от расстояния между датчиком и контролируемым предметом.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Подборка статей по вашей теме: