Электроизмерительные приборы и электрические измерения

 

Измерение − это процесс сравнения физической величины с принятым за ее единицу значением. К средствам измерений можно отнести: меры, то есть эталонные технические средства для воспроизведения единиц физической величины, измерительные приборы; измерительные преобразователи. Все измерения физических величин разделяют на прямые и опосредствованные (косвенные). При прямом измерении значения физической величины получают непосредственно с замера. При косвенном измерении искомую физическую величину вычисляют по данными прямых измерений других величин.

Принято различать два метода измерения: прямым преобразованием и сравнением с мерой. При использовании метода прямого преобразования измеренную величину определяют непосредственным отсчетом показаний измерительного прибора. Метод сравнения с мерой разделяют на метод дифференциальный и нулевой. При дифференциальном методе измеряемый сигнал оценивают как разность измеренных сигналов от исследуемого объекта и меры. Нулевой метод − это метод сравнения, при котором сравнивают измеряемые сигналы от исследуемого объекта и меры так, что разность между ними становится равной нулю.  

Разницу между измеренным х_и и действительным значением х измеряемой величины называют абсолютной погрешностью измерения: . Точность измерения оценивают относительной погрешностью δ, которую определяют как выраженное в процентах отношения абсолютной погрешности к действительному значению измеренной величины:

Для уменьшения относительной погрешности следует выбирать границы измерений прибора так, чтобы его показания находились на последней трети шкалы или избранного диапазона измерения, поскольку абсолютная погрешность для большинства приборов практически не зависит от значения измеряемой величины.      

Точность измерительных приборов оценивают приведенными погрешностями, которые определяют в процентах по отношению абсолютной погрешности ∆ х к нормальному значению х_N. Приведенную погрешность при нормальных условиях работы, зависящую от самого прибора, называют основной погрешностью прибора. Измерительным приборам, допустимые границы погрешностей которые определяются приведенными погрешностями, присваивают класс точности, который выбирают из ряда чисел 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5 и 6·10 ⁿ, где п = +1; 0; -1; -2. Цифра, которая обозначает класс точности, указывает на наибольшее допустимое значение основной погрешности прибора.                                

По виду измеряемой величины электроизмерительные приборы разделяют на амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии, частотомеры, фазометры и прочие.

Измерительные приборы можно поделить на аналоговые и цифровые. К аналоговым приборам можно отнести все приборы со стрелочным указателем. Цифровые приборы дают показания в цифровой форме. Наибольшее распространение имеют аналоговые показывает приборы прямого отсчета. Все они имеют в своем составе две основных части: измерительный механизм и измерительная цепь.

Перемещение подвижной части измерительного прибора происходит за счет взаимодействия магнитных или электрических полей, результатом которого есть возникновение вращательного момента. Перемещение подвижной части прекращается, если наступает равенство вращательного и противодействующего моментов. Для создания противодействующего момента используют электромагнитные и механические устройства.

Для создания электромагнитного противодействующего момента в измерительном механизме устанавливают специальную обмотку, которая получает питание от одного и того же источника, что и измерительная цепь и перемещается вместе с измерительной обмоткой. Приборы с электромагнитным противодействующим моментом, созданным дополнительной подвижной обмоткой, называют логометрами. Характерной их особенностью есть то, что при отсутствии питания стрелка такого прибора может находиться в произвольном месте шкалы.

Для создания механического противодействующего момента широко используют спиральные пружины из фосфористой бронзы или растяжки. В приборах высокой чувствительности, например в гальванометрах, используют растяжки.

По принципу действия измерительной системы приборы разделяют на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, феродинамические и другие.

В приборах магнитоэлектрической системы вращательный момент создается взаимодействием измеряемого постоянного тока в подвижной катушке, выполненной из тонкого изолированного провода, намотанного на алюминиевую рамку, с полем постоянного магнита. Вращательный момент катушки пропорционален току в измерительной рамке , где С_пр − конструктивная постоянная прибора. Благодаря этому магнитоэлектрические приборы имеют удобную линейную шкалу, а благодаря большому значению магнитной индукции магнита − большую чувствительность. Направление вращательного момента катушки измерительного механизма магнитоэлектрического прибора зависит от направления тока в катушке. Поэтому магнитоэлектрические приборы можно использовать лишь в цепях постоянного тока. В цепях пульсирующего тока магнитоэлектрические приборы показывают среднее значение измеренного тока или напряжения.

Принцип действия приборов электромагнитной системы, основанный на явлении втягивания ферромагнитного сердечника в середину недвижной катушки, магнитное поле которой создает измеряемый ток. Угол поворота подвижной части прибора электромагнитной системы пропорционален квадрату измеряемого тока и изменению индуктивности измерительной катушки вследствие перемещения подвижного сердечника. Если через катушку течет переменный ток, то приложенные к ферромагнитному подвижному сердечнику силы не изменяют своего направления.

Приборы электромагнитной системы простые, надежные и дешевые. К недостаткам приборов электромагнитной системы можно отнести невысокий класс точности измерений, относительно большую потребляемую мощность, неравномерность шкалы, низкую чувствительность особенно при маленьких токах в катушке. Вследствие этого начальная часть шкалы (до 25%) таких приборов не имеет делений и не может быть использована для измерений.

Принцип действия приборов электродинамической системы состоит в силовом взаимодействии двух катушек с токами, одна из которых выполняется неподвижной. Вращательный момент М_вр такого прибора , где І ₁ и І ₂ токи катушек, М − коэффициент взаимоиндукции, α − угол поворота подвижной катушки. Поэтому шкала электродинамических вольтметров и амперметров квадратичная. Шкала электродинамических ваттметров линейная.

Приборы электродинамической системы потребляют относительно большую мощность. Благодаря отсутствию ферромагнитных сердечников с нелинейными свойствами электродинамические приборы могут иметь класс точности 0,2 и даже 0,1.

Применением ферромагнитных сердечников усиливают собственные магнитные поля катушек и увеличивают вращательный момент приборов, но одновременно уменьшается их точность благодаря явлению гистерезиса и вихревых токов в сердечнике. Такие приборы называют феродинамическими. Их применяют, главным образом, как щитовые ваттметры невысокой точности.

Для расширения пределов измерений амперметра в цепях постоянного тока параллельно нему включают шунт, через который проходит большая часть тока, а в цепях переменных токов используют измерительные трансформаторы тока.

Для расширения пределов измерений вольтметром напряжений до 1000 В в цепях постоянного тока используют прецизионные дополнительные резисторы, которые включают последовательно с вольтметром. Для расширения границ измерений вольтметров в цепях переменного тока с напряжением большее 1000 В используют измерительные трансформаторы напряжения.                                

При косвенных измерениях сопротивлений резисторов по показаниям амперметра и вольтметра следует включать вольтметр непосредственно к выводам низкоомного резистора. Если же резистор высокоомный − следует включать вольтметр перед амперметром. Более точным есть мостовой метод измерения сопротивлений.

Для измерения сопротивления изоляции используют специальные приборы − мегомметры, с встроенным магнитоэлектрическим генератором постоянного тока с ручным приводом. Вращая ручку генератора, можно получить ЭДС до 2500 В.

Электронные приборы имеют в своем составе усилители, поэтому потребляемая ими в измерительной цепи мощность намного меньше, а входные сопротивления, например электронных вольтметров, значительно большие чем вольтметров с электромеханическим измерительным механизмом. Кроме того, электронные приборы дают возможность представить измеренное значение в цифровой форме, фиксировать время и измеренную величину во внутренней памяти, передавать эти данные на компьютер для обработки данных измерений и создания протокола испытаний.

Электронно-лучевой осциллограф позволяет визуально наблюдать на люминесцентном экране кривые, характеризующие быстропротекающие переходные процессы. Важнейшая часть электронного осциллографа − электронно-лучевая трубка, которая имеет в своем составе электронный прожектор, отклоняющую систему и экран. Электронный прожектор создает узкий электронный луч. С помощью отклоняющего устройства измеряемое напряжение руководит движением электронного луча, который играет роль практически безинерционной подвижной части измерительного прибора. Луч попадает на покрытый слоем люминофора экран, на котором получается световое пятно. При отклонениях луча пятно передвигается по экрану и изображает кривую исследуемого процесса.

 

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатор − статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одного переменного напряжения в другое или несколько переменных напряжений другого уровня одинаковой частоты. Передача энергии от первичной обмотки, подключенной к сети питания, к вторичной обмотке осуществляется переменным магнитным потоком, созданным в стальном магнитопроводе. В высокочастотных трансформаторах магнитопровод может быть отсутствующим или изготовленным из ферромагнитных материалов.        

Трансформатор обычно имеет две или больше обмотки, размещенных на магнитопроводе. Магнитопровод изготовляют из пластин электротехнической стали или из стальной ленты. Обмотки изготовляют из изолированных медного или алюминиевого (в трансформаторах большой мощности) провода.

Идеальный трансформатор имеет обмотки, которые не создают магнитные потоки рассеивания и не имеют омических сопротивлений, для идеального трансформатора коэффициент трансформации   

Где U ₁, U ₂, І ₁ и І ₂ − действующие значения первичных и вторичных напряжений и токов обмоток трансформатора, а w ₁ и w ₂ − количество витков обмоток. С некоторыми приближенными свойствами идеального трансформатора можно считать присущими и трансформаторам реальным.

Номинальной мощностью трансформатора называют полную номинальную мощность .

Для анализа цепей с трансформаторами электромагнитная связь между первичной и вторичной обмотками заменяют связью электрической с условием, что мощности в обмотках трансформатора остаются неизменными. С этой целью заменяют реальную вторичную обмотку с количеством витков w ₂ обмоткой, приведенной по количеству витков к первичной, то есть обмоткой с количеством витков . Такой трансформатор можно представить схемой замещения, показанной на рис.1, в которой: R ₁ и R ′₂ − омические сопротивления проводников первичной обмотки и, соответственно, проводников вторичной обмотки, приведенной по количеству витков к обмотке первичной; X ₁ и Х′ _{2 -}− индуктивные сопротивления рассеивания первичной обмотки и, соответственно, вторичной обмотки, приведенной по количеству витков к первичной; Х_μ или X ₀ − индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленная магнитным потоком в магнитопроводе; R_μ или R ₀ − активное сопротивление, потери в котором соответствует потерям в стали магнитопровода трансформатора.

 

Рис.1. Схема замещения реального трансформатора.

 

Холостым ходом трансформатора называют режим, в котором ток в вторичной обмотке равняется нулю, то есть режим, при котором вторичная обмотка не соединена с нагрузкой. Опыт холостого хода выполняют при номинальном напряжении на первичной обмотке трансформатора. Обычно ток холостого хода . Поскольку R ₀>> R ₁, в опыте XX имеют место лишь потери в стали магнитопровода. Потерями в меди (то есть в обмотках трансформатора) можно пренебрегать. По данным измерений в опыте холостого хода определяют параметры схемы замещения R ₀ и X ₀ (или R_μ и Х_μ). Напряжение U ₂₀, измеренное в опыте холостого хода трансформатора на выводах его вторичной обмотки, считают номинальным напряжением вторичной обмотки.

Режим короткого замыкания (КЗ) трансформатора возникает, если замкнуть между собою выводы его вторичной обмотки. Если напряжение U ₁ при коротком замыкании имеет номинальное значение, то ток в первичной обмотке І _{1 k} намного больше номинального тока , поэтому при проведении опыта короткого замыкания трансформатора напряжение U ₁ уменьшают так, чтобы ток в обмотках трансформатора равнялся номинальному току. Такое напряжение называют напряжением короткого замыкания U _{1 k} . Обычно . Активная мощность, измеренная в опыте короткого замыкания равняется потерям в обмотках трансформатора при протекании по ним номинальных токов. По данным измерений из опыта короткого замыкания определяют параметры схемы замещения R ₁, R′ ₂, X ₁; X′ ₂.

После подключения к вторичной обмотке сопротивления нагрузки Z_НВ напряжение на вторичной обмотке немного уменьшается вследствие появления падения напряжения на сопротивлениях обмоток трансформатора. Разность этих напряжений  называют изменением напряжения трансформатора. Приняв за базовые единицы изменения  напряжения трансформатора в относительных единицах можно определить по формуле

Здесь  − коэффициент нагрузки трансформатора током,  − угол сдвига фаз  нагрузки.

При номинальном токе в обмотках потери в них равняются мощности Р _{1 к} , измеренной в опыте КЗ. Так как , то при других токах потери в меди обмоток будут равняться . Потери в стали зависят от частоты сети питание и магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора. Поэтому потери в стали есть неизменными и не зависят от нагрузки трансформатора током. Потери в стали равняются активной мощности трансформатора, измеренной в исследовании XX, .

Коэффициентом полезного действия (КПД) трансформатора называют отношения активной мощности, отданной трансформатором приемнику, к активной мощности, потребляемой трансформатором из сети. С учетом коэффициента мощности нагрузка и загрузка трансформатора током КПД трансформатора равняется

КПД имеет максимальное значение, если потери в меди трансформатора равняются потерям в стали, то есть когда . Обычно трансформаторы проектируют так, чтобы этот максимум наступал при β = 0,7. Тогда КПД трансформаторов средней и большой мощности находятся приблизительно в границах 0,95÷0,99, то есть потери в трансформаторах не превышают (1÷5)% от их номинальной мощности.    

Трехфазный трансформатор может быть создан из трех однофазных трансформаторов с отдельными магнитопроводами. Такой трансформатор называют групповой. Наиболее распространенным среди трехфазных трансформаторов в системах электроснабжения является трансформатор с трехстержневым магнитопроводом. Обычно трехстержневой магнитопровод трансформатора вместе с намотанными на него обмотками размещают в герметично закрытом металлическом баке, заполненном трансформаторным маслом. Назначение трансформаторного масла − обеспечивать лучшее охлаждение обмоток трансформатора и одновременно предотвращать контакт изоляции обмоток с кислородом воздуха. Работа в масляной среде замедляет старение изоляции.

Электроснабжение приемников в электроэнергетике осуществляют обычно не от одного трансформатора большой мощности, а от группы параллельно включенных на общую нагрузку трансформаторов меньшей мощности. При включении трансформаторов на параллельную работу необходимо, чтобы трансформаторы имели одинаковые номинальные первичные и вторичные линейные напряжения, одинаковые группы соединений обмоток и одинаковые напряжения короткого замыкания.

Для уменьшения потерь стали и меди изготовляют трансформаторы, которые имеют лишь одну обмотку, часть витков которой используют как вторичную обмотку, − так называемые автотрансформаторы. Мощность в автотрансформаторах подается в вторичную обмотку частично электромагнитным путем, как у обычного трансформатора, а частично электрическим, благодаря прямой электрической связи первичной и вторичной обмоток. Гальваническая связь между обмотками является одновременно недостатком автотрансформаторов с точки зрения безопасности работы персонала, который их использует.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения используют для расширения границ измерений приборов и повышения безопасности благодаря отделению цепей измерительных приборов от цепей высокого напряжения.

В электросварке широко используют специальные сварочные трансформаторы. Для обеспечения постоянного горения дуги и уменьшения перепадов тока при коротких замыканиях дугового промежутка сварочные трансформаторы должны иметь мягкую внешнюю характеристику (то есть характеристику с большим углом наклона к оси абсцисс). Поэтому они имеют в своем составе так или иначе конструктивно оформленный дроссель с регулированным воздушным зазоре, включенный последовательно с дуговым зазором. Изменением воздушного зазора можно регулировать индуктивное сопротивление обмотки дросселя и изменять наклон внешней характеристики сварочного трансформатора.