Измерительные преобразователи

Общие сведения. Измерительные преобразователи представ­ляют собой многочисленную группу средств измерений, предна­значенных для выполнения различных измерительных преобразо­ваний. В зависимости от допускаемой погрешности для измери­тельных преобразователей устанавливают соответствующий класс точности.

Ниже рассматриваются преобразовате­ли электрических величин, которые называются масштабные преобразователи.

Масштабные измерительные преобразователи Масштабным называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измери­тельные трансформаторы тока и напряжения.

Шунты. Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. Например, такая задача возникает в том случае, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока.

Шунт представляет собой резистор, включаемый параллель­но средству измерений. Если сопротив­ление шунта Rш=R/(п— 1), где R — сопротивление средства измерений; п=I₁/I₂ — коэффициент шунтирования, то ток I₂ в п раз меньше тока I₁.

Шунты изготавливают из манганина. В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты обычно помещают в корпусе прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Шунты могут быть многопредель­ными, т. е. состоящими из нескольких резисторов, или имеющими несколько отводов, что позволяет изменять коэффициент шунтирования. Классы точности шунтов от 0,02 до 0,5.

Шунты используют в цепях постоянного тока в магни­тоэлектрических приборах Шунты с измерительными механизмами других типов не применяют из-за малой чувстви­тельности этих механизмов, что приводит к существенному увели­чению размеров шунтов и потребляемой ими мощности. Кроме того, при использовании шунтов на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, так как с из­менением частоты сопротивления шунта и измерительного меха­низма изменяются неодинаково.

Делители напряжения. Для уменьшения напряжения в опре­деленное число раз применяют делители напряжения, которые в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление. Делители выполняют из резисторов на основе манганина. Они имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0,0005 до 0,01.

Для увеличения верхнего предела измерения средства изме­рений, например предела измерения вольтметра, имеющего внут­реннее сопротивление R_V, применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с вольтметром. При этом добавоч­ный резистор и вольтметр образуют делитель напряжения. Добавочные резисторы делают из манганиновой проволоки и используют в цепях постоянного и переменного тока (до 20 кГц). Они бывают встраиваемые внутрь прибора и наруж­ные. Серийно выпускают калиброванные добавочные резисторы, применяемые с любым прибором, имеющим указанный номинальный ток. Классы точности калиброванных добавочных резисторов от 0,01 до 1. Добавочные резисторы применяют для преобразова­ния напряжения до 30 кВ. Номинальный ток добавочных резисто­ров от 0,5 до 30 мА.

Измерительные усилители. Для усиления сигналов постоян­ного и переменного тока, т. е. для расширения пределов измере­ния в сторону малых сигналов, применяют измерительные усили­тели. По диапазону частот усиливаемых сигналов измерительные усилители бывают для постоянного тока и напряжения, низкоча­стотными (20 Гц—200 кГц), высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот. Измерительные усилители выполняют с нормированной погреш­ностью коэффициента передачи. Находят применение электрон­ные и фотогальванометрические усилители.

Применение электронных измерительных усилителей позво­ляет измерять сигналы от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью от 0,1 до 1 %. Для усиления токов и напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением используют электромет-рические усилители, отлича­ющиеся большим входным сопротивлением (до 10¹²Ом). Серийно выпускаемые измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал 10 В или 5 мА.

Измерительные трансформаторы переменного тока. Измери­тельные трансформаторы тока и напряжения используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в от­носительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с пределами измерения 5 А и 100 В. Измерительные трансформаторы в цепях высокого напряжения обеспечивают безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в цепь низкого напряжения.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолирован­ных друг от друга обмоток: первичной и вто­ричной, помещенных на ферромагнитный сердечник.

Первичную обмотку трансформатора тока включают в изме­ряемую цепь последовательно, а трансформаторов напряжения параллельно. Измерительные приборы включают во вторичную обмотку трансформаторов.

По показаниям приборов можно определить значения измеря­емых величин. Для этого необходимо показания приборов умно­жить на коэффициенты трансформации.

Коэффициент трансформации трансформатора тока это отношение тока первичной обмотки к току вторичной обмотки.

Коэффициент трансформации трансформатора напряжения это отношение напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной обмотки.

Действительные коэффициенты трансформации зависят от зна­чений токов и напряжений, характера и значения нагрузки вто­ричной цепи, частоты тока, а также от конструкции трансформа­тора и материала сердечника и неизвестны. Поэтому показания приборов умножают не на действительные, а на номинальные коэффициенты трансформации.

Определение измеряемых величин по номинальным коэффи­циентам трансформации приводит к погрешностям. Погрешность токовая трансформаторов тока, погрешность напряжения трансформаторов напряжения и угловая погрешность из-за неточно­сти передачи фазы первичной величины вторичной величине. Угловая погрешность измерительных трансформаторов оказыва­ет влияние на показания ваттметров, счетчиков электрической энергии, фазометров.

Трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым со­противлением. Полное суммарное сопротивление при­боров и подводящих проводов является нагрузкой трансформато­ра тока.

Размыка­ние вторичной цепи трансформатора тока вызовет значительное увеличениемагнитного потока в магнитопроводе. Размыкание вторичной цепи — аварийный случай, так как возрастание потока в сердечнике приводит к большому увеличению ЭДС (до несколь­ких сотен вольт), что опасно для обслуживающего персонала и может вызвать электрический пробой изоляции вторичной об­мотки. Увеличение потока сопровождается ростом потерь на перемагничивание и вихревые токи, повышением темпе­ратуры сердечника, а следовательно и обмоток, и может служить причиной термического разрушения изоляции.

Для измерительных трансфор­маторов тока переносных установлены классы точности от 0,01 до 0,2. Их изготовляют на номинальную частоту или область номинальных частот от 25 Гц до 10 кГц. Трансформаторы тока выпускают на номинальные значения первичного тока от 0,1 А до 30 кА и на номинальное значение вторичного тока 5 А.

Стационарные трансформаторы тока для частоты 50 Гц дела­ют на номинальные первичные токи от 1 А до 40 кА. Классы точности от 0,2 до 10. Допускаемое значение токовой погрешности, со­ответствующее классу точности, имеет место при значении пер­вичного тока 50 - 120 % номинального. При других значениях первичного тока погрешность увеличивается.

Трансформаторы тока изготовляют на определенную номи­нальную нагрузку, например, для стационарных трансформато­ров от 2,5 до 100 В-А.

Трансформаторы напряжения. Измеритель­ные трансформаторы напряжения работают в режиме, близ­ком к режиму холостого хода, так как во вторичную обмотку включают приборы с относительно большим внутренним со­противлением.

Погрешности напряжения и угловая зависят от нагруз­ки во вторичной цепи трансформатора. Поэтому во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляе­мая мощность не превышала номинальной мощности трансфор­матора.

Трансформаторы напряжения изготовляют на номинальные первичные напряжения от 220 В до 35 кВ при вто­ричном напряжении 150,100 и 100/Ö3 В для номинальной нагруз­ки от 5 до 25 В-А. Для трехфазных цепей изготовляют трехфазные трансформаторы напряжения.

 

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Общие сведения. Высокая чувствительность, точность и ма­лое потребление энергии выгодно отличают магнитоэлектриче­ские приборы от других электромеханических приборов. Ввиду этого стремятся использовать магнитоэлектрические приборы для измерений на переменном токе. Эта задача решается путем преобразования переменного тока в постоянный с последующим его измерением с помощью магнитоэлектрического измерительно­го механизма.

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный используют выпрямительные и термоэлектрические преобразова­тели. а также преобразователи на электронных элементах – элек­тронных лампах, транзисторах, интегральных микросхемах. В соответствии с этим различают выпрямительные, тер­моэлектрические и электронные приборы. Ниже рассматриваются выпрямительные и термоэлектрические прибо­ры.

Выпрямительные приборы представляют собой со­единение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектриче­ского измерительного механизма с отсчетным устройством.

В выпрямительных преобразователях ис­пользуют полупроводниковые диоды. Недостатком полупроводниковых диодов как выпрямитель­ных преобразователей является нелинейность вольт-амперной характеристики, нестабильность этой характеристики во времени и зависимость ее от температуры и частоты.

В выпрямительных приборах используют одно- и двухполупериодные схемы выпрямления. При использовании однополупериодного выпрямления через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная пропускается через диод и резистор.

При использовании двухполупериодного выпрямления выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода, чувствительность этих схем выше, чем однополупериодных. Наиболее распространена двухполупериодная схема выпрямления — мостовая.

Отклонение подвижной части выпрямительных приборов пропорционально среднему измеряемому току.

При измерениях в цепях переменного тока обычно нужно знать действующий ток (напряжение). Выпрямительный прибор может быть градуи­рован в действующих значениях тока (напряжения) только для заданной формы кривой (для синусоиды коэффициент формы К_ф=1,11). Если же форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от задан­ной, в показаниях прибора появляется погрешность.

Если коэффициент формы известен, то действующий ток несинусоидальной формы, измеренный прибором, градуирован­ным по синусоидальному току, может быть определен как показание прибора, умноженное на отношение коэффициентов форм измеряемого тока и синусоидального.

Зависимость коэффициента выпрямления диодов от темпера­туры, приложенного напряжения и частоты протекающего тока, а также влияние формы кривой измеряемого тока приводит к зна­чительным погрешностям выпрямительных амперметров и вольт­метров. Снижение погрешностей обычно производится путем включения дополнительных элементов в цепи приборов.

Сочетание магнитоэлектрического измерительного механиз­ма, схемы выпрямления, шунта или добавочного резистора обра­зует выпрямительный амперметр или вольтметр.

Выпускаемые в настоящее время выпрямительные приборы могут практически применяться только для измерения синусои­дальных токов и напряжений из-за большого влияния формы кривой.

Выпрямительные приборы в большинстве случаев выполняют многопредельными и комбинированными. Этими приборами пу­тем переключении элементов прибора можно измерять как постоянные, так и переменные токи и напря­жения, а также измерять сопротивления по схеме омметра. Верхний предел измерений для выпрямительных при­боров, выпускаемых отечественной промышленностью, составля­ет: тока — от 3 мА до 10 А, напряжения — от 75 мВ до 600 В (предел 75 мВ — только для постоянного напряжения), сопротивления — от 0,5 кОм до 5 МОм.

Основные достоинства выпрямительных приборов — высо­кая чувствительность, малое потребление мощности от измеря­емой цепи, возможность работы на повышенных частотах. Выпря­мительными приборами можно поль­зоваться для измерения токов и напряжений до частот 5000—10000 Гц, в приборах с частотной компенсацией рабочий диапазон частот расширяется до 50 кГц. Точность выпрямитель­ных приборов относительно невысока — класс точности обычно 1,5; 2,5.