Измерения постоянных токов и напряжений

Из средств измерений постоянных токов и на­пряжений наименьшую погрешность измерений дают компенса­торы (потенциометры) постоянного тока. Например, компенсатор типа Р332 имеет класс точности 0,0005 и позволяет измерять постоянные ЭДС и напряжения в диапазоне от 10 нВ до 2,1211111 В. Постоянные токи измеряют с помощью компенсато­ров косвенно с использованием катушек электрического сопро­тивления. При использовании катушек электрического сопротив­ления типа Р324 класса точности 0,002 и компенсатора типа Р332 можно измерять токи с погрешностью не более ± 0,0025 %. Компенсаторы используют при точных измерениях постоянных токов, ЭДС и напряжений и для поверки менее точных средств измерении.

Наиболее распространенными средствами измерении посто­янных токов и напряжении являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры) и вольтметры (микро-, милли-, киловольт-метры), а также универсальные и комбинированные приборы (например, микровольтнаноамперметры, нановольтамперметры и т. п.).

Для измерения малых и средних значений постоянных токов и напряжений наибольшее распространение имеют цифровые и магнитоэлектрические приборы. Измерения больших постоян­ных токов осуществляют обычно магнитоэлектрическими килоамперметрами с использованием наружных шунтов, а очень больших токов – посредством трансформаторов постоянно­го тока. Для измерений больших постоянных напряжений исполь­зуют магнитоэлектрические и электростатические киловольтметры. Электродинамические амперметры и вольтметры редко используют для технических измерении токов и напряжении в це­пях постоянного тока. Их чаще применяют в качестве образцовых приборов при поверке средств измерений более низкого класса точности наряду с цифровыми и магнитоэлектрическими приборами высоких классов точности.

Измерения переменных токов и напряжений.

В основу изме­рений переменных токов и напряжений положены государствен­ный специальный эталон, воспроизводящий силу тока 0,01— 10 А в диапазоне частот 40—1 • 10⁵ Гц, и госу­дарственный специальный эталон, воспроизводящий напряжение 0,1—10 В в диапазоне частот 20¸3×10⁷ Гц.

Рабочими средствами измерений переменных токов и напря­жений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры), вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), компенсаторы переменного тока, универсальные и комбинированные приборы, а также регистрирующие приборы и электронные осциллографы. При измерении переменных токов и напряжений могут измеряться их действующие, амплитудные, средние выпрямленные, средние и мгновенные значения. В практике электрических измерений чаще всего приходится измерять синусоидальные переменные токи и напряжения, которые характеризуются действую­щим значением. Поэтому подавляющее большинство средств измерений переменных токов и напряжений градуируются в дей­ствующих значениях для синусоидальной формы кривой тока или напряжения.

Малые переменные токи измеряют цифровыми, элек­тронными и выпрямительными приборами, малые переменные напряжения - электронными вольтметрами.

Переменные токи свыше килоампера и переменные напряже­ния свыше киловольта измеряют с помощью наружных измери­тельных трансформаторов тока или напряжения электромагнит­ными, выпрямительными и электродинамическими приборами. Измерения высоких переменных напряжений (до 75 кВ) при прямом включении средств измерений позволяют осуществлять электростатические киловольтметры, например киловольтметр типа С100..

В наиболее широком частотном диапазоне при измерении переменных токов работают термоэлектрические и электронные приборы, а при измерении переменных напряжений — электрон­ные и электростатические приборы. Термоэлектрические вольт­метры имеют ограниченное применение из-за большой мощно­сти, потребляемой ими из цепи измерения. В наиболее узком частотном диапазоне работают электродинамические и электромагнитные приборы. Верхняя граница их частотного диапазона обычно не превышает единиц килогерц. Связь меж­ду диапазоном измеряемых величин и частотным диапазоном для разных средств измерений разная. Однако можно указать общую закономерность: с увеличением значения измеряемой величины верхняя граница частотного диапазона снижается. При этом наблюдается и другая закономерность: с увеличением частоты погрешность измерений увеличива­ется.

При измерениях действующих значений переменных токов и напряжении, форма кривой которых отличается от синусоидальной, возникает дополнительная погрешность. Наиме­нее чувствительны к изменению формы кривой переменных токов и напряжений термоэлектрические, электростатические и элек­тронные приборы.

Наиболее точные измерения действующих значений синусои­дальных токов и напряжений можно осуществить электродинами­ческими приборами, цифровыми приборами и компенсаторами переменного тока. Однако погрешность измерений переменных токов и напряжений больше, чем постоянных.

Особенности измерений токов и напряже­ний в трехфазных цепях. В общем случае в несимметричных трехфазных цепях число необходимых средств измерений токов и напряжений соответствует числу измеряемых величин, если каждая измеряемая величина измеряется своим прибором. При измерениях в симметричных трехфазных цепях достаточно про­извести измерение тока или напряжения только в одной линии {фазе), так как в этом случае все линейные (фазные) токи и на­пряжения равны между собой. Связь между линейными и фазны­ми токами и напряжениями зависит от схемы включения нагруз­ки: В несимметричных трехфазных цепях при измерениях токов и напряжений с помощью измерительных трансформаторов можно сэкономить на количестве исполь­зуемых измерительных трансформаторов. Для примера на рис. приведена схема измерений трех линейных токов с ис­пользованием двух измерительных трансформаторов тока, а на рис. аналогичная схема измерений линейных напряжений. Эти схемы основаны на известных соотношениях для трехфазных цепей: I_A+I_B+I_C=0, следовательно, -I_C= I_A+I_B ; и U_AB+U_BC+U_CA=0 следовательно, -U_CA=U_AB+U_BC.. Следует иметь в виду, что для правильного суммирования токов необходимо следить за правильностью вклю­чения генераторных зажимов измерительных трансформаторов. Неправильное включение генераторных зажимов одного из транс­форматоров (в первичной или вторичной цепи) приведет к изме­нению фазы одного из суммируемых токов и результат получится неправильный.

Схема для измерений линейных напряжений рабо­тает аналогично. Подобные схемы могут быть использованы для измерения фазных токов и напряжений. Для измерений токов и напряжений в трехфазных цепях можно использовать средства измерений этих величин, предназначенные для однофазных це­пей. Кроме того, делаются специ­альные приборы для измерения в трехфазных цепях, которые позволяют быстро и удобно выполнить необходимые измерения.

Измерения средневыпрямленных и амплитудных зна­чений синусоидальных токов и напряжений трудностей не вызы­вают, так как эти значения однозначно связаны с действующим значением синусоиды. Для измерений средневыпрямленных токов и напряжений, форма кривой кото­рых отличается от синусоидальной, нужно использовать средства измерений с выходным сигналом, который определяется средневыпрямленным значением входной величины. К таким средствам относятся выпрямительные приборы и некоторые электронные и цифровые приборы. При градуировке этих средств в действую­щих значениях синусоиды измеряемое средневыпрямленное зна­чение находят делением показания приборов на коэффициент 1,11 Погрешность от изменения формы кривой токов и напряжений у этих приборов тем меньше, чем шире их частотный диапазон. Для измерений амплитудных значений токов и напряжений, фор­ма кривой которых отличается от синусоидальной, нужно использовать средства измерений, выходной сигнал которых определя­ется амплитудным значением входной величины. К таким средст­вам относятся некоторые электронные приборы. При градуировке этих приборов в действующих значениях синусоиды измеряемое амплитудное значение находят умножением показания приборов на коэффициент формы. Для измерений амплитуд импульсных токов и напряжений применяют импульсные электронные приборы.

Среднее значение переменного тока или напряжения характе­ризует постоянную составляющую, содержащуюся в измеряемом токе или напряжении. Для измерений средних значений перемен­ных токов и напряжений обычно применяют магнитоэлектриче­ские приборы.

Мгновенные значения переменных токов и напряжений изме­ряют регистрирующими приборами и электронными осциллографами.

Измерения мощности, энергии и количества электричества

Общие сведения. В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока, активную мощность и энергию однофазного и трехфазного переменного тока, реактив­ную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновен­ное значение мощности, а также количество электричества в очень широких пределах. Требуемая точность измерения мощности постоянного и перемен­ного тока различна для разных частотных диапазонов. Для постоянного и переменного однофазного и трехфазного тока про­мышленной частоты погрешность должна находиться в пределах: (0,01—0,1) %; при сверхвысоких частотах погрешность может быть выше ± (1—5 %).

Измерение реактивной мощности имеет практическое значе­ние лишь у крупных потребителей электроэнергии, которые всег­да питаются трехфазным переменным током. Нижний предел измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока находится на уровне нескольких вар, а верхний предел примерно 10⁶ вар. Погрешность измерения реактивной мощности должна находиться в пределах ± (0,1-0,5) %.

Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами изменения номинальных (максимальных) токов и напряжений. Для энергии, потребляемой различными электро­техническими устройствами, нижний предел диапазона измере­ния тока равен примерно 10^-9 А, а напряжения — 10^-6 В. Одна­ко средств измерений для непосредственного измерения таких малых энергий не существует, а малые значения энергии опреде­ляются косвенными методами (например, определяется мощ­ность и время). Верхний предел диапазона измерения тока дости­гает 10⁴ А, а напряжение — 10⁶ В. Допускаемая погрешность измерения энергии должна находиться в пределах ± (0,1— 2,5) %.

Измерение реактивной энергии необходимо только для про­мышленных трехфазных цепей. Поэтому нижний предел диапазо­на измерения тока в этом случае находится на уровне 1 А, а на­пряжения - 100 В. Верхний предел диапазона измерения тока при непосредственном измерении энергии равен 50 А и напряже­ния - 380 В. Допускаемая погрешность измерения реактивной энергии должна находиться на уровне ± (1—2,5) %.

В широких пределах необходимо также измерять количества электричества: от измерения количества электри­чества в кратковременных импульсах тока (единицы милликулон) до измерения количества электричества, протекающего в те­чение длительного времени (до 10¹¹ Кл). Допускаемая погреш­ность измерения количества электричества должна находиться в пределах ± (0,1—5) %.

Измерение мощности и энергии постоянного и переменного однофазного тока. Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока применяют электродинамиче­ские и ферродинамические ваттметры, принцип действия и схемы включения которых рассмотрены ранее.

Для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на частоте (до 5000 Гц) вы­пускают электродинамические ваттметры в виде переносных приборов классов точности 0,1-0,5.

Для измерений мощности в производственных условиях в це­пях переменного тока промышленной или более высоких фиксиро­ванных частот (400, 500 Гц) применяют щитовые ферродина­мические ваттметры классов точности 1,5—-2,5.

Для измерений мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры.

Для измерений мощности при больших токах и напряжениях ваттметры обычно включают через измерительные трансформа­торы тока и напряжения.

Находят применение также косвенные методы измерения мощности постоянного и однофазного переменного тока. Мощ­ность постоянного тока можно определить с помощью двух прибо­ров: амперметра и вольтметра, а мощность однофазного перемен­ного тока - с помощью трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра. При различных схемах включения приборов значения методических погрешностей измерения мощности оказываются различными, зависящими от соотношений сопротивлений приборов и нагрузки. При косвенном измерении мощности необходимо производить одновременный отсчет по двум или трем приборам. Кроме того, при этом снижает­ся точность измерения за счет суммирования инструментальных погрешностей приборов. Например, прямые измерения мощности однофазного переменного тока могут быть проведены с наимень­шей погрешностью ±0,1 %, в то время как при косвенных измерениях мощности измерение только коэффици­ента мощности возможно с наименьшей погрешностью ±0,5 %, а следовательно, общая погрешность будет превышать ±0,5 %.

Для измерения мощности переменного тока иногда применя­ют электронный осциллограф, в частности для определения мощ­ности потерь на гистерезис в ферромагнитных материалах. При этом площадь гистерезисной петли оказывается пропорциональ­ной мощности потерь.

Измерение энергии постоянного тока осуществляют с по­мощью счетчиков постоянного тока.

Энергию однофазного переменного тока измеряют индукци­онными счетчиками электрической энергии.

Электрическую энергию можно измерять также с помощью электронных счетчиков электрической энергии, не имеющих по­движных частей. Такие счетчики обладают лучшими метроло­гическими характеристиками и большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии.