Розділ 1вимірювання електричних величин

ВСТУП

Вимірювання фізичних величин застосовують не тільки в технічних науках, а й в інших галузях. Вимірювання є гарантом забезпечення ефективних технологічних процесів та високої якості продукції, без вимірювання не мислимі всі дослідження науки і техніки. Загальний рівень розвитку науки і техніки, технічний прогрес у всіх галузях завжди визначався і визначається рівнем розвитку вимірювальної техніки. Це ствердження випливає з ролі вимірювань як джерела найоб’єктивнішої інформації про навколишній матеріальний світ. Особливо важлива роль електричних вимірювань, які завдяки ряду переваг над неелектричними вимірюваннями, стали основними.

Переваги електричних вимірювань:

– Універсальність, тобто можливість вимірювань не тільки електричних величин, а й не електричих, попередньо перетворивши на електричні;

– Дистанційність – можливість передачі вимірюваної інформації у вигляді електричних сигналів на практично довільні відстані від досліджуваного об’єкта;

– Можливість вимірювань швидкозмінних величин за допомогою малоінерційних електронних засобів вимірювальної техніки;

– Можливість забезпечення високої чутливості та потрібної точності;

– Можливість комп’ютеризацї вимірювань.

Сучасна інформаційна техніка дає можливість вимірювати найрізноманітніші величини (електричні, магнітні та неелектричні – теплові, механічні, світлові і т. д.). У переважній більшості неелектричні величини вимірюються електричними вимірювальними приладами після попереднього перетворення неелектричних величин в електричні як найзручнішу для передачі, підсилення, порівняння точного вимірювання. Тому предметом вивчення дисципліни буде вивчення методів, засобів електричних вимірювань електричних, магнітних та неелектричних величин.

 

РОЗДІЛ 1ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

1.1 Вимірювання струму, напруги та заряду

 

Діапазон значень струму та напруги, що треба вимірювати в сучасній практиці дуже широкий (від часток пікоампер до сотень кілоампер, від часток нановольт до одиниць мегавольт). Вимірювання малих струмів та напруг є типовою задачею, що виникає під час роботи з різними первинними перетворювачами – тензорезистивні, терморезистивні, п’єзоелектричні, іонізаційні і т. д. До малих струмів та зарядів належать струми від 10^-18 – 10^-5 А; напруги – 10^-10 – 10^-5 В; заряду – 10^-12 – 10^-5 Кл. Нижчі границі діапазонів відповідають реально досяжним порогам чутливості відповідних вимірювальних приладів.

 

1.1.1 Вимірювання постійних струму та напруги

 

Для вимірювань постійних струмів та напруг найчастіше використовують магнітоелектричні прилади, яким властиві висока чутливість, точність, широкий діапазон вимірювань. Магнітоелектричні прилади з вмонтованими шунтами та додатковими резис­торами дають змогу вимірювати струм від 10^-8 до 50 А, а напругу – від 10^-5 до 1000 В. Приведемо основні схеми вимірювань напруги вольтметром з додатковим резистором (рис. 1).

а) б)

Рисунок 1 – Основні схеми вимірювань напруги вольтметром (а) та вольтметром з додатковим резистором (б)

,

де – параметри вольтметра;

– опір додаткового резистора

 

Номінальний струм додаткових резисторів повинен збігатися за значенням зі струмом повного відхилення вольтметра, а його опір вибирається таким, щоб множник був цілим числом кратним 2 або 5, або 10.

Клас точності додаткового резистора повинен бути вищим від класу точності вольтметра.

Приведем основні схеми вимірювання струму (рис. 2).

а) б)

Рисунок 2 – Основні схеми вимірювання струму за допомогою амперметра (а) та мілівольтметра з шунтом (б)

 

Основні схеми вимірювання струму:

– За допомогою амперметра;

– За допомогою мілівольтметра з шунтом.

,

де – параметри шунта;

– опір та струм мілівольтметра

Клас точності шунта повинен бути вищим від класу точності мілівольтметра. Для вимірювання струмів, що перевищують 10 кА (це максимальне значення для серійних шунтів) можна скористатися паралельним з’єднанням декількох шунтів.

Для вимірювання дуже великих струмів, а також для вимірювання струму в колах високої напруги, застосовують вимірювальний трансформатор постійного струму з магніторезистивним амперметром.

Вимірювання струму та напруги може відбуватися за допомогою електродинамічних приладів, електростатичних амперметрів, аналогових та цифрових електронних приладів.

Електродинамічні прилади за точністю не поступаються магнітоелектричним, однак мають значно менший діапазон вимірювань (1 млА – 10 А по струму, від 1 до 600 В) та вони споживають значно більшу потужність, тому їх застосування на постійному струмі обмежене.

Суттєву перевагу мають електро-статичні вольтметри. Вони практичо не споживають потужності від досліджуваного об’єкта, тому їх доцільно застосовувати для вимірювання напруги в малопотужних колах.

Найширші можливості мають електронні (аналогові, цифрові) прилади. Важливими перевагами є:

– Широкодіапазонність;

– Мале споживання енергії від досліджуваного об’єкта;

– Висока точність;

Переваги цифрових приладів:

– Висока швидкодія;

– Автоматичний вибір діапазону вимірювання;

– Визначення полярності вимірюваної величини

– Можливість передачі та реєстрації результатів вимірювання.

Найточніші вимірювання напруги здійснюються за допомогою компенсаторів напруги постійного струму. Принцип дії компенсатора полягає в тому, що вимірювальна ЕРС або напруга Ux зрівноважується з відповідним падінням напруги на компенсаційній опорі при проходженні через нього струму від зовнішнього джерела напруги. Якщо вимірювана напруга не перевищує верхньої границі вимірювання компенсатора, то вона подається на затискачі компенсатора. Похибка залежить від класу точності компенсатора і може бути зведена до 0,002%. Якщо вимірювана величина перевищує верхню границю вимірювання компенсатора, що в більшості випадків становить 1,2 або2,4 В, використовують подільники напруги. Приведем схему вимірювання напруги за допомогою компенсатора напруги постійного струму (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема вимірювання напруги компенсатором напруги постійного струму

 

Серійні подільники напруги дають змогу розширити границі вимірювання компенсатора до 1000 В. Здебільшого вони мають коефіцієнт ділення 10, 100, 1000.

Вимірювання струму за допомогою компенсатора полягає у вимірюванні спаду напруги на відомому опорі R0. Приведем схему вимірювання струму компенсатором напруги постійного струму (рис. 4).

Значення опору R0 вибирають таким, щоб падіння напруги на ньому не перевищує верхньої границі вимірювання компенсатора. Для точних вимірювань великих постійних струмів використовують метод компарування – безпосереднього порівняння двох однорідних величин, одна з яких пропорційна вимірювальній величині, інша може бути виміряна з високою точність.

Рисунок 4 – Схема вимірювання струму компенсатором напруги постійного струму

 

Вимірювання великих постійних струмів зводиться до вимірювання порівняно невеликого струму, значення якого може бути визначене з високою точність.

Покажемо на рисунку принципову схему резистивного компаратора струму(рис. 5).

Рисунок 5 – Принципова схема резистивного компаратора струму ()

 

Принцип роботи резистивного компаратора струму оснований на порівнянні падіння напруг, що створюється великим струмом Ix та компенсаційним струмом I2 на двох точних резисторах R1 і R2. Оскільки струм I2 значно менший від струму Ix, він може бути виміряний точно по падінню напруги на зарядковому опорі R0 за допомогою цифрового вольтметра.

Для точних вимірювань дуже великих постійних струмів використовують магнітні компаратори.

 

1.1.2 Вимірювання змінних струму та напруги

 

Для вимірювання діючого значення струму та напруги промислової частоти найчастіше користуються електро-магнітними, електро-динамічними та феро-динамічними приладами, а на підвищених – термоелектричними, електростатичними та електронними аналоговими та цифровими приладами.

Середня область значень змінних струму та напруги – 10 мА – 10 А та 1 – 600 В може бути виміряна будь-яким з приладів вище перелічених систем. Однак при вимірюванні та при виборі конкретних приладів слід враховувати їх конкретні особливості.

Для вимірювання струму менше 1 мА і напруги нижче 0,1 В ефективно застосовувати електронні прилади, нижні границі вимірювання яких досягає 10^-9 А і по напрузі 10^-6 В.

Найвищу границю вимірювання по струму мають електро-магнітні амперметри; по напрузі – електро-статичні. Сучасні цифрові вимірювальні прилади можуть вимірювати значення діючої напруги частотою від 1,5 Гц до 1 МГц в діапазоні від 1 мкВ до 750 В.

Для розширення границь вимірювання амперметром застосовують вимірювальні трансформатори струму. Покажемо на рисунку схему вимірювання змінного струму з використанням вимірювального трансформатора струму (рис. 6).

Похибка вимірювання включає похибки амперметра і коефіцієнт трансформації струму. Щоб зменшити вплив останньої клас точностівимірювання трансформатором завжди беруть вищим від класу точності амперметра.

Рисунок 6 – Схема вимірювань змінного струму з ВТС

 

,

де – номінальний коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора струму;

– навантаження

 

Напругу, яка перевищує 600 вимірюють використовуючи вимірювальні трансформатори напруги. Приведем схему вимірювань змінної напруги з вимірювальним трансформатором напруги (ВТН) (рис. 7).

Рисунок 7 – Схема вимірювань змінної напруги з ВТН

 

,

де – номінальний коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора напруги

 

Якщо напруга кола перевищує 600 В, вторинну обмотку і корпус трансформатора заземляють.

Прилади прямого перетворення забезпечують вимірювальні напруги та струму не нижче 0,1 %. Точніші вимірювання можна проводити за допомоою компараторів.

 

1.1.3 Вимірювання електричних зарядів

 

Особливість вимірювань зарядів полягає в тому, що об'єкти досліджень, заряди яких вимірюють, є дуже мало­потужними і з високим внутрішнім опором. Тому вимірю-вальні кола засобів вимірювань зарядів можуть будуватись з використанням вимірювальних підсилювачів із дуже високим вхідним опором. Приклад такого вимірювального кола наведений на рис. 11.7. В цьому колі використовуєть­ся неінвертуючий підсилювач на основі операційного під­силювача з вхідним каскадом на польовому транзисторі.

Рисунок 8 – Вимірювальне коло перетворювача заряду

 

Напруга, що надходить на вхід підсилювача

,

де С - еквівалентна ємність паралельно з'єднаних ємності досліджуваного об'єкта, кабелю та вхідної ємності вимірювального кола;

R - еквівалентний опір паралельно з'єднаних опору досліджуваного об'єкта, опору ізоляції кабелю та вхідного опору вимірювального кола.

 

Вихідна напруга підсилювача

Основним недоліком такої схеми є залежність вихідної напруги від ємності, ос­новною складовою якої є ємність кабелю, яка суттєво змінюється залежно від поло­ження кабелю, температури та вологості.

Сьогодні поряд з підси­лювачами напруги у вимірю­вальних колах засобів вимі­рювань зарядів використову­ються перетворювачі заряду в напругу (рис. 9). їх, зви­чайно, називають підсилюва­чами заряду (інтегрувальними підсилювачами струму). Якщо конденсатор попередньо розряджений, то при надходженні на вхід підсилювача за схемою (рис. 9,а) електричного заряду q_ex на його виході за умови що к» 1 одержимо

 

Рисунок 9 – Схеми підсилювачів заряду (інтегрувальних підсилювачів струму)

Для періодичного розряду конденсатора перед кожним наступним вимірюванням передбачений ключ S.

Підсилювач заряду за схемою на рис. 9,б) дозволяє отримати високий коефі­цієнт підсилення без особливого зменшення ємності С. Оскільки для такого підсилю­вача

,

то підвищення коефіцієнта підсилення може бути здійснено за рахунок відношення R₂/R₃

 

1.2 Вимірювання потужності, енергії та показників якості електроенергії

 

Потужність та енергія є основними характеристиками більшості фізичних об’єктів, процесів тому вимірювання цих величин набуває все більшого значення та підвищення точності вимірювання. На прктиці доводиться вимірювати потужності від часток пВт до десятків ГВт. Потужність в електричному полі постійного струму дорівнює:

Активна потужність однофазному електричному колі змінного струму визначається як середнє значення потужності за період t.

Коли струм і напруга є синусними функціями часу, активна потужність визначається як:

– коефіцієнт потужності

S – повна потужність

Для оцінки ефективності різних електро-технічних пристроїв користуються поняттям реактивної потужності.

Коефіцієнт потужності визначається як відношення активної потужності до повної:

Лічильники електричної енергії складаються з вимірювального перетворювача потужності та інтегратора.

 

1.2.1 Вимірювання потужності постійного та однофазного змінного струму

 

Для вимірювання потужності в колах постійного струму та змінного струму частотою від 50 Гц до 50 кГц використовуються електродинамічні, та феродинамічні ватметри.

Розширення границь вимірювання в бік малих значень напруг та струму досягають попереднім підсиленням вхідних сигналів.

Потужність в колі постійного струму можна також визначити опосередковано, тобто вимірюючи струм та напругу.

Рисунок 10 – Схеми вимірювання потужності постійного струму за допомогою амперметра та вольтметра.

 

Похибки вимірювання в цьому випадку складаються з похибки вольтметра, амперметра та методичної похибки, яка зумовлена споживанням потужності приладів і залежність від їх схеми ввімкнення.

При вимірюванні великої потужності це відношення нехтовно мале і можна користуватися будь-якою із запропонованою схемою.

При вимірюванні малих потужностей необхідно вибрати схему, яка забезпечить меншу методичну похибку. Цю похибку можна звести до незначної і потужність визначати за формулами вище приведеними.

Для вимірювання потужності за допомогою амперметра та вольтметра використовують магнітоелектричні прилади з широким діапазоном вимірюванням та порівняно високою точністю до 0,01 %, а для вимірювання з високою точністю використовують цифрові прилади, що дає можливість не враховувати споживання приладів. При наявності ватметрів безумовно віддають перевагу прямому методу вимірювання потужності як на постійному так і на змінному струмі.

Існують 2 види схем вимірювання ватметром. Вимірювання потужності ватметром одночасно контролюється значення напруги та струму, тому в схемі передбачений амперметр та вольтметр.

Приведемо схеми вимірювання потужності в колах постійного та змінного однофазного струму (рис. 11).

Рисунок 11 –Схеми вимірювання потужності в колах постійного та змінного однофазного струму

 

,

де – ціна похибки ватметра;

– кількість поділок, на які відхилився вказівник ватметра

 

При вимірюванні великих потужностей можна вибрати будь-яку із наведених схем. При вимірюванні малої потужності необхідно вибрати ту схему, для якої значення методичної похибки буде меншим (на практиці користуються схемою а).

Безпосереднє ввімкнення ватметра в коло здійснюється при значеннях струму до 5 А та напруги до 600 В.

Якщо вимірювати струм більше 5 А, для розширення границь вимірювання використовують вимірювальні трансформатори струму (ВТС), а при напрузі більше 600 В – вимірювальні трансформатори напруги (ВТН) та ВТС.

Приведемо схеми вимірювання струму та напруги з допомогою ВТН та ВТС (рис. 12).

 

Рисунок 12 – Схеми вимірювання струму та напруги з допомогою ВТН та ВТС

, ,

де – коефіцієнт трансформації ВТС та ВТН відповідно

 

Відносна похибка вимірювання потужності складається з суми похибок ватметра та вимірювального трансформатора. Для зменшення похибки вимірювання трансформатора треба брати вищого класу точності, ніж ватметри.

Для вимірювання реактивної потужності використовуються варметри.

 

1.2.2 Вимірювання активної та реактивної потужності у мережах 3-фазного змінного струму

 

Будь-яка 3-фазна чотири провідна мережа може розглядатися як поєднання трьох однофазних мереж з нульовим проводом.

Вимірювання активної потужності здійснюється вимірювальної активної потужності кожної з фаз щодо нульового провода за допомогою 3-х однофазних ватметрів.

У 3-фазній мережі без нульового провода активна потужність може бути визначена за показами 2 ватметрів активної потужності, струмові кола яких втикаються в будь-які 2 контури, а кола напруг під’єднані до них генератор затискачами. Приведем схему вимірювання активної потужності трифазного споживача (рис. 13).

Рисунок 13 – Схема вимірювання активної потужності трифазного споживача

 

Для вимірювання реактивної потужності в колах 3-фазного струму використовуються однофазні ватметри активної потужності або 3-фазні вимірювачі реактивної потужності – варметри.

За повної симетрії для вимірювання реактивної потужності 3-и або4-и провідного кола можна використовувати 1 ватметр, струмове коло якого вмикається послідовно в 1 із 3-х ліній, а коло напруги під’єднується до 2-х інших ліній.

Значення реактивної потужності 3-фазного споживання буде визначатися за формулою:

 

1.2.3 Вимірювання енергії та показників якості електроенергії

 

Для вимірювання та обліку енергії постійного струму застосовують електродинамічні та феродинамічні лічильники. В колах змінного струму промислової частоти вимірювання та облік електроенергії здійснюється за допомогою індукційних лічильників електроенергії.

В загальному випадку лічильник вмикається через вимірювальний трансформатор струму, а при високих напругах – через ВТС та ВТН.

Основним недоліком індукційного лічильника є його порівняно невисокий клас точності та, здебільшого, вузький частотний діапазон (45-60 Гц).

Перспективним є застосування для обліку енергії (особливо на транспорті) електронних лічильників.

Наведемо структурну схему такого лічильника (рис. 14

 

Рисунок 14 – Структурна схема електронного лічильника електричної енергії

 

Лічильник виконується на базі первинного перетворювача потужності в ППН. Оскільки одним з найзручнішим варіантам інтегрування напруги є проміжне перетворення напруги в частоту, то в схемі передбачається ПНЧ і подальше інтегрування частоти (підраховуються кількість імпульсів) відбувається за допомогою інтегрувального пристрою ІП. Вихідний код N за відповідний проміжок часу буде пропорційний спожитій електроенергії за відповідний час. В якості інтегрувальних пристроїв здебільшого використовують мікропроцесори. Похибка таких лічильників для обліку енергії промислової частоти складає від 0,1-1 %.

Під якістю енергії розуміють ступінь відповідності і параметрів певним встановленим нормам значень.

Параметр – це величина, що кількісно характеризує яку-небудь властивостями електроенергії.

Норми якості електроенергії встановлюються за показниками її якості, тобто за величинами, які визначають якість електроенергії за 1 або кількома параметрами. Для аналізу роботи енергосистем на практиці використовують групи показників якості електроенергії за такими ознаками:

1. Відхилення напруги (від номінального значення);

2. Коливання напруги;

3. Не синусоїдальність напруги;

4. Відхилення частоти;

5. Провали напруги та тимчасові перенапруги;

6. Несиметрія напруг (для трифазних напруг).

Відхилення напруги. Відхилення напруги від її номінального значення характеризується показником усталеного відхилення напруги на виводах приймачів електро­енергії, нормально допустиме значення якого дорівнює ± 5%, а граничнодопустиме – ± 10% від номінальної напруги .

Усталене відхилення напруги обчислюють за виразом:

де – усереднене середньоквадратичне значення напруги з N спостережень (не менше 18 спостережень) за інтервал часу в одну хвилину; - номінальна лінійна чи фазна напруга.

Здебільшого усталене відхилення напруги визначається за показами автономних цифрових вольтметрів або як таких, що входять у склад складніших приладів чи інформаційно- вимірювальних систем.

Коливання напруги. Одним із основних показників, що характеризують коливання напруги, є розмах зміни напруги . Граничнодопустиме значення розмаху зміни напру­ги, обвідна якої, а отже, і середньоквадратичне значення напруги, має форму меандра (рис. 15) і нормується стандартом ГОСТ 13109-97. Залежно від інтервалу між зміна­ми напруги, не повинен перевищувати ±4,0 % при = 60 хв і ±0,4 % при = 0,1 хв. Розмах зміни напруги визначають за формулою:

де та – значення екстремумів, що ідуть один за одним і визначаються на кожному півперіоді основної частоти.

 

Рисунок 15 – Розмах зміни напруги для коливань напруги за формою меандра

Несинусоїдальність напруги. Несинусоїдальність напруги характеризується коефіцієнтом спотворення форми кривої напруги та коефіцієнтом п- ї гармонічної складової.

Коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги К_и визначається як

де – діюче значення напруги основної частоти;

U_n - діюче значення п- їгармоніки, причому в ГОСТ 13109-97 - регламентується т = 40.

Допускається визначити як

Значення коефіцієнта п- їгармонічної складової визначається як

Оцінюють значення цих коефіцієнтів як результат усереднення N їх вимірювань на інтервалі часу в 3 с. Кількість вимірювань повинна бути не менше ніж 9.

При цьому основними вимірювальними засобами є спектральні аналізатори та вимірювачі нелінійних спотворень електричних сигналів. Перші з них грунтуються на застосуванні системи фільтрів, кожен з яких налаштований на кратну основній частоту повторення. Останнім часом, завдяки розвиткові мікропроцесорів, використовують спеціальні алгоритми цифрових фільтрів, що базуються на опрацюванні миттєвих зна­чень дискретизованих сигналів. Такі прилади дають змогу отримувати спектральний розклад сигналів електромережі із задекларованою кількістю п гармонік з точністю не вище ±1%. Другий вид пристроїв, що вимірюють лише значення , будується на основі високодобротного фільтра, який відокремлює сигнал основної гармоніки від сумарного сигналу, залишаючи тільки сигнал, що характеризує вищі гармоніки, починаючи з другої. З відношення отриманого діючого значення напруги вищих гармонік до діючого значення напруги основної гармоніки або номінальної напруги знаходять коефі­цієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги мережі . Похибка вимірювання при цьому становить не менше ±0,5%.

Відхилення частоти. Відхилення частоти напруги змінного струму в електричних мережах характеризується показником відхилення частоти в ± 0,2 Гц як нормально до­пустиме та ± 0,4 Гц як гранично допустиме.

Вимірювання відхилення частоти здійснюють так. Для кожного i -го спосте­реження за встановлений проміжок часу вимірюють дійсне значення частоти і обчислю­ють усереднене значення частоти _у як результат усереднення N спостережень , на проміжку часу 20 с за формулою

Кількість спостережень N повинна бути не менше 15.

Відхилення частоти визначають як

де – номінальне значення частоти.

Вимірювачі будуються здебільшого на основі цифрових схем визначення періоду повторення та частоти синусоїдальних сигналів, розглянених вище. При цьому точність вимірювання знаходиться в межах ±0,05... ±0,10%.

Провали напруги та тимчасові перенапруг. Провали напруги та тимчасові пере­напруги можуть виникати в результаті перерегулювань систем стабілізації напруги або внаслідок комутаційних процесів мережі (рис. 16).

Явище провалу напруги фіксується в момент часу , коли з'являється різке зни­ження обвідної середньоквадратичного значення напруги на півперіоді основної частоти нижче від рівня 0,9 .Тривалість провалу , де – момент часу відновлення середньоквадратичного значення напруги за півперіод частоти мережі до значення 0,9 . Якісним показником провалу напруги є її глибина , де – найменше зі всіх виміряних середньоквадратичних значень напруги.

Рисунок 16 – Провал напруги (а); часова перенапруга (б) та імпульсне спотворення напруги (в)

Завдяки комутативним та атмосферним явищам в мережі найчастіше можливі два види різкого збільшення напруги. Перший з них характеризується порівняно тривалим (до однієї хвилини) зростанням амплітуди напруги із збереженням форми сигналу, близької до синусоїдальної (рис. 16,б). Це збільшення напруги називають часовою перенапругою. Початком цього явища вважають момент різкого перевищення амплітуди

напруги U_m упродовж кожного півперіоду значення ,причому тривалість фронту такого зростання напруги не повинна перевищувати 5 мс. Закінчення перенапруги відбувається в момент повернення амплітуди контрольованої напруги до значення . Інтервал між цими моментами часу називають тривалістю часової перенапруги . Інколи для визначення використовують як граничне не амплітудне, а середньоквадратичне значення напруги (). Крім тривалості ,основним показником явища часової перенапруги вважають коефіцієнт часової перенапруги, що визначається з виразу

де – найбільше з виміряних за час контролю амплітудне значення вхідної напруги.

Крім означених перевищень, в електричній мережі часто зустрічаються швидкі імпульсні спотворення форми напруги (рис. 16, в). Здебільшого тривалість таких одно-чи біполярних імпульсів становить =1 мкс....5 мс. Розрізняють амплітуду власне імпульса відокремленого від кривої синусоїдальної напруги, та максимальне сумарне значення напруги з урахуванням миттєвого значення синусоїдальної напруги. Залежно від номінального значення напруги мережі та її особливостей максимальне значення може сягати (3...10) . Так, наприклад для мережі = 220кВ – () _max може досягати до 705 кВ.

Якщо для вимірювання показників часової перенапруги та провалів напруги здебільшого застосовують спеціалізовані цифрові вольтметри на основі АЦП та одно-кристальних мікропроцесорів типу MCS^®51 чи з RISC- архітектурою, то для контролю імпульсів напруги частіше використовують імпульсні вольтметри. Найпростіші, але менш точні схеми з похибкою вимірювання в межах ± 1,0....± 5,0 % реалізуються за до­помогою різних варіантів випрямних схем амплітудного значення напруги на швидкодіючих напівпровідникових діодах. Застосування принципів побудови аналого­вих обчислювальних машин з різними функціональними і операційними перетворюваль­ними схемами дає змогу точніше виділити момент появи і закінчення імпульсу на фоні синусоїдального сигналу напруги та визначити амплітуду імпульсу.

Один з варіантів реалізації таких вимірювачів з амплітудно-часовим перетворен­ням імпульсів напруги наведено на рис. 12.10, де СЗ - схема заряду конденсатора С, СТС - стабілізатор струму розряду цього конденсатора, СА - схема аналізу заряду-розряду С.

Поява імпульса напруги викликає заряд накопичувального конденсатора до зна­чення напруги, яке дорівнює амплітуді імпульсу . Після цього відбувається паралельне перетворення накопиченої напруги двома каналами. За допомогою вибраного режиму розрядження конденсатора, близького до лінійного, стабільним струмом схеми СТС на першому виході отримують прямокутний імпульс з періодом повторення Т_вих =f ().

Рисунок 17 – Схема амплітудно-часового та часо-амплітудного перетворення імпульсів напруги

Похибка отриманого результату визначається наявною нелінійністю розрядження конденсатора С і сягає ±1,0...±2,0% для найменшої амплітуди імпульсу ()_min= 100 В в мережі з = 380 В.

Одночасно схемою аналізу СА на другому виході формується напруга U_eux пропорційна часу лінійного заряду конденсатора С, тоб­то

,

де I - струм заряду конденсатора, k_t - коефіцієнт пропорційності, що визначається особливостями схем СЗ та СА. Точність вимірювання мінімальних тривалостей до 10 мкс та амплітуди імпульса до 100 B в мережі з = 380 В становить ± 1,0...2,5%.

Несиметрія напруг. Відомо, несиметричну трифазну систему можна розкласти на 3 симетричні системи: прямої, зворотної та нульової послідовності.

Несиметрія трифазної системи напруг характеризується такими показниками якості енергії, як коефіцієнтом несиметрії напруг за зворотною послідовністю:

та коефіцієнтом несиметрії напруг за нульовою послідовністю:

де – напруга нульової послідовності;

– напруга прямої послідовності;

– напруга зворотної послідовності.

 

1.2.4 Вимірювання частоти

 

Для вимірювання та контролю частоти в промислових умовах в діапазоні від 20 до 2500 Гц з порівняно невисокою точністю 1-4% використовують електродинамічні частотоміри на базі логометрів. Приведемо схему логометра (рис. 18).

 

Рисунок 18 – схема електродинамічного частотоміра

 

Наявність в полі рухомих рамок 1 та 2 та нерухомої котушки 3, частотозалежних конденсаторів С₁ та С₂ та індуктивності L забезпечує однозначну залежність відхилення рухомої частини логометра від частоти, тобто , де – кут відхилення стрілки, – частота.

Для вимірювання частоти від сотень кГц до сотень ГГц застосовують резонансний метод, який базується на порівнянні вимірювальної частоти з частотою власних коливань коливного контура.

Покажемо на рисунку схему резонансного частотоміра з коливною системою у вигляді контура із зосередженими LC – параметрами (рис. 19).

Рисунок 19 – Схема резонансного частотоміра

 

Вимірювальний LC – контур має індуктивний зв’язок із колом досліджуваного сигналу та автотрансформаторний зв’язок з колом індикатора. Регулювання ємності С конденсатора змінної ємності настроюють на частоту власних коливань LC – контура в резонанс з вимірювальною частотою і частота .

Значення вимірювальної частоти визначається за показами конденсатора змінної ємності. Похибка таких частотомірів складає до 1%.

Найвищу точність вимірювань в діапазоні від часток Гц до сотень МГц забезпечують цифрові частотоміри. В залежності від способу інтервалу усереднення розрізняють частотоміри прямої лічби, що будуються на основі аналого-цифрового структурного хронометра. При цьому точно відомі інтервали часу підрахунку кількості імпульсів невідомої частоти.

Розглянемо принцип дії обчислювального частотоміра за методом постійного збігу. Приведем на рисунку спрощену схему обчислювального частотоміра (рис. 20), яка складається з маштабуючого блоку, формувача імпульсів, кварцового генератора, 2-х лічильників, процесора та відліковувача.

Рисунок 20 – Спрощена структурна схема обчислювального частотоміра

 

Вхідна напруга вимірювальної частоти нормується масштабуючим пристроєм МП до номінального рівня, зручного до подальшого опрацювання. У формувачі імпульсів ФІ задається строб-імпульс (імпульс заданого періоду) з тривалістю , що встановлюється в залежності від вимірюваної величини . З виходу ФІ на перший лічильник Л1 частотоміра надходить певна послідовність імпульсів кількістю , яка дорівнює кількості повних періодів вхідного сигналу, синхронізованого з переднім та заднім фронтами строб-імпульса.

Одночасно, починаючи з переднього фронту, за допомогою Л2 визначається – кількість імпульсів базової частоти від кварцового генератора:

Мірою вимірюваної частоти буде відношення , що визначається процесором і фіксується відліковим пристроєм ВП. Діапазон вимірювання обчислювального частотоміра від 0,1 Гц – 500 МГц.

 

 

1.3 Вимірювання електричного опору

 

На практиці доводиться вимірювати опір у дуже широкому діапазоні (від нОм до 10¹⁴ Ом). Крім того існують дуже різні вимоги до точності вимірювання. Тому використовують різноманітні методи та засоби вимірювання електричного опору. Для вимірювання з порівняно невисокою точністю використовують прилади прямого перетворення. Для більш точних вимірювань використовуються мости, компенсатори постійного струму, цифрові пристрої. Вимірювання опорів завжди пов’язано з розсіюванням в ньому деякої потужності. Тому при виборі методу вимірювання необхідно подбати, щоб потужність, що розсіюється в досліджуваному опорі не перевищувала номінального для нього значення (інакше може відбутися перегрівання і відповідні температурні зміни опору, наприклад, при дослідженні опору на мідних обмотках електричних машин, терморезистивних перетворювачах і т. д.).

Під час вимірювання низькоомних опорів, низькоомні резистори слід під’єднувати до вимірювального приладу використовуючи 4 контакти (2 струмові та 2 для вимірювання напруги). При вимірюванні високоомних опорів (більше 10⁵ Ом) слід враховувати опір ізоляції.

 

1.3.1 Прямі та опосередковані вимірювання опорів

 

Для прямих вимірювань опорів в діапазоні від 10^-5 до 10⁹ Ом можна використати магнітоелектричні омметри та мегомметри. Для більших значень опорів (до 10¹⁵ Ом) – електронні мега- та тераометри. Точнішими є опосередковані вимірювання опорів за допомогою амперметра та вольтметра. Покажемо на рисунку такі схеми вимірювання опору (рис. 21).

Рисунок 21 – Схеми вимірювання опору за допомогою амперметра та вольтметра

 

Вимірюючи струм та напругу за 1-ою із схем значення вимірюваного опору можна знайти за показами амперметра та вольтметра за формулою .

Похибка складається з похибки амперметра та вольтметра, а також методичної похибки, яка зумовлена споживанням напруги вимірювальним приладом. При вимірюванні низькоомних оорів користуються схемою а), при високоомних – схема б). Методичну похибку можна усунути, якщо опір визначати за схемою а) – ; і для схеми б) враховуючи спад напруги на амперметрі .

Перевагою методу є можливість вимірювання при будь-якому значенні струму та напруги, охоплених діапазоном вимірювання амперметром та вольтметром в діапазоні вимірювань (10^-6 - 10¹³) Ом.

 

1.3.2 Мостовий метод вимірювання опору

 

Мостовий метод вимірювання опору застосовується в діапазоні (10^-8 - 10¹⁶) Ом. Одинарні мости вимірювання опору мають обмежену нижню границю вимірювань через вплив опорів з’єднувальних проводів на результат вимірювання. Щоб зменшити такий вплив в одинарних мостах застосовують клемне під’єднання мостів, завдяки чому можна виміряти опір до 0,001 Ом. Дуже малі опори вимірюють подвійними мостами постійного струму. Це опори в діапазоні (10^-8 - 100) Ом. Приведем схеми одинарного та подвійного мостів постійного струму (рис. 22).

Необхідно опори всіх плечей вибирати по можливості близькими один до одного. Гальванометри потрібно вибирати так, щоб по можливості його опір дорівнював .

Рисунок 22 – Схема одинарного та подвійного мостів постійного струму

 

При вимірюванні опору, коли плечі моста порівняно низькоомні, використовуюють низькоомні гальванометри. При високоомних мостах – високоомні гальванометри.

 

1.3.3 Особливості вимірювання опору ізоляції та опору заземлення

 

1. Вимірювання опору ізоляції електричних пристроїв.

Для вимірювання опору ізоляції пристроїв, що не знаходяться під напругою використовують електромеханічні або електронні магомметри. Вибір типу та межі вимірювань визначається параметром досліджуваного об’єкта. Приведемо схему вимірювання опору ізоляції екранованого кабелю (рис. 23).

Схема живиться від генератора постійної напруги. Як вимірювальний прилад використовується логометр (Л).

Особливістю вимірювання опору ізоляції екранованого кабелю за допомогою логометричного мегомметра полягає в необхідності усунення впливу на результат вимірювання струмів витоку () через зовнішню поверхню ізоляції. З цією метою на ізоляцію кіців кабелю накладають металеві захисні кільця (К) – декілька витків мідного дроту, які під’єднують до затискача мегаометра (Е). В такому випадку струм витоку , що протікає по поверхні ізоляції кабелю між захисними кільцями та екраном кабелю не попадає в рамку логометра.

Рисунок 23 – Вимірювання опору ізоляції екранованого кабелю

 

Різниця потенціалів між захисними кільцями та жилою кабеля нехтовно мала порівняно з робочою мегомметра. І на цій ділянці струм практично відсутній. Тому покази мегомметра залежать тільки від струму в об’ємі ізоляції між жилою та екраном кабелю, тобто пропорційні об’ємному опору ізоляції кабеля.

2. Вимірювання опору ізоляції відносно землі та між проводами електричних мереж

Приведем схему вимірювання опору у 2-провідній мережі (рис. 24).

Рисунок 24 – Вимірювання опору ізоляції в двопровідній мережі

 

У випадку, коли джерело енергії і споживач від’єднані за допомогою мегомметра вимірюють еквівалентний опір ізоляції між проводом 1 та заземленням, – між проводом 2 та заземленням, а також між проводами 1 та 2 (). Значення опору ізоляції та та визначаються розв’язуючи систему рівнянь:

В результаті чого (розв’язуючи систему рівнянь) отримуємо:

де

Якщо при під’єднанні джерела енергії споживача не від’єднати від мережі, то опір ізоляції між проводами 1 та 2 шунтується порівняно малим опором споживача. І можна вважати, що опори ізоляції проводів відносно землі з’єднані паралельно. У цьому випадку необхідно виміряти опір ізоляції між одним з проводів та землею. Це буде еквівалентний опір ізоляції відносно землі.

Якщо відповідає вимога до опору ізоляції даної мережі, то тим більше буде відповідати цим вимогам ізоляція окремих проводів.

3. Вимірювання опору заземлення

Вимірювання опору заземлення завжди здійснюється на змінному струмі, щоб уникнути впливу на результат вимірювання напруги поляризації в місцях контакту заземлення з вологою землею.

Вимірювання можна здійснювати за допомогою амперметра та вольтметра, логометра, омметра або спеціальних вимірювачів компенсаційного типу.

Опір заземлювача визначають як опір між заземленим електродом та допоміжним електродом, віддаленим від електрода заземлення на теоретично безмежну відстань. Приведем схему вимірювання опору заземлення за допомогою амперметра та вольтметра (рис. 25).

Рисунок 25 – Схема вимірювання опору за допомогою амперметра та вольтметра: З_х – заземлювальний електрод; З_и – електрод для створення контактної напруги; З_і – електрод для здійснення струмового контура

 

Електрод З_і знаходиться на відстані (40-60) м від заземлюваного електрода. Електрод З_и знаходиться на відстані 20 м. Значення опору заземлення буде визначатися за формулою:

Широке застосування для вимірювання опору заземлення знаходять вимірювачі заземлення засновані на компенсаційному методі. Приведем схемувимірювання опору заземлення компенсаційним методом.

 

Рисунок 26 – Схема вимірювання опору заземлення компенсаційним способом

 

R_x – опір між двома заземленими електродами.

Спад напруги на вимірювальному опорі заземлення компенсується подінням напруги на частині реохорда , що знаходиться у вторинному колі вимірювального трансформатора.

В момент компенсації:

де K_I – коефіцієнт трансформації ВТН.

Значення вимірювального опору заземлення може бути відраховане за шкалою реохорда.

Серійні прилади, що побудовані на компенсаційному принципі дозволяють вимірювати опір до 1000 Ом з похибкою від 1 до 5%.

 

1.3.4 Вимірювання опору цифровими приладами

 

Для вимірювання опору використовуються: цифрові мости, цифрові омметри.

Розглянемо цифрові мости. Позитивною особливістю цифрових мостів є незалежність їх по­казів від значення напруги живлення. У сучасних цифрових мостах забезпечується автоматич­ний вибір піддіапазонів вимірювання шляхом перемикання. Приведемо на рисунку 27 структурну схему цифрового моста.

Рисунок 27 – Структурна схема цифрового моста

 

Для зменшення впливу за­лишкових параметрів комутаційних елементів і спрощення їх комутації, в цифрових мостах використову­ються тільки кодокеровані магазини провідності (ККМП), які вмикають­ся в плече протилежне до вимірю­ваного опору R_x. Напруга нерівноваги моста сприймається пристроєм по­рівняння (ПП). Блок керування (БК) аналізує знак вихідного сигналу ПП і, залежно від нього, збільшує або ж зменшує код N_x, який керує ККМП та подається на пристрій відображення інформації (ПВІ). Зрівноваження відбувається до моменту зменшення напруги нерівноваги до значення меншого від порогу чутливості ПП, при цьому значення вимірюваного опору знаходиться як:

,

де − увімкнена провідність ККМП; − коефіцієнт комутації

( =1при наявності одиниці у відповідному розряді коду N_x і = 0 – в протилежному випадку); − провідність і-го розряду ККМП; к − кількість двійкових розрядів коду N_x, n, m −відповідно, кількість резисторів в плечах відношення R_An, та R_{B т}; n∙ т − кількість піддіапазонів вимірювання опору.

За допомогою цифрових мостів вимірюють опір в широкому діапазоні значень − (10²... 10¹⁰) Ом, з похибкою ±(0,05...2) % та роздільною здатністю 10^-5.

 

Цифрові омметри.

Сучасні цифрові омметри будуються на основі АЦП напруги постійного струму. Приведемо на рисунку 28 структурну схему цифрового омметра.

Рисунок 28 – Структурна схема цифрового омметра

 

Автоматичне перемикання від діапазонів вимірювання опору здійснюється перемиканням ключами S_j струмозадавальних резисторів R_Nj. Перетворювач опору в напругу реалізований на операційному підсилювачі ОП, а вимірюваний резистор R_x увімкнений в коло його від'ємного зворотнього зв'язку. Вимірювальний струм формується із напруги живлення U. Одночасно ця ж напруга служить опорною для АЦП напруги постійного струму. Вихідна напруга U_eux перетворювача перетворюється за допомогою АЦП в код Nx

,

де − коефіцієнт перетворення АЦП;

− значення j – го замкненого ключа S j

− опір j – го замкненого ключа S j.

Похибка цифрового омметра визначається похибками струмозадавального резистра R_Nj,залишковими параметрами ключів Sj та АЦП і складає тисячі частки відсотка.

 

Цифровий компенсаційний метод вимірювання опору.

Розглянемо структурну схему компенсаційного цифрового омметра (рис. 29).

Рисунок 29 – Структурна схема компенсаційного цифрового омметра

 

В компенсаційному цифровому омметрі вимірюваний опір R_x вмикається в коло від'ємного зворотнього зв'язку інвертуючого ОП1, а значення його вимірювального струму задається резисторами R_{N j} ,які перемикаються ключами Sj залежно від вибраного піддіапазону вимірювання. Масштабний подільник МП, кодо-керований подільник (ЦАП напруги) КПН та операційний підсилювач ОП2 є кодо-керованим подільником компенсаційної напруги U_K. На обидва входи нуль-органа НО подаються напруги однакової полярності з виходів підсилювачів ОП1 U_x та ОП2 U_K. За проміжок часу, доки вимірювальна напруга (вихідна напруга підсилювача ОП1) є меншою від компенсувальної напруги (вихідна напруга підсилювача ОП2), до моменту спрацювання НО формується результат вимірювання підсумовуванням імпульсів генератора ГІ на лічильнику ЛЧ, вихідним кодом якого збільшується компенсувальна напруга U_K. У момент рівності вимірювальної та компенсувальної напруг спрацьовує НО, ключ Кл закривається і вихідний код лічильника фіксується в блоці керування приладом БК. Вимірювання опору тут здійснюється за методом кому