Дәріс №7. Электрлік және магниттік шамаларды өлшеу және бақылау

Тұрақты және айнымалы кернеулерді өлшеу. Тұрақта да, айнымалы да кернеулерді өлшеу сәйкес типтегі кернеулермен жұмыс істеуге арналып есептелген вольтметрлермен тікелей жүргізіледі. Вольтметр тағайындалғаннан артық кернеуді өлшеу керек болса, онда вольтметрге тізбектей қосымша резисторды жалғайды. Сонда өлшенетін кернеудің бір бөлігі қосымша резисторге, ал екінші бөлігі – аспапқа түсіріледі. Қосымша резисторды таңдап ала отырып, үлкен кернеулерді өлшеу шегін кеңейтуге болады.

Егер вольтметрдің кедергісі R_пр белгілі болса және ұлғайту шегін мына формуламен анықтап алынса:

(7.1)

 

мұнда U_х — өлшенуі керек сұлба кірісіндегі ең үлкен кернеу; U_np — вольтметрмен өлшенетін ең жоғарғы кернеу шегі.

Қосымша резистордың кедергісінің шамасы:

(7.2)

Әдетте есептеуді жүргізуге ыңғайлы болуы үшін коэффициентті п 2; 5 немес 10 еселік етіп алады.

Үлкен айнымалы кернеулерді өлшеу үшін кернеудің өлшеулік трансформаторы дегендер пайдаланылады. Олар төмендеткіш трансформаторлар болып табылады, яғни, вольтметр жалғанатын екінші орауыштың орам саны W₂ бірінші орауыштың орам санынан W₁ аз. Өлшеу шегін кеңейту коэффициенті п = W₁/W₂. Кернеуді өлшеу үшін вольтметрді жалғау сұлбасы 2.1-суретте көрсетілген.

Электрқозғаушы күшін (Э.Қ.К.) Е өлшеудің өз ерекшеліктері бар. Вольтметрді Э.Қ.Қ. көзіне қосқан кезде ол арқылы үнемі ток өтеді, ал енді егер кез-келген Э.Қ.Қ. көзінде ішкі кедергі R_вн бар болғандықтан, ондағы кернеу мынаған тең:

U= Е- IR_вн (7.3)

және вольтметр Э.Қ.Қ. Е-ден төмен шаманы көрсетеді.

Егер де өлшеудің жоғары дәлдігі қажет болмаған жағдайда, онда токты азайту үшін жоғары ішкі кедергісі бар вольтметрді қолдануға болады. Мысалы: электронды вольтметрлерді. Бұл жағдайда кернеуді U = Е деп алуға да болады.

Ток күшін өлшеуді амперметрдің көмегімен жүргізуге болады. Егер де амперметрдің өлшеу мүмкіндігін кеңейту керек болса, онда амперметрге параллель резисторды жалғау керек. Оны көбіне шунт деп атайды. Сол кезде амперметр арқылы токтың тек бір бөлігі ғана өтеді, ал қалған бөлігі шунт арқылы өтеді. Әдетте амперметрдің кедергісі төмен болатындықтан, өлшеу мүмкіндігін кеңейту үшін шунттың кедергісі де аз болуы керек. Әдетте ол Ом-ның бөлігі. Шунттың кедергісін есептейтін формулалар да бар, бірақ тәжірибеде ток күшін эталонды амперметрмен бақылап, кедергісін қолымен келтіруге тура келеді.

Жоғары айнымалы токтарды өлшеу үшін токтардың өлшеу трансформаторлары қолданылады.

Әлбетте электрондық сұлбалардағы, дәнекерленген, баспа платаларында дайындалған токтарды өлшеу мүлде басқаша: бұларда қандайда бір үзік жасау мүмкін емес. Әджетте бұндай жағдайларда токтарды өлшеу үшін вольтметрлерді (әлбетте, аспаптың электронды сұлбасының жұмысына әсерін болдырмау үшін үлкен ішкі кедергілі электрондыларды) қолданады. Оларды кедергісі белгілі немесе алдын-ала өлшенген сұлба резисторіне жалғайды. Сонан соң Ом заңын пайдаланып, ток күшін анықтауға болады:

I = U/R.. (7.4)

Кедергілерді өлшеу. Жиі электр қондырғыларымен жұмыс істегенде немесе электрондық сұлбаларды баптағанда әртүрлі кедергілерді өлшеу қажет. Кедергілерді өлшеудің ең қарапайым түрң екі өлшеуші аспапты – амперметр мен вольтметрді – пайдалану тәсілі. Олардың көмегімен қоректендіру көзіне жалғанған кедергінің R кернеуі мен тоғын өлшеп, Ом заңын пайдаланып керекті кедергіні табады:

R = U/ I. (7.5)

Бірақ бұл тәсіл кедергіні өлшеу нәтижесінің жоғарғы дәлдігін қамтамасыз ете алмайды, өйткені нәтижеге амперметр мен вольтметрдің ішкі кедергілері әсер етеді. 7.1-суретте (а) көрсетілген сұлбада амперметр тек кедергі арқылы өтетін ток өлшеп қана қоймай, сонымен қатар вольтметр арқылы өтетін токты да өлшейді, содан өлшеуге әдістемелік қателік енгізіледі. Бұл тәсілді арнайы кедергі өлшейтін аспап – омметр – жоқ кезде пайдаланады. Мүмкін болатын сұлбалардың бірі – тізбектік (7.1-сурет, б), ол дербес қорек көзінен Е, айнымалы резисторден R және магнитоэлектрлік типтегі миллиамперметрдер РА тұрады.

7.1-сурет – Амперметр және вольтметр әдісімен кедергіні өлшеу (а) және омметрдің (б) сұлбалары.

Қорек көзі ретінде әдетте құрғақ элементтер немесе кернеуі 1,4...4,5 В батареялар пайдаланылады. Егер аспаптың шығысына анықталуы қажет кедергі R_x жалғанса, онда тізбекпен шамасы кедергі шамасына тәуелді ток жүреді. Миллиамперметр токты өлшейтін болғандықтан, оның шкаласын тікелей оммен көрсететіндей етіп бөліктерге бөлуге болады. Бұндай омметрлердің шкалалары кереі, яғни нөлі шкаланың оң жағында орналасқан, өйткені кірісінде кедергі нөлге тең кезде (қысқаша тұйықталу режимінде), амперметр арқылы ең үлкен ток өтеді. Егер сыртқы тізбек үзілген болса, бұл кезде кірісінде кедергі шексіқ үлкен, онда миллиамперметрдің жебесі шкаланың белгісі салынған сол жақ шетінде болады. Бұндай омметрдің шкаласы сызықтық емес, ол кейде нәтижені оқуды қиындатады. Омметрдің айнымалы резисторы жұмысты бастар алдында аспаптың жебесін нөлге қоюға арналған. Ол үшін омметрдің шығысын қысқаша тұйықтап, айнымалы резистордың тұтқасын айналдыра, аспаптың нөлін көрсетуіне қол жеткізеді. Қоректендіру элементінің ЭҚК уақыт өткен сайын азаятындықтан бұндай нөлге қойылуды мезгіл-мезгіл бақылап отыру керек. Осындай омметрлердің көмегімен бір омнан жүздеген Омға дейінгі кедергілерді өлшеуге болады.

100 МОм-ға дейінгі үлкен кедергілерді әдетте мегомметрлердің көмегімен жүргізеді (7.2-сурет, а). Оның классикалық түрі дербес қорек көзі мен өлщеуші аспаптан тұратын – логометр. Логометр – бір рамканың орнына өзара бұрыш жасай орналасқан, қатты байланыстағы екі рамкадан тұратын магнитоэлектрлік аспаптың бір түрі.

7.2-сурет – Мегомметрдің (а) және электр көпірдің (б) сұлбалары

 

Кіші кедергілерді (1 ОМ-нан аз), сондай-ақ басқа да кедергілерді кең диапазонда жоғарғы дәлдікпен өлшеу электр көпірлердің көмегімен іске асырылуы мүмкін.

Тұрақты ток көпірінің көмегімен өлшеу дәлдігі өте жоғары. Кедергінің нәтижелік мәні бес орынды санға дейін жетуі мүмкін.Сонымен қатар көпір өлшеуді тез жүргізуге мүмкіндік бермейді, өйткені теңдестіру процесі белгілі уақыт пен оператор дағдысын талап етеді.

Сыйымдылықты өлшеу. Конденсатордың немесе сыйымдылық сипаттағы басқа құрылымдардың сыйымдылықтарының шамасын анықтау әр-түрлі әдістер арқылы жүзеге асады. Солардың ішіндегі ең қарапайымы – амперметр-вольтметр әдісі (7.3-сурет, а). Бұл әдіс схемасының генератордан шыққан төменгі жоғары жиілікті айнымалы синусоидалық кернеуді пайдалануы болмаса, кедергіні өлшеу әдісінен еш айырмашылығы жоқ. Конденсатордың сыйымдылық кедергісі келесі формуламен анықталады:

(7.6)

мұнда f — айнымалы кернеу жиілігі.

Аспаптардың көрсетуі бойынша Ом заңы арқылы сыйымдылық кедергісі былай табылады:

x_C= U/1 (7.7)

 

Шамасы аз сыйымдылықтарды өлшеу резонанс әдісі арқылы жүзеге асады (7.3-сурет, б). Тербеліс контурын құра отырып, өлшенетін конденсатор С_х белгілі индуктивтілікке L қосылады. Контурға генератордың синусоидалдық кернеуі беріледі. Электронды вольтметрдің көмегімен контурдағы кернеу өлшенеді. Резонанс кезінде ол максимум мәніне жетеді. Контурдың резонанстық жиілігі былай табылады:

(7.8)

Осылайша, контурдағы белгілі индуктивтілік шамасы және вольтметрдің максимальдық көрсетулерімен анықталған резонанс арқылы ізденілетін С_х сыйымдылық мәнін табуға болады.

Үлкен сыйымдылықтарды (мысалы, электролиттік конденсаторлар) конденсаторларды белгілі кедергіге R разрядтау арқылы өлшеу ең қалайлы әдіс болып табылады. Конденсатор тізбегінің разрядының тұрақты уақытына тең уақыт ішінде оның кернеуі е есе төмендейтіні белгілі. Мұндағы е =2,71...- натураль логарифмнің негізі. Конденсатор тізбегінің разрядының тұрақты уақыты резисторға мына қатынаспен табылады:

= RC. (7.9)

Бұл әдіс арқылы сыйымдылықты өлшеу сұлбасы тұрақты кернеулі қорек көзінен,шамасы белгілі резистор кедергісінен R, электронды вольтметрден PV, ажыратып-қосқыштан S және конденсаторды қосуға арналған клеммалардан тұрады. Ажыратып-қосқыш S арқылы конденсатор С_х қорек көзінің кернеуіне дейін зарядталады, ал конденсаторды разрядқа қойғаннан кейін секундометрдің көмегімен уақыт t өлшенеді, сол уақыт біткен кезде конденсатор U_пит/е кернеуіне дейін разрядталады. Сонда конденсатор сыйымдылығы былай анықталады:

С= . (7.10)

Конденсатордың сыйымдылығын сондай-ақ айнымалы ток көпірі көмегімен де өлшеуге болады.

Қуатты өлшеу. Электрлік тізбектерде қуатты өлшеуді тұрақты және айнымалы ток тізбектері үшін жекелей анықтағын қолайлы.

Тұрақты токтағы қуатты анықтайтын формулалар:

Р = UI;

P=U²/R;

Р = RI².

Осы формулаларға сәйкес белгілі бір кедергі – шамасына сай қуатты үш әдіспен анықтауға болады: вольтметр және амперметрдің көмегімен (7.4-сурет, а), тек вольтметрмен (7.4-сурет, б) және тек амперметрмен (7.4-сурет, в). Барлық жағдайларда аспаптың көрсетулерін анықтағаннан кейін, қуатты табу үшін математикалық есептеулерді жүргізу қажет. Ал енді егер біз мұны ваттметрмен өлшейтін болсақ, онда жаңағы айтқандарды істемеуге де блолады. Өндіріс орындарында шығарылатын ваттметрлер ферродинамикалық аспаптың негізінде жасалынады. Ол ваттметрлерде екі орам және төрт шығысы бар. Бірінші орам токтық, ол арқылы шығындалатын қуаты өлшенетін, ток қосымша күшке өтеді. Ал екінші орам – кернеулік орам. Ол тікелей ток көзінде жалғанады.

7.4-сурет – Тұрақты ток тізбегіндегі қуатты өлшеу сұлбасы

Айнымалы токтағы қуатты өлшеудің өз ерекшеліктері бар. Біріншіден, мұнда үш түрлі қуат болады:

- толық қуат: S= UI;

- активті қуат: Р = UI cos ;

- реактивті қуат: Q= UI sin ;

мұнда – ток пен кернеу арасындағы бұрыш.

Жиі толық және активті қуаттарды анықтайды. Күшсалмақтық токты есептеу, өткізгіштердің көлденең қимасын және сақтандырғыштарды таңдау үшін толық қуатты білу қажет. Күшсалмақта жылуға, жарыққа, дыбысқа және т.б. түрлендірілетін құатты сипаттауда активті қуаттың маңызы зор.

Толық қуатты табу үшін алдымен вольтметр және амперметрдің көмегімен кернеу мен ток күшін өлшеп алып, алынған нәтижелерді бір-біріне көбейтеді. Активті қуат ферродинамикалық ваттметрлермен өлшенеді. Бұл кезде кернеу мен токтан басқа қуат коэффициенті cos де ескеріледі. Ваттметрдің орауышын күшсалмаққа жалғағанда тұрақты токтікі сияқты ваттметр активті қуатты тікелей өлшейді.

Магниттік шамаларды өлшеу әдістемесі. Магниттік шамаларды электрліктермен салыстырғанда сирек өлшейді. Әртүрлі бұйымдарды, бірінші кезекте электрліктерді, жасауда тап болатын таза магниттік шамаларға магнит индукциясы В, магнит ағыны Ф және магнит өрісінің кернеуі Н_т жатады. Бұл шамалар бір-бірімен функциялық тәуелділікпен байланысқан. Вакуум үшін және тәжірибе кезінде ауа үшін олардың арасындағы қатынас келесідей:

 

Ф= s В,

мұнда Гн/м — магниттік тұрақты; s— магнит ағыны өтетін көлденең қима (магнитөткізгіштің).

Функциялық байланыстың арқасында тәжірибемен бір магниттік шаманы анықтау ғана жеткілікті, ал қалғандары есептеу тәсілімен табылады. Оларды өлшеудің әдістерінің түрі көп және бұл мақсатта қолданылатын күрделі аспаптардың түрлері де көп. Іс жүзінде олардың бәрі магниттік шамаларды электрлікке айналдырады, ал сонан кейін электр аспаптарының көмегімен оларды өлшейді.

Магнит индукциясын өлшеуге арналған қарапайым құрал – теслометр болып табылады (7.5-сурет). Ол қатаң тұрақты жылдамдықпен айналдыратын электрқоз-ғалтқышының білігіне 3 бекітілген магниттелмейтін материалдан жасалған рамкаға 1 оралған орауыш болып табылады.

7.5-сурет – индукцияны өлшеуге арналған аспаптың сұлбасы: 1-магниттелмейтін материалдан жасалған рамка; 2-түйіспелік сақина; 3-электрқозғалтқышының білігі; 4-түзеткіш.

 

Егер айналып тұрған катушка арқылы магнит ағыны өтсе, онда магнит ағыны қаншама үлкен болса, соншама үлкен Э.Қ.Қ. пайда болады (осы принциппен барлық электрогенераторлар жұмыс істейді). Осылайша, біз Э.Қ.Қ.-нің шамасына қарап орауыштың магнит индукциясының В шамасын біле аламыз. Оны өлшеу үшін қозғалтқыштың біліктік өсіне түйіспелік сақиналарды 2 орналастырады. Қозғалмайтын щеткалардың көмегімен айнымалы кернеу орауыштан түзеткішке 4 барады. Ал түзеткіштен магнитоэлектрлік жүйедегі өлшеу аспабына барады. Бұл аспап тікелей магнит индукциясының шамаларына градуирленген болады. Өлшеу орауыштарының диаметрлері 1,5...25 мм болады. Кіүші диаметрлі орауыштарды магнитөткізгіштің тар ауа саңылауларына орналастыруға болады. Осы аспаптың жеткілікті қарапайым қарамай бір ірі кемшілігі бар – қозғалатын бөліктерінің болуы. Бұл кемшілік Холл эффектісін пайдаланатын аспаптарда болмайды.

Холл эффектісі арқылы жұмыс істейтін прибордың қарапайым сұлбасын қарастырамыз (7.6-сурет, а). Егер п типті жартылай өткізгіштен жасалған (яғни, электронды өткізгішті) телікшені алып, а және b жақтарына тұрақты кернеуді келтірсек, онда тізбекте бос электрондардың қозғалысы есебінен ток I туындайды. Егер бұл кезде жартылай өткізгіштік тілікше жазықтығымен магнит ағыны өтетін болса, онда ол электрондар ағынын бір жаққа (магнит ағынының таңбасына тәуелді с немесе d) ығыстыруға тырысады. Бұл с және d жақтарында эқк пайда болуына әкеледі. Бұл эқк шамасы магнит индукциясымен В былай байланысқан:

,

мұнда R_x – жартылай өткізгіштің материалына тәуелді; I – тізбектің a және b жақтарының арасындағы ток; В – магнит индукциясы; h – жартылай өткізгіш тілікшенің қалыңдығы.

7.6-сурет – Холл әсері (а) және Холл әсеріне негізделген магнит индукциясын өлшеуіш (б).

 

Ол схеманың құрамында айнымалы кернеумен қоректендіру көзі 5 (көбіне жиілігі 1000Гц шамасында), Холл бергіші 1, айнымалы кернеуді күшейткіш 4, түзеткіш 3, магнитоэлектрлік индикатор 2 кіреді (7.6-сурет, б). Жартылай өткізгішті пластинаның қалындығы 1мм-ден аспайтындықтан, осы прибордың көмегімен электрлік машиналардағы тар саңылаудағы магнит индукциясын анықтауға болады.

Электр машиналары, трансформаторлар, электромагниттік реле сияқты жаңа электротехникалық бұйымдарды жасағанда осы бұйымдарды жасауға пайдаланылатын материалдардың ферромагниттік негізгі сипаттамаларын анықтау қажет болады. Бұндай мәселелер жаға қасиетті және сипаттамалары сапалырақ жаңа ферромагниттік қорытпаларды жасауда да туындайды. Бұндай сипаттамаларды анықтау күрделі және қымбат аспаптарды талап ететін қиын процесс. Айнымалы магнит өрісінде қолданылатын ферромагниттік материалдардың ерекше маңызды сипаттамаларын анықтаудың жеткілікті әдісі – индукцияның негізгі қисығы. Оны анықтау үшін зерттелетін материалдан тороидальдық сақина жасап, оған екі орауыш орау керек. Олардың бірі – алғашқы – сақина түріндегі өзекшеде магнит өрісін жасауға арналған (7.7-сурет). Егер бұл орауыштағы токты I өлшеп, орам санын W₁ білсек, онда формула бойынша магнит ағынының кернеулігінің амплитудасын анықтауға болады:

мұнда I – алғашқы орауыштағы айнымалы синусоидальдық токтың әрекеттік мәні; l_ср – магнитөткізгіштің магниттік желісінің орташа ұзындығы.

7.7-сурет – Магниттелудің динамикалық қисығын алуға арналған сұлба

 

Дәлірек нәтижелерді алу үшін алғашқы орауыш тороидальдық магнитөткізгіштің барлық ұзындығына біркелкі оралады. Орам саны W₂ екінші орауыш магнитөткізгіштің кез-келген жеріне компактілі орналасады. Бұл орауыштағы кернеуді U₂ өлшеу тороидальдық өзекшедегі магнит индукциясының амплитудасының ең үлкен мәнін анықтауға мүмкіндік туғызады:

мұнда U_2ср – екінші орауыштағы кернеудің орташа мәні; f – айнымалы кернеудің жиілігі; W₂ – екінші орауыштың орам саны; S – тороидальдық магнитөткізгіштің көлденең қимасы.

Жоғарыда жазылған магниттелудің динамикалық қисығын салу сұлбасы 7.7-суретте келтірілген. Онда синусоидальдық кернеу көзі, алғашқы орауышта токты реттеуге арналған автотрансформатор, екі орауышты тороидальдығ өзекше және екі өлшеуіш аспаптар – амперметр мен вольтметр қарасиырылғын. Соңғыларды амперметр ток күшінің іс жүзіндегі мәнін, ал вольтметр – айнымалы кернеудің орташа мәнін өлшейтіндей етіп таңдайды. Сұлбады екі аспап қолданылатын болғандықтан, ол амперметр және вольтметр әдісі деп аталады. Айнымалы кернеу генераторының жиілігі сыналатын материалдан жасалған бұйымдыкіндей етіп таңдалады. Егер бұйым өндірістік жиілікте жұмыс істейтін болса, онда қорек көзі ретінде жиілігі 50 Гц өндірістік (қалалық) желі пайдаланылады. Сипаттаманы салу процесінің мағынасы алғашқы орауышты токты біртіндеп қсіріп,амперметр мен вольтметрдің көрсетулерін жазып алу болып табылады. Бұл шамалардың көмегімен магнит өрісінің кернеулігі мен магнит индукциясын есептегеннен кейін сәйкес В_т = f(H_m) тәуелділігін салады. Ол 7.8-суретте көрсетілген. Алынған мәндер сонымен қатар амплитудалық магниттік өткіштіктің абсолюттік мәнін анықтауға да мүмкіндік береді:

Магниттік материалдарды зерттеу кейде басқа параметрлерді де өлшеуді қажет етеді. Бірақ олар көпшілік жағдайларда күрделі, арнайы зертханаларда, тіпті бір дана етіп қана жасалған бірегей аппаратуралардың көмегімен жүргізіледі, сондықтан да бұл әдістердің сипатын физикалық профильдегі әдебиеттерден табуға болады.

 

7.8-сурет - Магниттелудің динамикалық қисығы

 

Негізгі әдебиет: 1 , 5

Қосымша әдебиет: 5

Бақылау сұрақтары:

1. Электрөлшеуіш аспаптардың қандай негізгі жүйелері бар?

2. Кернеуді өлшеу әдістемесінің электр қозғаушы күштікінен айырмашылығы не?

3. Өлшеу шектерін кеңейту үшін вольтметрге қосымша резистор, ал амперметрге шунт қалай жалғанады?

4. ауадағы магнит индукіиясын өлшеуге арналған өлшеу аспабы қандай принциппен жұмыс істейді?

5. Компенсациялық әдістің мағынасы неде және ол қайда қолданылады?