ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Основные методы измерения электри­ческих величин:

1. Непосредственной оценки.

2. Сравнения: дифференциальный; нулевой; замещения; противопоставления; совпадения.

При методе непосредствен­ной оценки значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству. На использовании этого ме­тода основаны все показывающие при­боры (амперметры, вольтметры, ват­тметры и т. д.). Измеряемая величина сравнивается с единицей измерения опо­средованно путем градуировки прибора по образцовым средствам измерений. Наиболее точными приборами этой груп­пы являются приборы класса точнос­ти 0,05.

При методе сравнения изме­ряемая величина определяется на основе сравнения воздействия измеряемой вели­чины с воздействием меры.

Дифференциальный метод заключается в том, что прибором оцени­вается разность между измеряемой вели­чиной и образцовой мерой . Этот метод позволяет полу­чать результаты измерений с высокой точностью даже при применении сравни­тельно неточных приборов. На исполь­зовании этого метода основана работа измерительных мостов постоянного и переменного тока. Чем ближе значение меры к истинному значению измеряе­мой величины, тем выше точность из­мерений.

Частным случаем дифференциально­го метода является нулевой ме­тод, заключающийся в том, что резуль­тирующий эффект воздействия измеря­емой величины и меры на прибор сравне­ния доводится до нуля. Метод исполь­зуется при измерении напряжения по­стоянного тока компенсатором (потен-

циометром) постоянного тока, при из­мерениях электрического сопротивления мостом с полным уравновешиванием и других измерениях.

Метод замещения является разновидностью дифференциального или нулевого метода. При этом методе из­меряемая величина сравнивается с мерой разновременно. Метод используется при измерении сопротивлений, емкости и др.

Метод противопоставле­ния заключается в том, что измеряе­мая величина и противопоставляемая ей мера одновременно воздействуют на прибор сравнения. По показаниям при­бора устанавливают соотношение меж­ду измеряемой величиной и мерой. В схеме измерения имеются два источ­ника энергии. Примером метода проти­вопоставления служит метод частичного или полного уравновешивания (компен­сационный) двух ЭДС или напряжений.

Метод совпадений состоит в измерении разности между искомой величиной и мерой с использованием совпадения отметок шкал или перио­дических сигналов. Метод применяют для измерения частоты.

Технические характеристики средств измерения (СИ), влияющие на резуль­таты и погрешности измерений, назы­ваются метрологическими характеристи­ками (ГОСТ 22261-82, ГОСТ 8.009-84 и т. д.).

Технические характеристики СИ нор­мируются в определенных условиях эк­сплуатации.

Подаваемый на вход СИ сигнал харак­теризуется несколькими параметрами. Информативный параметр входного сиг­нала СИ функционально связан с изме­ряемой величиной и используется для передачи ее значения или является сам измеряемой величиной. Неинформатив­ный параметр входного сигнала СИ функционально не связан с измеряемой величиной (является одним из видов влияющих величин).

Вследствие неисправностей СИ или из-за грубых ошибок оператора возни­кают погрешности, значительно превы­шающие присущие данному СИ систе­матические и случайные погрешности. Такие погрешности называют промахом. Эти погрешности выявляются при статис­тической обработке наблюдений, и ре­зультаты должны быть исключены как неверные.

Погрешности, возникающие в нор­мальных условиях работы СИ, называют­ся основными. Изменение основной по­грешности, обусловленное изменением внешних условий относительно нормаль­ных, вызывает появление дополнитель­ных погрешностей.

При нормировании погрешностей СИ устанавливают пределы допускаемых по­грешностей (основной и всех дополни­тельных), а также нормальные условия и допускаемые отклонения от нормаль­ных значений для всех влияющих вели­чин. Обобщенной характеристикой пре­делов допускаемых погрешностей явля­ется класс точности СИ.

Важными характеристиками СИ яв­ляются, кроме того, диапазон и преде­лы измерений, стабильность, чувстви­тельность, быстродействие и др.

Диапазон измерений представляет со­бой область значений измеряемой! вели­чины, для которой нормированы допус­каемые погрешности СИ, и наибольшее значение диапазона измерения является пределом измерения. В многопредель­ных приборах диапазон измерений раз­бивается на поддиапазоны I - XI, при­чем их верхние значения выбираются так, чтобы снизить относительную по­грешность измерений 5 (рис. 1).

Постоянство во времени метрологи­ческих характеристик обусловливает ста­бильность СИ.

Чувствительность СИ представляет со­бой способность реагировать на изменение входного сигнала. Она определяется отношением изменения сигнала на выхо­де СИ (АА_П) к вызывающему его изме­нению измеряемой величины (АА) :

Быстродействие СИ Характеризуется интервалом времени, требуемым для реализации единичного измерения. Быстродействие современных СИ имеет широкий диапазон значений. Так, анало­говые приборы со стрелочным отсчетом позволяют осуществлять одно измере­ние за несколько секунд, в то время как цифровые приборы могут обеспе­чить до сотен тысяч измерений в се­кунду.

Мощность, потребляемая СИ от изме­ряемой цепи, характеризует степень вза­имодействия СИ и измеряемого объекта, влияние СИ на характеристики объекта измерения или другие приборы и устрой­ства при их подключении друг к другу. Потребляемая мощность характеризует­ся значениями входного сопротивления СИ, При повышении частоты измеряемо­го сигнала входное сопротивление явля­ется комплексным, зависящим от часто­ты. Это сопротивление характеризуется активной и реактивной составляющими (омическим сопротивлением, емкостью и индук7гивностью).

Современные электроустановки в большой степени характеризуются не­линейными вольтамперными характерис­тиками, что ведет к появлению нелиней­ных искажений в электрических цепях, т. е. к искажению синусоидальной формы кривых напряжения и тока. Значитель­ные искажения синусоидальной формы кривой могут привести к нежелательным последствиям: к возникновению резо-

нансных явлений на частотах, кратных измеряемой, к опасным для изоляции пиковым повышениям напряжения, к дополнительным потерям электроэнер­гии в сетях, к помехам в устройствах автоматики, телемеханики и линиях связи и т. д. В связи с изложенным выявление нелинейных искажений и выбор СИ, обеспечивающих получение требуемого результата, являются необ­ходимыми.

В зависимости от системы исполь­зуемого СИ и градуировки шкалы показания прибора могут соответство­вать среднему, среднеквадратическому или амплитудному значению измеряе­мой величины (напряжения тока или мощности). Большинство СИ перемен­ного тока градуируют в среднеквадра-тических значениях. Среднее, средне-квадратическое и амплитудное значе­ния измеряемых величин в зависимости от закона их изменения (формы кривой) приведены в табл. 2.

В зависимости от вида выработки сиг­налов измерительной информации сред­ства измерения электрических величин делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы характеризуют­ся большой номенклатурой выпускае­мых СИ для широкого диапазона значе­ний и параметров. Однако уже достиг­нуты определенные пределы точности измерений, обеспечиваемые средствами аналоговой техники.

Представление измерительной инфор­мации у цифровых измерительных при­боров (ЦИП) в виде кода обеспечивает необходимый переход ее единичных из­мерений к массовым, т. е. к получению, переработке и регистрации больших по­токов информации в сочетании с высо­кой точностью и высоким быстродейст­вием.

Наиболее распространены измерения напряжения постоянного и переменного тока и силы постоянного и пе­ременного тока

Л11

Показания аналоговых электроизме­рительных приборов (АЭП) являются

непрерывными функциями изменений измеряемых величин. Эти приборы ха­рактеризуются простотой конструкции, низкой стоимостью, удобством отсчета и информативностью данных о направ­лении изменения измеряемого сигнала.

Различия в методах сравнения изме­ряемой величины с мерой обусловли­вают различные принципы построения СИ: приборы прямого действия и при­боры сравнения.

У АЭП прямого преобразования) измерительная информация преобразуется только в одном направ­лении от входа к выходу. Измеряемая величина А_х измерительным преобразо­вателем (ИП) 1 преобразуется в на­пряжение или ток, которые воздей­ствуют на электромеханический изме­рительный механизм 2, вызывая поворот его подвижной части и получение количественного результата измерений. Градуировка прибора про­водится путем подачи на его вход из­вестных значений измеряемой величины с требуемой точностью. Сравнение изме­ряемой величины с единицей измерения осуществляется косвенно, так как ме­ра в процессе измерения непосредствен­но не участвует.

АЭП сравнения предна­значены для непосредственного сравне­ния измеряемого значения с известным значением измеряемой величины. Устрой­ство 4 сравнивает значение, полученной от ИП 1, и образцовой величины, вос­производимой многозначной мерой 6. Результат сравнения оценивается инди­катором 5 при достижении равенства значений величин на входах устройст­ва 4. Результат сравнения отображается на указателе 3.

Автоматический АЭП сравнения аналогичен предыдущему

СИ с той лишь разницей, что многознач­ная мера управляется устройством 7. АЭП обеспечивают измерение напряже­ния, тока, мощности, сдвига фаз, час­тоты, параметров электрических цепей и т. д. и в зависимости от измеряемой величины могут применяться для изме­рений как в цепях постоянного, так и переменного тока.

АЭП непосредственной оценки клас­сифицируют по принципу действия (сис­темам) .

М аг н итоэлектрические (М Э) приборы. Подвижная часть приборов этой системы отклоняется в результате взаимодействия поля постоян­ного магнита и контура с протекающим по нему током. Магнитоэлектрические приборы имеют высокую чувствитель­ность, малую потребляемую мощность, равномерную шкалу, хорошее успокое­ние. МЭ приборы применяют как само­стоятельные, так и в сочетании с раз­личными преобразователями перемен­ного тока в постоянный для измерений на переменном токе.

Электромагнитные (ЭМ) при б о р ы. Подвижная часть прибо­ров этой системы отклоняется в резуль­тате взаимодействия магнитного поля катушки с протекающим по ней током

и ферромагнитного сердечника. Шкалы ЭМ приборов неравномерны в начальной части (20 %А_И) и в конце. Электромаг­нитные приборы пригодны для работы на постоянном и переменном токе, устойчивы к перегрузкам, отличаются простотой конструкции и, как следствие, имеют низкую стоимость. Недостатком этих приборов является низкая чувстви­тельность (погрешность измерений не превышает ± 0,5 %), значительная по­требляемая мощность, влияние на точ­ность измерений таких факторов, как частота измеряемого сигнала, внешние магнитные поля и температура окру­жающей среды.

Электродинамические (Э Д) приборы. Их принцип дейст­вия основан на взаимодействии подвиж­ной и неподвижных катушек с проте­кающими по ним токами. Шкалы ЭД приборов неравномерны, что зависит от формы катушек и их взаимного рас­положения.

Преимущество ЭД приборов - воз­можность работы в цепях постоянного и переменного тока с расширенным диа­пазоном частот. Вместе с тем приборы этой системы имеют большую потреб­ляемую мощность и низкую чувстви­тельность.

Ферродинамические(ФД) приборы. Приборы этой системы являются разновидностью ЭД приборов и отличаются от них выполнением не­подвижных катушек на магнитопроводе из магнитомягкого материала. У ферро-динамических приборов потребляемая мощность меньше, чем у ЭД приборов, меньше влияние внешних магнитных полей и механических воздействий. При применении ФД приборов на постоян­ном токе появляется погрешность от гистерезиса, которая проявляется в виде различных показаний прибора в зави­симости от возрастания или убывания тока нагрузки.

Измерительные преобра­зователи (ИП) предназначены для линейного преобразования основных па­раметров электрических сетей постоян­ного и переменного тока, (в частности, силы постоянного,силы переменного то­ка, напряжения постоянного тока, напря­жения переменного тока, частоты, угла сдвига фаз и коэффициента мощности, активной и реактивной мощностей как однофазных, так и трехфазных цепей, а также сопротивления изоляции) в уни­фицированные сигналы ГСП: напряже­ние постоянного тока 0 - 10 В на нагруз­ке 2 кОм и выше и силу постоянного то­ка 0 — 5 мА на нагрузке до 2,5 кОм. Наиболее точными и распространенными являются преобразователи мощности (ПМ), основанные на принципе двойной модуляции. На рис. 5 в качестве примера приведена схема ПМ, который состоит из широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 1, ключа 2, инвертора 3 и усред­няющего блока 4. На вход ШИМ подает­ся напряжение U_T от шунта, влкючен-ного во вторичную обмотку измеритель­ного трансформатора тока. На вход бло­ка амплитудно-импульсного модулятора (АИМ) 5 подается напряжение U_H с из­мерительного трансформатора напряже­ния. С помощью схемы ШИМ напряжение U_T преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов переменной длительности. В связи с тем, что ампли­туда импульсов в АИМ изменяется про­порционально U_n, а их длительность функционально связана с /_н, в блоке АИМ осуществляется перемножение входных сигналов. Среднее значение вы-

ходной величины (напряжения U_% или тока /_в) на выходе АИМ пропорциональ­но активной мощности Р_н При любых сочетаниях тока и напряжения сети в пределах соответственно 0 — 200 % и 50 - 150 % номинальных значений и лю­бых фазовых сдвигах между ними ос­новная приведенная погрешность может находиться в пределах ± 0,2 %.

Электрическая цепь представляет со­бой соединенные источники электричес­кой энергии и нагрузок, по которым протекает электрический ток. При опре­деленных допущениях цепь можно рас­сматривать как состоящую из сосредо­точенных линейных элементов — резис­торов, конденсаторов, катушек индук­тивности и т. п. Для оценки электричес­ких свойств цепи необходимо измерять параметры ее компонентов. Параметром резистора является сопротивление, кон­денсатора — емкость, катушки индуктив­ности — индуктивность.

В зависимости от объекта измерений, требуемой точности результата, диапазо­на рабочих частот, допустимого напряже­ния на измеряемом объекте применяют различные методы измерений. Наиболь­шее применение при измерении парамет­ров линейных элементов получили метод вольтметра-амперметра, метод непосред­ственной оценки и мостовой метод.

Метод вольтметра-амперметра являет­ся косвенным, так как сводится к расчету по закону Ома параметров цепей на осно­вании результатов измерений.

Этот метод используется при измере­нии активного и полного сопротивлений, емкости, индуктивности или взаимной индуктивности.

Метод непосредственной оценки реа­лизуется в приборах прямого действия и используется для измерения сопротив­ления , емкости и индуктивности.

Для измерения параметров линейных элементов широкое распространение на­ходят СИ, основанные на мостовом ме­тоде измерений. Мостовые СИ характе­ризуются высокой точностью, широким диапазоном измеряемых значений, вы­сокой чувствительностью, возможностью измерения различных величин и т. д.

Мостовая схема в общем случае может быть представлена (рис. 6) в виде четы­рех сопротивлений, образующих четырех­полюсник, к двум зажимам которого (диагональ питания) подключен источ­ник питания U, а к двум другим (изме­рительная цепь) — указатель равновесия схемы. Если в одно из плеч моста вклю­чено неизвестное сопротивление, то его можно определить из соотношения Z_x = = Z_x = Z₂ 2₃/Z₄. В качестве указателей равновесия в мостах постоянного тока используются МЭ гальванометры, в мос-

тах переменного тока — электронно-лу­чевые индикаторы, вибрационные галь­ванометры и т. д.

Л12