Измерения силы тока

12.04.2017 Макарычев П.К. КУРС ЛЕКЦИЙ: ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА (ИИТ) ТЕМА 2. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ № СОДЕРЖАНИЕ Стр. 1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТОКА 2 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСОГО НАПРЯЖЕНИЯ 3 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ 4 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ 5 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ 5.0 Введение. Теоретические сведения 5.0.1 Цепи постоянного тока 5.0.2 Цепи переменного тока 5.0.3 Измерение электрической мощности/энергии в трёхфазных сетях переменного синусоидального тока 5.0.4 Измерение электрической мощности в трёхфазных сетях несинусоидального тока 5.1 Средства измерений мощности/энергий 5.1.1 Средства для измерений в цепях постоянного тока 6 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 7 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 8 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ Примечание – 1 Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 1 2 Материал оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-2001 «Отчёт о научно-исследовательской работе» 1 12.04.2017 Макарычев П.К. 5 Способы и средства измерений электрической мощности и энергии МОЩНОСТЬ, ЭНЕРГИЯ, ВАТТМЕТРЫ, СЧЁТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСОЙ ЭНЕРГИИ, ПРЯМЫЕ И КОСВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ, АКТИВНАЯ И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ, ПОЛНАЯ МОЩНОСТЬ, КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ 5.0 Введение. Теоретические сведения В соответствии с [1] мощность и энергия это электрические величины, которые являются функциями электрических токов и напряжений: - электрическая мощность p = i(t)·u(t) (5.1) w = ∫i(t)u(t)dt (5.2) - электрическая энергия Эти аналитические выражения приобретают более конкретный вид для цепей* постоянного и соответственно переменного тока. Примечание – Энергия и мощности измеряются как в электрических цепях – электрических схемах, так и в сетях электроснабжения постоянного и переменного тока. Впредь, если не будет требоваться, цепи и сети в тексте различаться не будут. 5.0.1 Цепи постоянного тока Для таких цепей i(t)=I, а u(t)=U. Тогда имеем: p = i(t)·u(t)= IU=P. Единица измерения мощности ватт [Вт]. Аналогично получим для энергии: w = ∫i(t)u(t)dt = IUt=W. Единица измерения энергии джоуль [Дж]. В электроэнергетике чаще используют единицу киловатт-час [кВт×ч]. Мощность можно измерять косвенно с помощью двух приборов: амперметра и вольтметра (рисунок 5.1а). Широко применяются приборы для прямых измерений мощности – ваттметры (рисунок 5.1б). схема косвенного измерения аналоговый лабораторный ваттметр цифровой портативный ваттметр б) Прямые измерения а) Косвенные измерения Рисунок 5.1 – Способы измерения мощности постоянного тока 2 12.04.2017 Макарычев П.К. Измерять энергию проще с помощью приборов прямого действия – счётчиков электроэнергии (рисунок 5.2). Эти приборы непрерывно измеряют и интегрируют мощность, потребляемую нагрузкой. Рисунок 5.2 – Примеры счётчиков энергии постоянного тока 5.0.2 Цепи переменного тока Измерять мощность/энергию в цепях переменного тока сложнее. Для цепей с синусоидальными сигналами для нашей задачи – аналитического представления мощности, имеют место хорошо проработанные формулы. Проследим преобразование выражения (5.1) для мгновенной мощности, если сигналы (токи и напряжения) имеют синусоидальную форму [1, с.81]. Если нагрузка имеет комплексный характер Z – примем это для общности, то ток и напряжение сдвинуты на угол φ: 5.3 p=i·u=Ua·Ia·sin t·sin (t-φ) = (Ua·Ia /2) [cos φ – cos(2t-φ]= = U·I cos φ – U·I cos(2t-φ) В формуле 5.3 первый её член – постоянную составляющую, называют активной мощностью P, а амплитуду второго (U·I) – полной мощностью S. Примечания – 1 Используемые в (5.3) обозначения U и I есть среднеквадратические значения синусоидальных сигналов. 3 12.04.2017 Макарычев П.К. 2 Величина cosφ в электротехнике также имеет специальное название – коэффициент мощности. Для его измерения используются специальные измерительные приборы – измерители коэффициента мощности. Это корректное название часто заменяют на фазометры. На рисунке 5.3а представлена графическая иллюстрация формулы 5.3, из которой в частности следует, что функция мощности в рассматриваемом примере имеет оба знака: плюс и минус. Теория утверждает, что при положительных значениях мгновенной мощности энергия (заштрихованные области) поглощается нагрузкой, а при отрицательных – энергия возвращается источнику. Дело в том, что комплексная нагрузка способна накапливать энергию в виде магнитного или электрического поля. В первом случае говорят, что нагрузка имеет индуктивный, а во втором – емкостной характер. В этой связи в электротехнике вводится понятие реактивной мощности U·I sinφ. Это фиктивная мощность: она не тратится, не рассеивается, а накапливаясь в реактивностях цепи, всегда возвращается в источник энергии. На рисунке 5.3.б все описанные виды мощностей представлены в виде классической векторной диаграммы – треугольника мощностей. а б Рисунок 5.3 – Иллюстрация поведения мгновенной мощности при синусоидальных сигналах Сгруппируем полученные сведения в одном месте для удобства восприятия: полная мощность комплексной нагрузки и обозначение единицы её измерения вольт-ампер S=I·U, [ВА] (5.5) комплексное выражение для полной мощности нагрузки S =P +jQ (5.6) 4 12.04.2017 Макарычев П.К. модуль полной мощности активная мощность и обозначение измерения ватт единица её реактивная мощность и обозначение единицы её измерения вольт-ампер реактивный |S|=√P2+Q2, [ВА] (5.7) P=I·U·cosφ [Вт] (5.8) Q=I·U·sinφ [ВАР] (5.9) cosφ (5.10) коэффициент мощности Мощность и энергию переменных синусоидальных сигналов измеряют как с помощью специальных приборов, так и косвенным образом – посредством набора более простых СИ. Схемы включения СИ представлены на рисунке 5.4. Обозначено: A – амперметр переменного тока; V – вольтметр переменного тока; φ – измеритель коэффициента мощности (фазометр); W – ваттметр переменного тока. Рисунок 5.4 – Варианты схем измерения мощности синусоидальных сигналов На рисунке показано, как включается ваттметр W переменного тока – прибор для непосредственного измерения активной мощности, потребляемой нагрузкой. Вместо ваттметра или в дополнение к нему может быть подключён аналогично варметр – прибор для непосредственного измерения реактивной мощности. Полную мощность можно измерить косвенно с помощью вольтметра и амперметра, перемножив их показания U×I. Подключив дополнительно фазометр, можно косвенно измерить и активную мощность. Измерение энергии в цепях синусоидального тока. Энергия измеряется, как правило, непосредственно с помощью приборов, называемых счётчиками электрической энергии. Различают счётчики активной энергии и счётчики реактивной энергии*. Примечание – Несмотря на то, что реактивная энергия нагрузкой не используется, а циркулирует между источником и нагрузкой, её также измеряют в трёхфазных электрических сетях с целью наложения денежных штрафов на потребителей. Дело в том, 5 12.04.2017 Макарычев П.К. что наличие реактивностей в нагрузке перегружает генерирующие мощности с одной стороны, и вызывает дополнительные потери в подводящих проводах – с другой. На рисунке 5.5 приведены типовые примеры измерителей для косвенного и прямого измерения мощности и энергии в синусоидальных сетях. Рисунок 5.5 – Примеры СИ, используемых для измерений электрической мощности/энергии в синусоидальных сетях 5.0.3 Измерение электрической мощности/энергии в трёхфазных сетях переменного синусоидального тока Принято называть мощность, отдаваемую трёхфазной сетью полной мощностью. Теоретически измерение полной мощности может осуществляться экстенсивно – с помощью трёх однофазных ваттметров, включаемых в каждую фазу аналогично представленной на рисунке 5.4 схеме. Показания ваттметров суммируется вручную. В некоторых случаях удаётся измерять полную мощность и с помощью двух или даже одного ваттметра. Эти редкие случаи реализуемы, если априорно известно, что трёхфазные сети строго симметричны. Более эффективно и современно использование трёхфазных ваттметров и счётчиков соответственно. 6 12.04.2017 Макарычев П.К. 5.0.4 Измерение электрической мощности в трёхфазных сетях несинусоидального тока До последнего времени мощность/энергию в сетях с искажёнными формами тока и напряжения измеряли, игнорируя дополнительную погрешность, связанную с искажениями формы кривых тока и напряжения – наличием гармоник в спектрах сигналов. Примечание – С похожей ситуацией мы сталкиваемся всегда, когда, желая измерять истинное среднеквадратическое значение напряжения, используем вольтметры с детекторами амплитудного или средневыпрямленного значения. В трёхфазных сетях имеет место второй источник дополнительной погрешности – несимметрия напряжений и токов. В настоящее время становиться недопустимым для рынка электроэнергии не учитывать указанные дополнительные погрешности. И если для домашних счётчиков электроэнергии такое требование пока необоснованно затратно, то для промышленных предприятиях – становится обязательным. Измерение трёхфазной полной мощности задача неоднозначная. Наиболее реализуемый способ представлен в международном стандарте IEEE 1459-210. Основные формулы для измерения полной мощности по этому стандарту представлены ниже: формула для расчёта полной мощности трёхфазной сети: где: (5.11) UАВ, UВС, UСА – (5.12) среднеквадратические значения междуфазных напряжений IА , IВ , IС – среднеквадратические значения фазных токов 7 (5.13) 12.04.2017 Макарычев П.К. 5.1 Средства измерений мощности/энергий Серийно выпускаются ваттметры и счётчики различного назначения: - для промышленного применения; - для установки в жилых помещениях и офисах; - портативные для проведения энерготехнологического аудита; - лабораторные для проведения электротехнических экспериментов; - для обучения. Конструктивно различают: - приборы щитовые (для встраивания в электротехнические щиты); - для установки на DIN-рейки в электротехнических шкафах; - переносные (имеют одну-две ручки для переноски); - портативные или носимые (малогабаритные для оперативного применения); - стендовые (настольные) общего применения и прецизионные, в т.ч. крейтового исполнения. СИ мощности и энергии изготавливаются в виде измерительных преобразователей и приборов. Часто функции измерения мощности/энергии реализуются в многофункциональных СИ различного назначения. 5.1.1 Средства для измерений в цепях постоянного тока На рисунках 5.6 представлены изображения ваттметров и счётчиков постоянного тока различного назначения. аналоговый ваттметр встраиваемый аналоговый ваттметр встраиваемый 8 12.04.2017 Макарычев П.К. аналоговый портативный измеритель параметров мощности аналоговый ваттметр стендовый счётчик для работы в измерительной системе токовые клещи-ваттметр постоянного тока миниатюрный ваттметр-счётчик счётчик-ваттметр малогабаритный счётчик для установки в шкафу счётчик для установки на DIN-рейку 9 12.04.2017 Макарычев П.К. ваттметр встраиваемый прецизионный ваттметр стендовый мультиметр встраиваемый с функцией измерения мощности и энергии прецизионный энергетический мультиметр стендовый Рисунок 5.6 – Галерея серийных ваттметров/счётчиков электроэнергии для сетей постоянного тока  Тестер с функцией измерения мощности типа MAVOWATT 4 (Германия) Тестер MAVOWATT 4 – портативное многоканальное СИ, предназначенное для проведения измерений в электрических сетях постоянного и переменного тока. Измеряемые величины: постоянный и переменный токи/напряжения, активная мощность и коэффициент мощности. Токовый вход подключается в разрыв исследуемой цепи. Внешний вид и основные актуальные характеристики представлены на рисунке 5.7. Основные характеристики: - пределы измерений тока, DC/AC, А – 0,25; 1; 2; 25; - пределы измерений напряжения, DC/AC, В – 50, 100, 200, 500 - пределы измерений активной мощности, Вт – 25, 250, 2500 - класс точности при измерение активной мощности – 5; - частотный диапазон сигналов, Гц – 10…400; - входное сопротивление входа - для напряжения, не менее, кОм – 1000; - для тока, не более, мОм – 8; - рабочий диапазон температуры, ºС – 0 …+50 Рисунок 5.7 – Внешний вид и характеристики тестера MAVOWATT 4 10 12.04.2017 Макарычев П.К.  Мультиметр с функцией измерения мощности типа АТК-2040 (Россия) Мультиметр АТК-2040 – портативное двухканальное СИ, предназначенное для проведения оперативного обследования электрических сетей постоянного и переменного тока. Измеряемые величины: постоянный и переменный токи/напряжения, мощность, частота. Важной особенностью мультиметра является встроенный размыкаемый магнитопровод для бесконтактного измерения тока (токовые клещи). Внешний вид и основные актуальные характеристики представлены на рисунке 5.8. Основные характеристики: - предел измерения тока, DC/AC, СКЗ, А – 400; - предел измерения напряжения, DC/AC, СКЗ, В – 400 В; - предел измерения активной мощности, кВт – 40 и 240; - предел измерение частоты, кГц – 1000; - класс точности при измерении: - тока – ± (1,5% от I + 3 ЕМР); - напряжения – ± (1,5% от U + 3 ЕМР); - мощности – ± (2,5% от W + 5 ЕМР); - частоты – ± (0,5 % от F + 5 ЕМР); - частотный диапазон сигналов, Гц – 50…1000; - входное сопротивление входа для напряжения, не менее, кОм – 1000; - рабочий диапазон температуры, ºС – +5 …+40 Рисунок 5.8 – Внешний вид и характеристики мультиметра АТК-2040  Цифровой ваттметр серии СР3010 (Россия) Ваттметр предназначен для предназначены для измерений активной мощности в цепях постоянного тока и в однофазных цепях переменного тока, а также для поверки ваттметров класса точности 0,3 и ниже (рисунок 5.9). 11 12.04.2017 Макарычев П.К. Основные характеристики: - пределы измерений тока, мА – 50, 100, 200, 500 - пределы измерений напряжения, В – 30, 75, 150, 300, 450, 600 - класс точности – 0,1; - частотный диапазон сигналов, Гц – 40…1000; - входное сопротивление входа для напряжения, не менее, кОм – 1000; - рабочий диапазон температуры, ºС – +5 …+40 Рисунок 5.9 – Внешний вид и основные характеристики ваттметра СР3010 12