Приборы выпрямительной и термоэлектрической систем. Масштабные измерительные преобразователи

РАЗДЕЛ 2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Лекция 5 Приборы выпрямительной и термоэлектрической систем. Масштабные измерительные преобразователи План лекции: 5.1 Устройство и принцип действия приборов выпрямительной и термоэлектрической систем 5.2 Шунты и добавочные сопротивления 5.3 Измерительные трансформаторы тока и напряжения 5.1 Устройство и принцип действия приборов выпрямительной и термоэлектрической систем Выпрямительные приборы обладают высокой чувствительностью и точностью, малым собственным потреблением энергии, что выгодно отличает их от других электромеханических приборов. Их используют для измерений в цепях переменного тока путем преобразования переменного тока в постоянный ток с помощью преобразователей (полупроводниковые диоды, термопреобразователи и т.д.). Выпрямительные приборы представляют собой сочетание МЭП и выпрямительного преобразователя, в качестве которого используются полупроводниковые диоды на основе кремния и германия. В зависимости от схемы включения диодов и измерительного механизма применяется двухполупериодное (рис. 5.1, а) и однополупериодное (рис. 5.1, б) выпрямление переменного тока. При однополупериодном выпрямлении через измерительный механизм (микроамперметр) и диод VD1 проходит только прямая полуволна переменного тока, а обратная – пропускается через диод VD2 и резистор R (R = Rизм). Ветвь, состоящая из диода VD2 и резистора R, предназначена для выравнивания обеих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты диода VD1 от пробоя при обратной полуволне напряжения. Вращающие моменты для однополупериодного и двухполупериодного выпрямлений определяются как М вр1  М вр2  Вращающий момент Т T 2 Т T I ср 1 1 М  t  BSw i  t  BSw ;  вр  Т0 T0 2 1 1 М вр t  BSw  it  BSwI ср .  Т0 T0 (5.1) М вр  ВSwi , где i − пульсирующий выпрямленный ток. а) (5.2) б) Рис 5.1 Схемы включения: двухполупериодного (а) и однополупериодного (б) выпрямителей Выражения для уравнения преобразования прибора BSw I ср α1   ; W 2 BSw α2   I ср . W (5.3) Шкала прибора градуируется в действующих значениях синусоидального тока α1  BSw I  ; WK ф 2 BSw α2   I, WK ф (5.4) где Кф − коэффициент формы для синусоиды, Kф = 1,11. Достоинства: высокая чувствительность, малое собственное потребление мощности и широкий диапазон рабочих частот (до 2 000 Гц с применением точечных кремниевых диодов и схем частотной компенсации). Недостатки: зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения, невысокий класс точности (1,0; 1,5; 2,5; 4,0), что объясняется нелинейностью вольтамперных характеристик диодов; влияние температуры окружающей среды. Выпрямительные приборы используются для измерения постоянных и переменных токов (от 0,2 мА − 6 А), напряжения (0,2 мВ − 600 В) и сопротивления – ампервольтомметры (авометры). У МЭП угол отклонения стрелки зависит от тока, протекающего по рамке прибора. Эти приборы могут работать только в сети постоянного тока и обладают высокой чувствительностью и точностью. В связи с этим при измерении переменного тока нужно сначала постоянный ток преобразовать, а потом его измерять. Термоэлектрические приборы представляют собой сочетание МЭП и термоэлектрического преобразователя, который состоит из термопары 2 и нагревателя 1. Нагреватель выполняется из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан, вольфрам) и допустимой температурой 600º ‒ 800 ºС. Материал термопары должен обладать высокой термоЭДС (хромель-копель, медь-копель). а б Рис. 5.2. Термоэлектрические преобразователи: а − контактные; б − бесконтактные Термоэлектрические преобразователи бывают контактные (рис. 5.2, а) и бесконтактные (рис. 5.2, б). Контактные преобразователи кроме нагревателя и термопары имеют изолятор в виде точки спая (капля стекла), что уменьшает чувствительность и увеличивает инертность преобразователя. Их преимуществом является изоляция цепи термопары от нагревателя. Под действием теплоты, выделяемой нагревателем, и при разности температур горячего и холодного спаев термопары возникает термоЭДС, которая пропорциональна величине тока, протекающего по нагревателю и измеряемая МЭП α  KI д2 (5.5) где К – коэффициент, зависящий от конструкции и типа термоэлектрического преобразователя и параметров измерительного механизма; Iд − действующее значение измеряемого тока. Достоинства: высокая чувствительность и широкий частотный диапазон (10 Гц − 100 МГц); независимость показаний прибора от формы кривой измеряемого переменного тока; класс точности 0,5; 1,0 и ниже; диапазон измерения по току 100 мА − 10 А, по напряжению 0,75 В − 50 В, низкое входное сопротивление (200 − 300 Ом). Недостатки: малая перегрузочная способность; ограниченный срок службы термопар; зависимость показаний приборов от температуры окружающей среды; значительное собственное потребление мощности. 5.2 Шунты и добавочные сопротивления Масштабными называются преобразователи, которые преобразуют значение измеряемой величины в заданное число раз. Это шунты, добавочные сопротивления, трансформаторы тока и напряжения. Схема соединения однопредельного амперметра с шунтом показана на рис.5.3. Рис. 5.3 Схема включения шунта (а) и добавочного сопротивления (б) с ИМ На рис. 5.3 приведена схема включения измерительного механизма с помощью шунта. Если необходимо иметь ток I n в ИМ прибора меньше в n раз измеряемого тока I и , то сопротивление шунта будет: Rш Rn n 1 (5.6) где R n - сопротивление ИМ прибора, Ом; n - коэффициент шунтирования величины измеряемого тока, Iи  I n  n . (5.7) В нормативной и сопроводительной документации на шунты указываются следующие метрологические характеристики шунтов: – номинальное падение напряжение на шунте при максимальном значении силы тока в диапазоне измерения из следующего стандартного ряда: 10 мВ, 45 мВ, 75 мВ, – верхний предел диапазона измерений, который обеспечивает данный шунт, – верхний предел измерения силы тока амперметром, с которым может быть использован данный шунт, – предел допускаемой основной относительной погрешности преобразования (основным источником погрешности является погрешность воспроизведения масштабного коэффициента К, которая порождает мультипликативную составляющую инструментальной погрешности, –пределы допускаемой дополнительной погрешности. Для обеспечения совместимости шунта с амперметром в документации на амперметр и, как правило, на его шкале указывается падение напряжения на внутреннем сопротивлении амперметра при токе полного отклонения стрелки из ряда 10 мВ, 45 мВ, 75 мВ. Для расширения пределов измерения напряжения могут использоваться делители напряжения и добавочные сопротивления. Однако, из-за того, что делитель напряжения должен потреблять от объекта ток, превышающий ток собственного потребления вольтметра, на практике для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления. Добавочное сопротивление соединяется последовательно с вольтметром рис.5.3(б).Для расширения пределов измерения по напряжению используются добавочные сопротивления, которые включаются последовательно с ИМ. Они образуют с внутренним сопротивлением ИМ делитель напряжения. Если напряжение, необходимое для полного отклонения подвижной части ИМ прибора, равно U n , а измеряемое напряжение U и , то Uи  m  U n , то добавочное сопротивление определяется выражением Rд  Rи  m  1 , (5.8) ( 5 .9 ) где R n — сопротивление ИМ, Ом; т - коэффициент, показывающий, во сколько раз измеряемое напряжение больше напряжения ИМ. Для обеспечения совместимости добавочного сопротивления и вольтметра, к которому оно подключается, в документации на вольтметр и, как правило, на его шкале указывается ток полного отклонения стрелки. В документации на добавочное сопротивление приводятся следующие метрологические характеристики: –номинальное значение сопротивления, –предел допускаемой основной относительной погрешности (поскольку, аддитивная составляющая пренебрежимо мала по сравнению с мультипликативной), –максимально допустимое значение силы тока, –предел допускаемой дополнительной погрешности. 5.3 Измерительные трансформаторы тока и напряжения Для расширения пределов измерения применяются трансформаторы тока ТТ и трансформаторы напряжения ТН. Измерительные трансформаторы тока имеют существенное преимущество перед шунтами, которое заключается в том, что при их применении отсутствует гальваническая связь между первичной обмоткой, включенной в мощную электрическую цепь объекта, и вторичной обмоткой. Разрыв этой гальванической связи способствует обеспечению безопасности персонала, снижению действия помех и облегчает выполнение необходимых соединений во вторичной цепи. Кроме того, в огра- ниченном частотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирования) определяется только отношением числа витков обмоток трансформатора и мало зависит от внешних влияющих факторов. Рис.5.4 Схема включения ТТ и ТН в измерительную цепь Еще их преимущество то, что они преобразуют большие первичные токи (напряжения) в относительно малые токи (напряжения), допустимые для измерений приборами с небольшими пределами измерений (5 А, 100 В). Схема включения измерительного трансформатора тока в линию с измеряемым током Ix и присоединения амперметра ко вторичной обмотке представлена на рис. 5.4. На этом рисунке Л 1 , Л 2 - зажимы первичной обмотки трансформатора, к которым подключена линия, И1 , И2 - зажимы вторичной обмотки, к которым подключается амперметр, К - ключ, замыкающий вторичную обмотку. Как известно, опасным режимом для трансформатора тока является режим холостого хода, при котором на вторичной обмотке развивается высокое напряжение, и возможен пробой изоляции. Напротив, благоприятным режимом для трансформатора тока является режим короткого замыкания вторичной обмотки. В связи с этим чрезвычайно важно выполнять следующие правила включения трансформатора тока с амперметром в линию. Перед включением первичной обмотки в линию вторичная обмотка обязательно должна быть замкнутой на амперметр или ключом К. Если обмотка была замкнута ключом, то его можно разомкнуть для работы только тогда, когда включен амперметр и проверена целостность его цепи и качество контактов в местах присоединений. Коэффициент преобразования трансформатора тока в ограниченном диапазоне частот равен отношению числа витков обмоток трансформатора и может быть как больше, так и меньше единицы. Особенностью измерительного трансформатора тока является также то, что в отличие от других трансформаторов тока он имеет нормированные метрологические характеристики: –пределы изменения силы тока первичной обмотки, подлежащего измерению, –предел измерения амперметра, включаемого во вторичную обмотку, –предел допускаемой основной относительной погрешности по амплитуде, –предел допускаемой основной погрешности по фазе, –предельные значения сопротивления нагрузки во вторичной обмотке, при которых инструментальные погрешности трансформатора не превышают норм, установленных на основные погрешности –пределы допускаемых дополнительных погрешностей, –частотный диапазон, в котором инструментальные погрешности трансформатора не превышают норм, установленных на основные погрешности. Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг w от друга обмоток: первичной - с числом витков 1 и вторичной w2 , помещенных на ферромагнитном сердечнике. В трансформаторах тока, как правило, первичный ток I1 больше вторичного I 2 , поэтому в них w1 < w2 . .В трансформаторах напряжения первичное напряжение U1 больше вторичного U , поэтому в них w1 > w2 . По пока2 заниям приборов, включенных во вторичные обмотки, можно определить значение измеряемых величин первичного тока и первичного напряжения. где К I и К U — действительные коэффициенты трансформации измерительных трансформаторов. Значение действительного коэффициента трансформации не является постоянным и зависит от режима работы трансформатора, т.е. измеряемого тока или напряжения, сопротивления вторичной обмотки, частоты тока. Поэтому на практике пользуются номинальным коэффициентом трансформации, который для данного трансформатора является величиной постоянной. Для ИТТ номинальный коэффициент трансформации обозначают, для ИТН KUh . Тогда приближенное значение измеренного тока и напряжения I1 = К I H I 2 , U 1= K U H U 2 . (5.10) Относительная погрешность вследствие неравенства действительного и номинального коэффициента трансформации может быть определена для трансформатора тока по формуле f1  I 1,  I1 K  K1 K *I  I *100%  IH *100%  IH 2 1 *100% , I1 K1 I1 (5.11) для трансформатора напряжения fU  K  KU K * U 2  U1 U1,  U1 *100%  UH * 100%  UH *100% , U1 KU U1 (5.12) Погрешность f1 называется токовой погрешностью, a f U — погрешностью напряжения. Кроме токовой погрешности и погрешности по напряжению, у измерительных трансформаторов имеется угловая погрешность 5. Из теории трансформаторов известно, что в идеальном случае вектор вторичного тока (напряжения U2) сдвинут по фазе относительно вектора первичного тока I1 (напряжения U1 в ИТН) на 180°. В реальном трансформаторе угол между повернутым на 180° вектором вторичной величины (-I2 или -U2) и соответствующим вектором первичной величины (I1 или U1) не будет равен нулю, и составляет угол 8, который называется угловой погрешностью трансформатора (рис.5.5). Погрешность считается положительной, если повернутый на 180° вектор вторичной величины опережает вектор первичной величины, а если отстает, то погрешность считается отрицательной. Угловая погрешность измерительных трансформаторов тока и напряжения оказывает влияние на показания таких приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазы между токами в цепях этих приборов (ваттметры, счетчики, фазометры). U2(I2) U1(I1) −δ 180º U2(I2) δ −U2(−I2) Рис. 5.5 Угловая погрешность трансформатора напряжения и трансформатора тока Измерительные трансформаторы напряжения (ИТН) применяются для расширения пределов измерения характеристик переменного напряжения. Применение измерительных трансформаторов напряжения дает те же преимущества перед применением добавочных сопротивлений, что и применение трансформаторов тока. Измерительный трансформатор напряжения отличается от других трансформаторов напряжения тем, что он имеет следующие нормированные метрологические характеристики: –пределы изменения напряжения, действующего на первичной обмотке, –предел измерения вольтметра, включаемого во вторичную обмотку, –предел допускаемой основной относительной погрешности по амплитуде, –предел допускаемой основной погрешности по фазе, –предельные значения сопротивления нагрузки во вторичной обмотке, при которых инструментальные погрешности трансформатора не превышают норм, установленных на основные погрешности –пределы допускаемых дополнительных погрешностей, –частотный диапазон, в котором инструментальные погрешности трансформатора не превышают норм, установленных на основные погрешности. Поверку измерительных трансформаторов проводят с помощью образцовых измерительных ТТ и ТН дифференциальным нулевым методом. Класс точности приборов устанавливается по относительной погрешности. ИИТ подразделяют на следующие классы точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 10,0. ИТН подразделяются на классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 10,0. Для трансформаторов класса точности 3,0 и 10,0 нормируется только токовая погрешность, для ИТН - погрешность напряжения. Для этих трансформаторов величина погрешности не должна превышать ±3 % и ±10 % соответственно. Для трансформаторов более высоких классов точности дополнительно нормируется угловая погрешность в градусах при изменении первичной величины от 50 до 120 % от номинального значения. Контрольные вопросы 1. Какие преобразователи, которые преобразуют значение измеряемой величины в заданное число раз? 2. Как подсоединяется шунт к измерительному механизму? 3. С помощью какого преобразователя расширяются пределы измерения вольтметров? 4. Почему заземляется вторичная обмотка трансформаторов тока и напряжения? 5. По какой погрешности определяется класс точности трансформаторов тока и напряжения? 6. Что такое угловая погрешность? 7. Что такое номинальный коэффициент трансформации? 8. Почему не совпадают номинальный и действительный коэффициенты трансформации? 9. Как включается в измеряемую цепь трансформаторы тока и напряжения? 10. Из чего изготавливают шунты и добавочные сопротивления?