Способы и средства измерений электрического напряжения

10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. КУРС ЛЕКЦИЙ: ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА (ИИТ) ТЕМА 2. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ (ССИ) № СОДЕРЖАНИЕ Стр. 1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТОКА 2 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСОГО НАПРЯЖЕНИЯ 2.1 Виды измерителей электрического напряжения 2.1.1 Вольтметры электромеханической группы 2.1.2 Вольтметры выпрямительной группы 2.1.3 Вольтметры электронные 2.1.4 Вольтметры цифровые ПРИЛОЖЕНИЕ. Градуировка шкалы электронных и цифровых вольтметров переменного тока 3 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ 4 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ 5 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ 6 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 7 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» 3 Содержание представляет собой компиляцию аналогичной работы доц. Кончаловского Вадима Юрьевича, старейшего преподавателя кафедры ИИТ 1 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. 2 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 2.0 Введение Раздел развивает материал раздела 1. Дело в том, что методы измерений электрических напряжений фактически те же, что и у амперметров. Другими словами, виды вольтметров совпадают с видами амперметров. Основное отличие вольтметров по характеристикам – входное сопротивление, оно должно быть принципиально большим, т.к. в противном случае возрастает погрешность взаимодействия с объектом измерения. 2.1 Виды измерителей электрического напряжения В настоящее время серийно производятся и массово используются вольтметры следующих видов: - электромеханические; - выпрямительные; электронные; цифровые. Уже давно используется новый вид вольтметров – вольтметры графические. Они имеют графическую форму представления информации, наряду с обычными цифровыми отображением широко используется и графический. Наибольшее развитие и распространение получают сегодня цифровые вольтметры, однако по-прежнему сохраняется интерес и к аналоговым видам СИ напряжения. Объясняется это тем, что аналоговый способ представления информации человеком воспринимается лучше, особенно в условиях, когда необходимо следить одновременно за множеством измерительных приборов и когда необходимо быстро принимать решение. 2.1.1 Вольтметры электромеханической группы Актуальность таких приборов как самостоятельных изделий, несмотря на их преклонный возраст, сохраняется в электроэнергетике, промышленности, на транспорте. По-прежнему они встраиваются как устройства индикации в более сложные изделия: источники питания, генераторы и т.п.  Магнитоэлектрические вольтметры (рисунок 2.1) Создаются на базе МЭИМ (подраздел 1.1.1). Обладают в основном теми же свойствами, что и магнитоэлектрические амперметры. Не забудем, что 2 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. такие измерители способны измерять только постоянные сигналы (токи и напряжения). Рисунок 2.1 – Разновидности магнитоэлектрических вольтметров В отличие от амперметров вольтметры должны иметь большое входное сопротивление для снижения погрешности взаимодействия с объектом измерения. Входное сопротивление в МЭИМ обусловлено сопротивлением провода подвижной (измерительной) катушки. Оно мало (несколько сотен ом) и чтобы его увеличить, последовательно включают добавочное сопротивление (Rдоб; рисунок 2.2). Рисунок 2.2 – Структура вольтметра постоянного тока на базе МЭИМ Проведём расчёт значения добавочного сопротивления. Оно рассчитывается по (2.1), где Uк – конечное значение диапазона измерений, а Iпо - ток полного отклонения – ток в обмотке катушки, при котором стрелка прибора установится на отметке Uк: Rвх = Rдоб + rобм = Uк/Iпо (2.1) Пусть Iпо = 100 мкА, Uк = 100 В, тогда Rвх=1 МОм. Значение rобм обычно известно из характеристик выбранного микроамперметра, тогда можно рассчитать Rдоб*. Полученный результат нас может удовлетворить: входное сопротивление в 1 МОм достаточно хороший результат. Но посмотрим, какие значения Rвх мы получим для меньших диапазонов измерений. Так для Uк = 10 В из (1) мы имеем уже Rвх =100 кОм, напряжению Uк = 1 В соответствует Rвх =10 кОм. Последний результат нас мало будет 3 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. удовлетворять, но позволит ещё использовать такой вольтметр для измерений в заведомо низкоомных цепях. Примечание – Обратим внимание на тот факт, что отличие реального сопротивления (Rдоб + rобм) от рассчитанного значения Rвх приведёт к увеличению инструментальной погрешности измерения. Уже только по этой причине созданный вольтметр будет показывать результат с ошибкой. При этом источником погрешности будет как отклонение Rдоб от рассчитанного, так и реальное (т.е. не паспортное) сопротивление rобм. Измеряемое напряжение (Uизм), подаваемое на последовательное соединение Rдоб + rобм, вызывает пропорциональный ток в обмотке, поэтому шкалу миллиамперметра можно градуировать в единицах напряжения вольтах. На рисунке 2.3 показана структура серийного вольтметра с выполненной градуировкой. Рисунок 2.3 – Структура вольтметра постоянного тока на базе МЭИМ В качестве примера рассмотрим внешний вид и основные характеристики щитового МЭИМ-вольтметра типа М42609: Возможные пределы измерений, В – 2; 3; 7,5; 10; 15; 20; 30; 50; 75; 100; 150; 250; 300; 400; 500; 600. Классы точности – 1,5 или 2,5. Габаритные размеры, мм3 – 48×48×48. Рабочее положение шкалы – вертикальное. Масса, г – 120 Рисунок 2.4 – Внешний вид и характеристики МЭИМ-вольтметра типа М42609 Наиболее распространенные электромеханические вольтметры с классами точности 0,2; 0,5; 1,0; 1,5 позволяют измерять постоянные напряжения в диапазоне от 1 В до 1000 В. Для измерения больших напряжений (более 1 кВ) на вход вольтметра допускается подключение внешнего добавочного сопротивления. Для измерения напряжений менее 1 В наиболее целесообразно использовать электронные или цифровые вольтметры. 4 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К.  Электромагнитные вольтметры (рисунок 2.5) Рисунок 2.5 – Разновидности электромагнитных вольтметров Вольтметры, создаваемые на базе ЭМИМ, обычно предназначены для непосредственного измерения действующего (среднеквадратического) значения тока, протекающего по измерительной обмотке. В ряде случаев их можно использовать и для измерения постоянных напряжений – принцип действия позволяет. Наиболее распространенные вольтметры имеют классы точности 0,5; 1,0; 1,5 и позволяют измерять переменные напряжения от 1 В до 1000 В в частотном диапазоне сигнала от 45 Гц до 1 кГц. Входные сопротивления не велики. При этом следует ожидать, что входное сопротивление возрастает с ростом предела измерения. Рисунок 2.6 – Структуры вольтметров на базе электромагнитного механизма 2.1.2 Вольтметры выпрямительной группы Мы уже знаем, по какой причине создаются амперметры выпрямительной системы (подраздел 1.1.2). Вольтметр, как и ранее, создаётся из амперметра путём подключения добавочного сопротивления (рисунок 2.7). 5 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Рисунок 2.7 – Структура выпрямительного вольтметра В качестве примера рассмотрим внешний вид и характеристики серийного вольтметра ЭВ2265, созданного на рассмотренных основах (рисунок 2.8). Возможные пределы измерений, В – 5; 15; 30; 75; 150; 300; 600. Классы точности – 0,2 или 0,5. Габаритные размеры, мм3 – 243×200×100. Рабочее положение шкалы – горизонтальное. Масса, г – 3000 Рабочий температурный диапазон, ºС – 10…35 Относительная влажность, % – 80 при tº=+20 ºC Рисунок 2.8 – Вид и характеристики лабораторного вольтметра ЭВ2265 ЭА2265 – аналоговый прибор прямого действия, выполнен в виде измерителя постоянного тока с выпрямителем. Измеритель постоянного тока магнитоэлектрической системы со стрелочным указателем и равномерной шкалой длиной 150 мм, с антипараллаксным устройством. Дадим пояснение. Антипараллаксное устройство это зеркальная полоска, которая по форме повторяет дугу шкалы и позволяет уменьшить погрешность считывания результата. Для этого необходимо считывать результат одним глазом так, чтобы стрелка и её отражение в зеркале совпали. Лабораторные вольтметры ЭВ2265 – многопредельные приборы, предназначенные для измерения СКЗ напряжения переменного тока синусоидальной – и только, формы. Диапазон частот измеряемого напряжения от 45 до 1000 Гц. Вольтметры применяется при поверке и калибровке менее точных приборов (с классами точности 1,0 и хуже), а также, для проверки параметров изделий при их производстве, контроле и испытаниях. 2.1.3 Вольтметры электронные В отличие от электромеханических аналоговых вольтметров электронные вольтметры (ВЭ) имеют в своем составе электронные усилители напряжения – отсюда название вольтметров. Напряжения малых значений преобразуется в этих приборах в постоянный ток, который протекает затем в 6 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. измерительной катушке МЭИМ, шкала которого градуируется в единицах напряжения – вольтах. Упрощенная типовая схема ВЭ постоянного тока состоит из трех основных узлов: входного делителя напряжения, усилителя постоянного тока, подключенного к его выходу – всё это т.н. входные цепи (ВхЦ), и магнитоэлектрического микроамперметра (рисунок 2.9). Рисунок 2.9 – Структура электронного вольтметра постоянного тока Делитель напряжения обеспечивает высокое входное сопротивление электронного вольтметра (не менее 1 МОм). Коэффициенты деления и усиления можно дискретно регулировать вручную, что делает ВЭ многодиапазонными. За счет высокого коэффициента усиления усилителя ВЭ обеспечивает пользователю высокую чувствительность (другими словами, можно измерять, в том числе, сравнительно малые напряжения) по сравнению с электромеханическими. В структуру ВЭ для измерения переменных напряжений добавлен детектор, как это было сделано ранее для амперметров (рисунок 2.10). Рисунок 2.10 – Структура электронного вольтметра переменного тока 7 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. В качестве примера на рисунке 2.11 представлен общий вид, а рядом – характеристики электронного милливольтметра переменного тока типа В356. Вольтметр В3-56 предназначены для измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока синусоидальной формы! Шкалы приборов проградуированы в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Применяются для проверки, наладки и ремонта различной радиотехнической аппаратуры и аппаратуры связи в лабораторных, производственных, а также в жестких условиях эксплуатации. Пределы измерений, мВ – 1; 3; 10; 30; 100. Пределы измерений, В - 1; 3; 10; 30; 100; 300. Частотный диапазон напряжений, Гц – 45…106. Классы точности – 2,5 в частотном диапазоне 45 Гц …200 кГц; 4 – на остальных частотах. Габаритные размеры, мм3 – 170×210×330. Масса, кг – 6. Рабочий температурный диапазон, ºС – -30…+50 Относительная влажность, % – 98 при tº = +35 ºC. Рисунок 2.11 – Внешний вид и основные характеристики вольтметра В3-56 Наиболее распространенные аналоговые электронные вольтметры позволяют измерять напряжения от 10-6 (микровольты) до 103 В (киловольты) в частотном диапазоне от 10 Гц до 109 Гц (гигагерцы). Значения пределов основной приведенной погрешности зависят от диапазона измерений и частоты измеряемого напряжения и составляют обычно ± (0,5 … 5,0) %. 2.1.4 Вольтметры цифровые Цифровые вольтметры (ЦВ) – современный и наиболее развиваемый класс вольтметров (рисунок 2.12). Это электронные вольтметры, которые привлекают способом отображения результатов измерения. Для отображения используются т.н. цифровые дисплеи, состоящие из нескольких десятичных цифр – декад. Чем больше декад в дисплее, тем точнее прибор. 8 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Рисунок 2.12 – Конструктивные разновидности цифровых вольтметров ЦВ отличаются от ранее описанных цифровых амперметров только особенностями входных цепей (ВхЦ), назначение которых – обеспечить необходимое согласование характеристик измеряемого напряжения с возможностями электронных преобразовательных схем вольтметра. Главная функция ВхЦ это масштабирование сигнала: если сигнал относительно мал, то ВхЦ его усиливают, если велик, то уменьшают. Переключение диапазонов измерения обычно осуществляет пользователь с помощью механического секторного или кнопочного переключателя на лицевой панели прибора, однако входные цепи некоторых ЦВ наделены полезным свойством – автоматически выбирать диапазон измерения. Примечание – Эта особенность не всегда является преимуществом, т.к. переключение диапазонов происходит с небольшой задержкой, что иногда действует раздражающе на пользователя. Другая функция ВхЦ – защита входа ЦВ от перегрузки, возникающей, когда на вход несанкционированно подаётся опасно большое напряжение. В качестве примера современных ЦВ рассмотрим относительно простой щитовой вольтметр. ЦВ ИНС-Ф1 (рисунок 2.13). Прибор предназначен для измерений в сетях переменного тока, встраивается в электротехнические щиты и шкафы. 9 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Прибор имеет один диапазон измерения. Измеряет СКЗ переменного напряжения, имеющего как синусоидальную, так и искажённую форму. Диапазон измерения, В – 0…264 Погрешность измерения, % – ± 0,5 в нормальных условиях и в диапазоне напряжений 220В±20%. Диапазон рабочих температур, ºС – минус 20…+50. Напряжение питания, В – 90…264. Мощность потребления, не более, ВА – 4. Габаритные размеры, мм3 – 76×34×70 Масса, не более, г – 500 Рисунок 2.13 – Внешний вид и основные характеристики щитового ЦВ типа ИНС-Ф1 Мы рассмотрели простой и дешёвый вариант, которые создан на основе одной-двух интегральных микросхем. Широко используются более дорогие ЦВ, которые имеют хорошие метрологические свойства и развитые функции. Такие ЦВ создаются на основе более сложной структура, представленной на рисунке 2.14. Рисунок 2.14 – Обобщённая структура микропроцессорного ЦВ. Ключевая особенность этой структуры – наличие микроконтроллера. Напомним, что современный МК способен как управлять всей структурой цифрового прибора – это его основная задача, так и осуществлять высокопроизводительную обработку измерительной информации, которая в виде предварительно оцифрованных значений поступает в него с выхода АЦП. 10 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Результаты измерений в СИ утилизируются в общем случае тремя способами: отображаются на дисплее (устройство отображения; УО), регистрируются тем или иным способом в устройствах регистрации (УР), транслируются удалённому потребителю (УТ). Часто все эти функции в одном изделии не реализуются и СИ получают сокращённые структуры (рисунок 2.15). Рисунок 2.15 – Типовые структуры современных цифровых измерителей напряжения В зависимости от реализованной структуры такие измерители напряжений могут называться регистраторами, вольтметрами с регистрирующими функциями, измерительными преобразователями, преобразователями с регистрирующими функциями, измерительными приставками и просто вольтметрами. В качестве примера сложного ЦВ рассмотрим вольтметр СВ3010 (рисунок 2.16). 11 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Рисунок 2.16 – Внешний вид цифрового вольтметра СВ3010 Описание и основные характеристики вольтметра СВ3010. Предназначен для измерений напряжения постоянного тока и СКЗ напряжения переменного тока частотой от 40 Гц до 1500 Гц. Может использоваться в качестве точных рабочих приборов, а также рабочих эталонов для поверки приборов постоянного и переменного тока классов точности 0,3 и более грубых. По заказу выпускаются с интерфейсами RS232 или RS485. Основные характеристики. Пределы измерений, В – 7,5; 15; 30; 60. Пределы основной приведенной погрешности, % – ±0,1. Входное сопротивление, не менее, кОм – 100. Напряжение питания постоянного тока, В – 9 … 18. Потребляемая мощность, не более, Вт – 5. Габаритные размеры, мм3 – 225 × 100 × 200. Масса, не более, кг – 1,0. Диапазон рабочих температур, °С – от +5 до +40; Относительная влажность воздуха при 25 °С, % – до 90. 12 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. ПРИЛОЖЕНИЕ Градуировка шкалы переменного тока электронных и цифровых вольтметров ВЭ переменного тока строятся с применением т.н. детекторов (или измерительных выпрямителей). Их назначение – преобразование переменного напряжения в постоянный ток, с тем, чтобы его затем можно было измерить магнитоэлектрическим механизмом (МЭИМ; рисунок П1). Рисунок П1 – Типовая структура электронного вольтметра переменного тока На практике реализуются три разновидности детекторов: - амплитудного значения Uа. Преобразует амплитудное значение переменного напряжения в постоянное; - средневыпрямленного значения. Преобразует средневыпрямленное значение переменного напряжения Uсв = (1/Т)ʃu(t)dt в постоянное; - среднеквадратического* значения (СКЗ). Преобразует среднеквадратическое значение переменного напряжения U = √(1/Т)ʃu2(t)dt в постоянное. Примечание – этот параметр часто в литературе обозначают по-другому: среднее квадратическое, среднеквадратичное; действующее, эффективное. Детектор СКЗ ещё называют детектором истинного СКЗ. Дело в том, что именно это значение интересует конечного пользователя. На примере нормированного синусоидального напряжения вида u(t) = 1sin ωt, на графике (рисунок П2) показаны значения всех трёх параметров синусоидального напряжения. Значения параметров рассчитаны по известным соотношениям: U= Uа/√2; Uсв=U/1,1. 13 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Рисунок П2 – Параметры синусоидального напряжения Важно знать, что независимо от вида Д шкалы ВЭ градуируются однотипно: в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Дадим пояснение. Соберём схему из эталонного генератора и трёх электронных вольтметров с разными детекторами (рисунок П3). С помощью переключателя на генераторе будем последовательно формировать эталонные значения* синусоидальных напряжений: 1 В, 2 В, 3 В, 4 В, 5 В и 6 В. Это среднеквадратические значения синусоидальных напряжений – так принято градуировать шкалы генераторов. Напоминаем, что эталонными считаются напряжения заведомо большей точности, чем точность проверяемых вольтметров. Критерий – не менее, чем в три раза более точные. Рисунок П3 – Схема градуировки электронных вольтметров Без учёта погрешности измерения стрелки на шкалах подключённых вольтметров будут повторять формируемые генератором значения напряжений. Другими словами, независимо от вида реализованного детектора, все вольтметры будут показывать одно и тоже значение – среднеквадратическое значение поданного напряжения. 14 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Проградуированные таким образом вольтметры могут использоваться для измерения синусоидальных напряжений на равных условиях. Их показания будут различаться только в соответствии с классами точности. Однако, если мы будем измерять переменные напряжения, имеющие другие формы временных зависимостей (прямоугольные, треугольные, искажённая синусоида и т.п.), то показания рассмотренных выше вольтметров будут расходиться, т.к. в соответствии с рассмотренными особенностями применённых детекторов стрелки приборов будут отслеживать соответственно: амплитуду, средневыпрямленное или среднеквадратическое значение измеряемого напряжения соответственно. Для несинусоидального напряжения рассматриваемые параметры могут существенно различаться. Важный вывод заключается в том, что если мы не знаем форму кривой измеряемого напряжения, то воизбежании дополнительной ошибки, должны использовать вольтметры со среднеквадратическим детектором – он будет измерять всегда правильно! 15