Способы и средства измерений силы тока

10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. КУРС ЛЕКЦИЙ: ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА (ИИТ) ТЕМА 2. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ (ССИ) № СОДЕРЖАНИЕ Стр. ВВЕДЕНИЕ 1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТОКА 1.0 Введение 1.1 Виды измерителей электрического тока 1.1.1 Амперметры электромеханической группы 1.1.2 Амперметры выпрямительной группы 1.1.3 Амперметры электронные 1.1.4 Амперметры цифровые 1.1.5 Мультиметры 1.2 Критерии выбора измерителей 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 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. В ВВЕДЕНИЕ 1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА 1.0 Введение В соответствии с началами физики под электрическим током понимается направленное движение электрических частиц (зарядов). Основной характеристикой тока является сила электрического тока I=q/t или в более общем виде i=dq/dt.  Виды электрических сигналов: описание, характеристики В настоящем курсе будем различать четыре вида электрических токов*: постоянные, переменные, импульсные и шумовые. Графические изображения таких сигналов представлены на рисунках 1.1. Примечание – А также напряжений 2 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Шумовой сигнал Рисунок 1.1 – Виды сигналов Примечания – 1 Вместо сложно записываемых терминов сила электрического тока и электрическое напряжение будем обычно применять более короткие – ток и напряжение соответственно. В тех случаях, когда это обосновано термины могут быть записаны и сложно: сила переменного тока, сила постоянного тока, напряжение постоянного тока, напряжение переменного тока. 2 Далее в тексте применяется термин сигналы, если речь идёт одновременно о токах и напряжениях. 3 Измерение импульсных сигналов в данном курсе рассматривается ограничено. 4 Измерение шумовых сигналов в данном курсе не рассматривается. Под постоянными обычно понимаются однополярные стабильные (напряжение источников постоянного тока) или медленно меняющиеся сигналы (выходное напряжение химических источников тока). Примечание – В некоторых случаях постоянные сигналы могут менять и полярность, например, ток в аккумуляторе при зарядке имеет одно направления, а в нагрузку он отдаёт ток другого направления. Под переменным, если отдельно не оговаривается, обычно понимают двуполярный периодический (alternating current; AC), часто – синусоидальный сигнал*. Примечание – Синусоидальные (гармонические) сигналы в технике имеют важное значение: - во-первых, «Теоретические основы электротехники» такие сигналы используют для анализа электрических цепей; - во-вторых, такую форму имеют сигналы, используемые нами в повседневной практике как источник энергии – электрические сети; - широкая номенклатура СИ (амперметры, вольтметры, ваттметры, …) предназначена для измерений именно синусоидальных и только синусоидальных сигналов. Синусоидальные сигналы будут нами часто использоваться для иллюстрации всего класса переменных сигналов, т.к. они легко и однозначно отображаются графически. 3 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Информативными параметрами переменного сигнала, которые мы будем измерять, являются его амплитудное (Ха) и среднеквадратическое (или действующее, иногда – эффективное; Х) значения (рисунок 1.2). Рисунок 1.2 – Параметры переменных сигналов Примечание – В ряде случаев используют понятие средневыпрямленного значения (Хсвз, рисунок справа). Это понятие вводится в нашем курсе при описании детекторов средневыпрямленного значения (подразделы 1.1.2; 1.1.3; 1.1.4, а также 2.1.2; 2.1.3; 2.1.4). Выражение Хсв для аналитических расчётов представлено ниже: Хсвз = (1/Т)ʃu(t)dt (1.1) Поясним понятие среднеквадратического значения (СКЗ) на примере переменных токов. Для этого проведём эксперимент (рисунок 1.3). Рисунок 1.3 – Схема эксперимента по определению СКЗ переменного тока К источнику переменного тока с помощью перекидного переключателя S подключим нагрузку Rн (положение 1 переключателя S). Нагрузка, выделяя тепло, нагреется до некоторой температуры tº1. Затем нагрузку подключим к источнику регулируемого постоянного тока (положение 2 переключателя S) и, регулируя (изменяя) значение постоянного тока, добиваемся того же значения температуры нагрузки tº2 = tº1. Ток, при котором мы достигли этого равенства, и называется среднеквадратическим значением ранее поданного переменного тока. 4 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. СКЗ можно рассчитать, если известно аналитическое описание сигнала: (1.2) Примечание – Для синусоидальных сигналов связь между амплитудным и среднеквадратическим значениями легко рассчитывается по (1.2): Хскз=Ха/2. Следует запомнить!  Подключение амперметров в электрическую схему Измерение токов на практике осуществляется часто. Для этих целей используют различного вида амперметры (подраздел 1.1). Они включаются в разрез электрической схемы (рисунок 1.4). Рисунок 1.4 – Подключение амперметра в электрическую схему Амперметры имеют внутреннее сопротивление rA, которое влияет на общее сопротивление электрического контура: сопротивление контура увеличивается и это вносит погрешность в измерение тока – измеренное значение тока уменьшается. Такая погрешность называется погрешностью взаимодействия. В этой связи внутреннее сопротивление амперметра rA должно иметь маленькое значение, в идеале – нуль. Реальные сопротивления амперметров могут иметь значение в несколько сотен ом. Общий универсальный вывод: с целью снижения погрешности взаимодействия используемый амперметр должен иметь внутреннее сопротивление существенно меньшее сопротивления контура! Для расширения диапазонов измерения тока используют измерительные преобразователи: токовые шунты или измерительные трансформаторы токов (ИТТ; рисунок 1.5). Примечание – Напоминаем, что измерительные преобразователи имеют свои, учитываемые в расчётах метрологические характеристики. 5 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Рисунок 1.5 – Способы расширения диапазонов измерения амперметров Токовый шунт представляет собой прецизионный резистор специальной конструкции. Он имеет малое номинальное сопротивление (доли Ома) и способен пропускать значительные токи – большие, чем амперметр. Шунты могут применяться как в цепях постоянного тока, так и переменного. Шунты имеют две пары зажимов (клеммы или болты). С помощью двух из них шунт включается в контролируемую цепь, а другая пара – меньшая по размерам, служит для подключения амперметра (миллиамперметра). Рисунок 1.6 – Примеры электрических шунтов ИТТ используются для измерений, как правило, в сетях переменного, а некоторые – и постоянного тока. В сравнении с шунтами они обладает дополнительным преимуществом – гальванически разделяют первичную, часто высоковольтную цепь, от цепи с амперметром. Работа с амперметром, таким образом, становится электрически менее опасной*. Различают ИТТ для стационарного и мобильного использования. Стационарные ИТТ устанавливаются в электрической цепи надолго, т.к. любой их демонтаж сопряжён с разрывом первичной цепи, т.е. отключением нагрузки, что в условиях работающего промышленного, например, оборудования – нежелательное явление. Возможные виды стационарных ИТТ представлены на рисунке 1.7. 6 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Примечание – Следует знать, что опасность другого рода сохраняется: если вторичную цепь ИТТ разомкнуть при наличии первичной нагрузки – происходит перегрев, возгорание, а то и взрыв ИТТ. Рисунок 1.7 – Примеры ИТТ стационарного использования Широкое использование мобильных (портативных) измерителей тока потребовало создания т.н. бесконтактных ИТТ (рисунок 1.8). Их обычно называют токовыми клещами или измерительными клещами или токоизмерительными клещами (ТИК). При их использовании не требуется отключать нагрузку в контролируемой цепи. Дело в том, что магнитопровод клещей может легко размыкаться. 7 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Рисунок 1.8 – Примеры ТИК мобильного использования ТИК сегодня – быстро развиваемая современная область приборостроения. Серийно выпускаются ТИК с разнообразным набором технических характеристик. Множество конструктивных вариантов позволяют выбрать клещи под любые практические задачи. Исходный выбор потребителя касается формы и размера рабочего окна, в котором должен размещаться токопровод. Чем больший ток предполагается измерить, тем большего размера должно быть окно. Таким образом, если измерения осуществляются в широком диапазоне токов – от малых значений (десяткисотни миллиампер) до больших (сотни и тысячи ампер), то правильно приобрести клещи с максимально большим окном. Но у таких клещей есть два недостатка: - при измерении малых токов снижается точность преобразования; - вес таких клещей может достигать полутора килограммов. В качестве альтернативы для рассмотренных ТИК создаются клещи с гибкой первичной обмоткой (рисунок 1.9). Метрология несколько хуже, но они существенно легче. Пределы измерения могут быть расширены в область малых значений, если удаётся многократно обернуть токопровод первичной обмоткой. 8 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Рисунок 1.9 – Примеры ТИК с гибкой первичной обмоткой  Другие способы измерения тока В ряде практических случаев для измерения токов используют сочетания средств измерений, например, вольтметра и измерительного преобразователя тока в напряжение. В лабораторных условиях при необходимости удобно использовать косвенный метод измерения тока. Для этого необходим вольтметр – часто используемое СИ, и эталонный резистор (рисунок 1.10). Рисунок 1.10 – Варианты схем измерения токов без использования амперметров 1.1 Виды измерителей электрического тока В современной практике широко используются следующие виды СИ для непосредственного измерения тока: - электромеханические амперметры; - выпрямительные амперметры; - электронные амперметры; - цифровые амперметры; - мультиметры. 1.1.1 Амперметры электромеханической группы Это наиболее старые средства измерений. Они создаются на базе т.н. измерительных механизмов. В настоящее время актуально изучать и использовать только два механизма: магнитоэлектрический (МЭИМ) и 9 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. электромагнитный (ЭМИМ). Они по-прежнему широко используются в промышленности и приборостроении (рисунок 1.11). магнитоэлектрические амперметры электромагнитные амперметры Рисунок 1.11 – Внешние виды электромеханических амперметров Устройство механизмов достаточно сложное, поэтому дадим только поверхностное их описание. Магнитоэлектрический механизм (рисунок 1.12). Основными деталями МЭИМ являются: - постоянный магнит (деталь 1); - подвижная (измерительная) катушка провода (деталь 4); - ось, закрепляемая в корпусе прибора (деталь 5); - пружины (деталь 6); - стрелка со шкалой (деталь 7). Принцип работы: измеряемый ток подаётся (не показано как) в катушку с проводом, магнитное поле которой взаимодействует с полем постоянного магнита. Чем больше ток, тем взаимодействие сильнее и катушка энергичнее поворачивается вокруг оси. Окончательный угол поворота, а вместе с ним – результат измерения, обусловлен силой противодействия пружины, которая возрастает пропорционально повороту оси. Стрелка останавливается, когда момент вращения, обусловленный током и характеристиками механизма, сравняется с противодействующим моментом: Мвр=Мпр. Рисунок 1.12 – Устройство МЭИМ МЭИМ позволяют измерять только постоянные токи, в общем случае – постоянную составляющую переменного тока (рисунок 1.1). Направление вращающего момента в МЭИМ зависит от направления тока, поэтому необходимо обращать внимание на полярность подаваемого на амперметр напряжения. Так, если имеем амперметр с нулевой отметкой в крайнем левом положении на шкале – таких приборов большинство, то 10 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. подача отрицательного тока будет приводить к вращению механизма влево, и это может привести к поломке прибора. Если ноль посредине шкалы, то подавать на вход допустимо напряжение обеих полярностей (рисунок 1.13). Рисунок 1.13 – Два типа шкал микроамперметров МЭИМ имеют высокую чувствительность и позволяют измерять малые токи со значениями в несколько микроампер. Такие чувствительные измерители принято называть микроамперметрами или миллиамперметрами. Механизмы характеризует высокая точность преобразования. Достижимый класс точности 0,1 (предельное значение основной приведённой погрешности γо.п.=±0,1%). Характерное внутреннее сопротивление (сопротивление подвижной катушки и подводящих проводов) – несколько сотен ом. Помимо самостоятельных изделий – амперметров, МЭИМ широко встраиваются в различные изделия, например, в источники постоянного тока (рисунок 1.14). Рисунок 1.14 – Примеры использования МЭИМ в источниках питания 11 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Электромагнитный механизм (рисунок 1.15). Основными деталями ЭМИМ являются: - неподвижная (измерительная) катушка провода (деталь 1); - сердечник (пластина) из магнитомягкого материала (деталь 2); - ось, закрепляемая в корпусе прибора (деталь 3); - стрелка (деталь 4); - шкала (деталь 5). - пружины (деталь 6); Принцип работы: измеряемый ток (I) подаётся в катушку с проводом, магнитное поле которой взаимодействует с полем намагниченного сердечника сердечник втягивается в щель катушки и поворачивает ось. Чем больше ток, тем сильнее взаимодействие и тем сердечник энергичнее втягивается в катушку. Окончательный угол поворота, а вместе с ним – результат измерения, обусловлен силой противодействия пружины, которая возрастает пропорционально повороту оси. Назначение: измерение СКЗ переменных токов. Рисунок 1.15 – Устройство ЭМИМ ЭМИМ позволяют измерять как постоянные, так и переменные токи, однако обычно используются для измерений среднеквадратических значений переменных токов – постоянные токи лучше измеряют МЭИМ. ЭМИМ имеют невысокую чувствительность и чаще используются для непосредственного измерения достаточно больших токов в электросетях переменного тока. Для ещё большего расширения диапазонов измерения ЭМИМ используются токовые шунты или измерительные трансформаторы тока (начало лекции). ЭМИМ характеризуются средней точностью измерения, достижимый класс точности 0,5 (γо.п.=±1,0 %), типовой – 1,5. Характерное внутреннее сопротивление (сопротивление катушки с медным проводом) – несколько сотен ом. ЭМИМ имеют узкий частотный диапазон измеряемых сигналов, который не превышает обычно 1000 Гц. Однако, это не мешает их использовать в электроэнергетике, на электрическом транспорте там, где частотный диапазон сигнала ограничивается значениями (45…65) Гц. В начале шкала 12 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. приборов может быть существенно нелинейной и в этой области измерения не рекомендуются. Сравнительные характеристики измерительных механизмов. Таблица 1.1 – Типовые характеристики измерительных механизмов Характеристики МЭИМ ЭМИМ Вид измеряемого тока Постоянный Переменный и постоянный Характер шкалы Равномерный Неравномерный в начале шкалы Чувствительность Высокая Невысокая Точность Высокая Средняя Микроамперы, десятки и сотни миллиампер Десятки и сотни миллиампер, десятки ампер Диапазоны измерения без шунтов 1.1.2 Амперметры выпрямительной группы МЭИМ не способен непосредственно измерять переменный ток, однако по ряду причин их также приспосабливают для измерения переменных сигналов. Для этого их снабжают преобразователями переменного тока в постоянный ток – детекторами. На рисунке 1.16 показана функциональная схема такого выпрямительного амперметра (ВА), в качестве детектора в котором использован выпрямительный мост. Рисунок 1.16 – Схема выпрямительного амперметра На рисунке показано прохождение токов при сигналах противоположных полярностей (обозначены непрерывными и пунктирными стрелками), как это происходит при измерении синусоидальных токов. Ток, проходящий через магнитоэлектрический микроамперметр, имеет пульсирующий вид, т.е. представляет собой сумму периодического сигнала и постоянной составляющей (см. также рисунок 1.2 справа и расчётную формулу (1.1)). МЭИМ в соответствии с рассмотренным ранее принципом его действия реагирует на постоянную составляющую такого сигнала, называемую 13 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. средневыпрямленным значением Iсвз. Эта особенность МЭИМ одновременно является и его недостатком: область его использования – измерение синусоидальных токов. Преимущества ВА: простота реализации, отсутствие источников питания. Обычная область применения ВА – в простых портативных многофункциональных измерительных приборах (тестерах, авометрах, и т.п.; рисунок 1.17). Рисунок 1.17 – Тестеры со встроенными выпрямителями 1.1.3 Амперметры электронные Отличительная особенность электронных амперметров (ЭА) – наличие в структуре электронного усилителя с управляемым коэффициентом усиления и электронного детектора, который отличается от обычного выпрямителя сложной преобразовательной схемой, допускающей преобразование не только амплитудных и средневыпрямленных значений, но и среднеквадратических значений переменного тока. Напомним, что такая возможность позволяет амперметру осуществлять измерения не только синусоидальных токов, но и переменных токов различной формы. Структура электронного амперметра показана на рисунке 1.18. Рисунок 1.18 – Структура электронного амперметра переменного тока 14 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Общее преимущество электронных амперметров: низкое входное сопротивление, большое количество диапазонов измерения*. Недостатки: средние точностные возможности, для их работы требуется источник питания, высокая цена. Примечание – Напоминаем известное метрологическое правило: диапазон измерения необходимо выбирать так, чтобы результат измерения находился как можно ближе к концу шкалы. В этом случае точность результата измерения будет наивысшей. Электронные амперметры чаще всего применяются в лабораторных условиях. 1.1.4 Амперметры цифровые Цифровые амперметры (ЦА) это наиболее современный вид амперметров, который внешне выделяется способом отображения результатов измерения. ЦА выпускаются в различных конструктивных и эксплуатационных вариантах (рисунок 1.19). для установки на DIN-рейку* способ крепления на DIN-рейку* стендовые (настольные) щитовые (панельные) 15 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. щитовые (панельные) переносные: имеют ручку для переноски Рисунок 1.19 – Конструктивные разновидности цифровых амперметров Примечание – Другое название – электротехническая рейка. ЦА полностью электронные, сложные измерительные приборы. Их типовая структурная схемы представлена на рисунке 1.20. Рисунок 1.20 – Структурная схема цифрового амперметра Структурное отличие от электронного амперметра заключается в замене измерительного механизма на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчётное устройство (ЦОУ). Более развитая структура цифровых амперметров представлена на рисунке 1.21. Рисунок 1.21 – Структура цифрового амперметра с микроконтроллером 16 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Важной особенностью структуры является наличие микроконтроллера, который выполняет две укрупнённые функции: обработка сигналов (кодов), поступающих с АЦП, и управление структурными ресурсами. Не считая АЦП, таких ресурсов в общем случае три: ЦОУ, устройство регистрации (УР) результатов измерений и устройство трансляции (УТ) данных (результаты измерений, время измерений и др.) удалённому потребителю. В более простых исполнениях один или даже два из указанных устройств может отсутствовать. Итак, АЦП в данной схеме, в отличии от схемы на рисунке 1.20, работает по-другому, а именно: с его помощью кривая переменного тока оцифровывается – превращается из непрерывной в набор значений. Так на рисунке 1.22 показан пример оцифровки синусоидального напряжения: из непрерывной синусоида превращена в 16 дискретных значений. Микроконтроллер этот массив мгновенных значений переменного тока обрабатывает и превращает в среднеквадратическое (действующее) значение тока (формула 1.2). Поэтому детектор в этой структуре уже не требуется. i(t) Рисунок 1.22 – Дискретизация измеряемого тока По сравнению с аналоговыми (электромеханические, выпрямительные и электронные) амперметрами цифровые могут обладать гораздо лучшими метрологическими характеристиками. Отличительным признаком точного измерителя является число разрядов цифровой шкалы прибора. Простые (относительно грубые) приборы содержат обычно до трёх полных десятичных разряда (999). Точные приборы имеют четыре-пять полных разряда (9999 или 99999). Следует иметь в виду, что в некоторых приборах старший разряд (левый) шкалы может принимать значение 2, 3, 4 или 5. Простые и дешёвые ЦА обычно реализуются в портативных амперметрах и мультиметрах. Точные ЦА – дорогие изделия, выпускаются как для лабораторного использования, а также как портативные изделия. 17 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. Существует класс прецизионных цифровых амперметров, которые имеют шкалу с 6 и более десятичными разрядами. Эти очень дорогие изделия используются, как правило, в лабораторных условиях. Следует обратить внимание, что серийно выпускаются ЦА с совмещённой шкалой: наряду с цифровой используется быстрая псевдоаналоговая (рисунок 1.23). Рисунок 1.23 – Пример цифрового амперметра с совмещёнными шкалами Дело в том, что аналоговый способ отображения результата измерения себя не изжил и, видимо, никогда не исчезнет. Эта форма отображения удобна для качественной оценки измерительной обстановки, человеку воспринимать информацию в аналоговой форме более привычно физиологически. Типовые характеристики ЦА: высокая точность и чувствительность, быстрота считывания результата, малое входное сопротивление, большое конструктивное и функциональное разнообразие, часто – большое количество диапазонов измерения, ценовой диапазон достаточно широкий. 18 10.02.2017 Редакция 02.03.2021 Макарычев П.К. 1.1.5 Мультиметры Мультиметрами будем называть цифровые многофункциональные измерительные приборы. Они позволяют обычно измерять токи и напряжения в широких диапазонах, электрическое сопротивление и многие другие электрические величины. Более подробно о мультиметрах смотреть материалы отдельной лекции. 1.2 Критерии выбора измерителей тока При выборе амперметров необходимо, прежде всего, учитывать: - вид измеряемых сигналов (постоянный, переменный, переменный с постоянной составляющей).; - диапазоны измерений; - наличие функций регистрации и трансляции данных; - информативный параметр тока: текущее (мгновенное) значение; среднее значение, действующее значение, максимальное (частное значение мгновенного) значение на интервале наблюдения и т.п.; - диапазон рабочих значений частот измеряемого тока; - требуемую точность измерений. - область применения (лабораторные условия, мобильное применение, применение в промышленных условиях). При этом важно не забывать климатические условия применения приборов, диапазоны изменения влияющих величин: - температуры и влажности окружающего воздуха; - напряжения питания (если оно есть) средства измерений; - электромагнитных помех; - вибрации и т.д. 19