Електричні вимірювальні пристрої

ЕЛЕКТРИЧНІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИСТРОЇ

7.1. Вимірювальні трансформатори та індуктивні подільники

     Вимірювальними називаються трансформатори, призначені для масштабного перетворення із заданою точністю електричного струму чи напруги. Конструктивно вимірювальний трансформатор струму (рис. 7.1), як і вимірювальний трансформатор напруги, складається із феромагнітного тороїдного осердя 1, первинної 5 та вторинної 6 обмоток. Осердя для частот приблизно до 100 кГц виконуються звичайно із стрічкового пермалою чи аморфного магнітного матеріалу завтовшки 0,01...0,35 мм. Для зняття механічних напружень, що виникають під час навивання тороїду (механічні напруження сильно впливають на властивості пермалою), готове осердя піддають термічній обробці - відпалу у вакуумній печі. Для захисту від можливих механічних навантажень при намотуванні обмоток осердя поміщають у захисний кожух 4 з неферомагнітного матеріалу (сплав алюмінію, пресматеріал), заповнюють простір між осердям та кожухом хімічно-нейтральним мастилом 3 та закривають неметалевою накривкою 2. Для частот понад 100 кГц використовують здебільшого феритові осердя.

    Вимірювальні трансформатори струму. Основними технічними та метрологічними характеристиками вимірювальних трансформаторів струму є номінальний первинний струм І_1ном, номінальний вторинний струм І_2ном, номінальний коефіцієнт трансформації

клас точності.

    До особливостей роботи вимірювальних трансформаторів струму треба віднести таке: оскільки їх вторинні обмотки замикаються під час роботи на амперметри, струмові обмотки ватметрів, лічильників електричної енергії чи фазометрів, опір яких дуже малий, то режим роботи трансформаторів струму близький до короткого замикання. Отже, розмикання вторинного кола при наявності струму у первинному колі є аварійним режимом. Дійсно, за відсутності вторинного струму і відповідно розмагнічувальних ампервитків І₂w₂ осердя намагнічується до насичення, а напруга на вторинній обмотці може досягнути сотень вольт. У зв'язку з цим у трансформаторах струму передбачується елемент для закорочування вторинної обмотки, якщо при наявності струму в первинній обмотці потрібно здійснити певні перемикання у вторинному колі.

    Залежно від призначення вимірювальні трансформатори струму бувають стаціонарними та переносними (лабораторними). Переносні лабораторні трансформатори здебільшого багатограничні. Для розширення границь вимірювань у корпусах переносних трансформаторів з тороїдним осердям може бути передбачений центральний отвір для намотування на тороїд зовнішньої первинної обмотки. Кількість намотаних витків визначають, враховуючи номінальні ампервитки трансформатора (І₁w₁)_ном, значення яких знаходяться здебільшого в границях 600.. .2000 і вказується на щитку та в паспорті трансформатора.

    Основні метрологічні характеристики вимірювальних трансформаторів струму нормуються міждержавним стандартом ГОСТ 23624-89, згідно з яким лабораторні трансформатори можуть мати клас точності від 0,01 до 0,2, а стаціонарні - від 0,2 до 10. Граничні значення похибок коефіцієнта трансформації вимірювальних трансформаторів нормуються здебільшого двочленною формулою

    Показник класу точності (член с двочленної формули) як лабораторних, так і стаціонарних трансформаторів вказує на гранично можливе відхилення (у відсотках) дійсного коефіцієнта трансформації від номінального при номінальному значенні первинного струму. Стандарт нормує також член d і кутові похибки.

    Номінальні значення первинних струмів вимірювальних трансформаторів струму здебільшого знаходяться в границях від 0,2 до 3000 А, а вторинний номінальний струм - 5 А (рідко 1 А, і тільки для трансформаторів, що на частоту 50 Гц) номінальний опір кола навантаження лабораторних трансформаторів - 0,2; 0,4 або 0,6 Ом, номінальна частота здебільшого 50 або 400 Гц, або частотний діапазон переважно 50.. .1000 Гц.

     Особливе місце серед вимірювальних перетворювачів (трансформаторів) струму займають трансформаторні кліщі (рис. 7.2), в яких магнітопровід може розмикатися за принципом кліщів для охоплення провідника з вимірюваним струмом. Такі кліщеві перетворювачі струму є технічними вимірювальними засобами здебільшого з вмонтованим амперметром на виході вторинної обмотки такого трансформаторного перетворювача.

    Вимірювальні трансформатори напруги. Конструктивно вимірювальні трансформатори напруги аналогічні до вимірювальних трансформаторів струму, однак мають свої особливості, що випливають з умов роботи. Вони працюють в режимі, близькому до неробочого ходу, оскільки до їх вторинних обмоток під'єднуються засоби вимірювальної техніки з порівняно великим електричним опором (вольтметри, кола напруги вольтметрів, лічильників електричної енергії, фазометрів).

    Вимірювальні трансформатори напруги також бувають стаціонарними або лабораторними. Лабораторні трансформатори бувають класів точності 0,1; 0,2 та 0,5. Номінальні значення первинних напруг для однофазних трансформаторів є в границях від 220 В до 35 кВ, номінальні вторинні напруги - 150, 100, 100/√3 В, а номінальна повна потужність, яку можна брати від трансформатора - від 10 до 1200 В А з коефіцієнтом потужності активно-індуктивного навантаження 0,8.. .1,0, номінальна частота 50 Гц.

    Вимірювальні трансформатори (трансформаторні перетворювачі) постійного струму. Принципова схема перетворювача наведена на рис. 7.3. На два ідентичні осердя із феромагнітного матеріалу, який має значну магнітну проникливість і порівняно малу індукцію насичення (наприклад, з пермалою), намотані первинні і вторинні обмотки, кількість витків яких дорівнює, відповідно, w₁ та w₂. Через первинні обмотки, намотані на обидвох осердях в однакових напрямах і з'єднаних послідовно, протікає вимірювальний постійний струм. Вторинні обмотки також з'єднані послідовно, але намотані в протилежних напрямках, живляться від джерела змінної напруги. 

    Завдяки такому виконанню і способу з'єднання первинних і вторинних обмоток намагнічувальні ампервитки і₂w₂ та і₁w₁ протягом одного півперіода напруги U. в одному з осердь будуть збігатися за напрямом, а їх значення будуть додаватись, а в іншому - протилежні за напрямом і відніматись. У наступний півперіод осердя ніби міняються місцями.

    Якщо форма кривої намагнічування осердя близька до прямокутної (рис. 7.3,б), опори обмоток w₂ дуже малі, а напруга U. досить велика, то форма кривої струму і₂ буде близькою до прямокутної і середнє значення цього струму не залежатиме від напруги U та її частоти. Якщо в коло струму і₂ увімкнути вимірювальний прилад з двопівперіодною схемою випрямлення, то покази такого приладу будуть пропорційні середньому значенню, тобто

    Отже, середнє значення вторинного струму пропорційне до вимірюваного первинного струму, а відношення між цими струмами, як і в трансформаторах змінного струму, визначається відношенням кількості витків первинної і вторинної обмоток.

    Індуктивні подільники напруги та індуктивні подільники струму. Індуктивний подільник напруги є масштабним електромагнітним перетворювачем, який служить для поділу із заданою точністю вхідної (вимірюваної) напруги. Індуктивний подільник струму можна вважати оберненим індуктивним подільником напруги. Принципові схеми індуктивних подільників напруги та струму наведені на рис. 7.4.

     За принципом дії індуктивні подільники аналогічні до вимірювальних трансформаторів, але відрізняються деякими конструктивними особливостями, і можуть виконуватись за трансформаторною чи автотрансформаторною схемами. Автотрансформаторні подільники (рис. 7.5) конструктивно простіші. Обмотка такого подільника намотується джутом 2 із попередньо скручених ізольованих один від одного дротів, кожний з яких утворює окрему секцію, рівномірно розміщену по периферії тороїдного осердя 1 із феромагнітного матеріалу з високою магнітною проникністю і малими втратами. Кінець дроту однієї секції з'єднаний з початком іншої секції і т. д. Від місць з'єднань зроблені виводи до відповідних вихідних затискачів. Початок першої і кінець останньої секції утворюють вхід індуктивного подільника напруги (вихід індуктивного подільника струму). Як і у вимірювальних трансформаторах, осердя індуктивного подільника розміщене в захисному кожусі 4 з кришкою 3, а вільний простір між ними заповнений хімічно-нейтральним мастилом 5.

    За необхідності мати гальванічне розділення вхідного та вихідного кіл подільники виконуються за трансформаторною схемою.

    Коефіцієнт ділення індуктивних подільників може бути сталим або регульованим. Зміну коефіцієнта ділення здійснюють зміною кількості витків обмоток, причому залежно від того кількість витків якої обмотки змінюють (вхідної або вихідної) подільники будуть мати сталий вихідний або сталий вхідний опори.

    Особливість індуктивних подільників полягає в тому, що між витками обмоток є тісний індуктивний зв'язок (в ідеальному випадку всі витки мають однакове потокозчеплення, відсутні потоки розсіяння). За цієї умови відношення напруг на окремих обмотках подільника дуже точно визначається відношенням кількості витків відповідних обмоток, а номінальний коефіцієнт ділення індуктивного подільника напруги

а подільника струму

    Індуктивні подільники мають ряд принципових переваг перед параметричними подільника ми (резистивними, ємнісними). До найвагоміших їх переваг належать: висока точність (похибка коефіцієнта ділення серійних подільників може бути зведена до 0,001%, а для індивідуальних зразків до майже 1(10^-5 % при фазовій похибці не більше 10^-6 рад), широкий частотний діапазон (приблизно 20Гц...200 кГц) з постійною тенденцією до розширення у бік високих частот, стабільність коефіцієнта ділення, яка недосяжна для інших видів подільників, незалежність коефіцієнта ділення від вторинного навантаження в границях його практичних значень, технологічність та практична незалежність характеристик від кліматичних факторів.

    Індуктивні подільники напруги широко застосовуються у пристроях та системах метрологічного забезпечення засобів вимірювальної техніки та автоматики, зокрема, як перетворювальні елементи засобів перевірки цифрових вольтметрів змінного струму, калібраторів напруги тощо. їх застосування в автоматичних цифрових мостах змінного струму дало змогу значно розширити діапазон вимірювань та підвищити точність таких засобів.

    Індуктивні подільники струму поки що не знайшли такого широкого застосування, як індуктивні подільники напруги. Вони застосовуються у пристроях для перевірки вимірювальних трансформаторів струму та магнітних компараторів і мають всі необхідні властивості для їх успішного використання в термоелектричних компараторах, в компенсаційно-мостових приладах, в аналого-цифрових та цифро-аналогових перетворювачах.

7.2. Вимірювальні підсилювачі

    Вимірювальні підсилювачі (ВП) - це засоби вимірювальної техніки, призначені для підсилення електричних сигналів, а отже, для підвищення чутливості засобів вимірювань, з одночасним послабленням впливу неінформативних параметрів. їх застосування дає змогу в цей же час зменшити споживання енергії від досліджуваного об'єкта. Вони застосовуються також для узгодження опорів перетворювачів при їх спряженні, зокрема за необхідності під'єднання низькоомного опору навантаження до високоомного джерела сигналу. Вимірювальні підсилювачі можуть бути не тільки масштабними перетворювачами напруги, але й перетворювачами напруги у струм або струму в напругу.

    У загальному випадку структурну схему вимірювального підсилювача можна подати у вигляді підсилювального елемента (підсилювача), охопленого колом від'ємного зворотного зв'язку. Завдяки досягненням сучасної мікроелектронної техніки підсилювальні елементи виконують здебільшого у вигляді інтегральних мікросхем. Такі підсилювачі прийнято називати операційними підсилювачами (ОП). їх еквівалентна схема подана на рис. 7.6,а, а на рис. 7.6,б - умовні позначення операційних підсилювачів в схемах засобів вимірювальної техніки.

    Згідно з рис. 7.6,а, операційний підсилювач можна розглядати як елемент з двома входами: інвертуючим та неінвертуючим, до яких можуть під'єднуватись, відповідно, напруги U_вх1 та U_вх2.

   Основною функцією операційного підсилювача є підсилення різниці вхідних инфазних напруг U_вх1 і U_вх2 з коефіцієнтом підсилення k_U причому його еквівалентна вихідна напруга e_вих=k_U(U_вх1 – U_вх2). Через наявність вихідного опору Z_вих підсилювача його вихідна напруга U_вих дещо відрізняється від е_вих.

    Залежно від схеми ввімкнення операційного підсилювача еквівалентний вхідний опір визначається синфазним опорами і , та диференціальним опіром Z_д.

    Крім коефіцієнта підсилення та вхідних опорів, важливими технічними характеристиками операційного підсилювача є частота одиничного підсилення, максимальна швидкість наростання вихідної напруги, коефіцієнт послаблення синфазного сигналу напруги, еквівалентна вхідна напруга шумів та вхідна напруга зміщення.