5-2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Общие сведения.

Измерительные преобразователи представляют собой многочисленную группу средств измерений, предназначенных для выполнения различных измерительных преобразований. В зависимости от допускаемой погрешности для измерительных преобразователей устанавливают соответствующий класс точности (см. § 4-3).

Классификация измерительных преобразователей дана в § 4-1. В настоящем параграфе рассматриваются преобразователи электрических величин, имеющие достаточно широкое применение. К ним относятся масштабные преобразователи. Здесь также рассматриваются общие вопросы, относящиеся к электромеханическим преобразователям. Преобразователи частного назначения будут рассматриваться при изучении соответствующих средств измерений.

Масштабные измерительные преобразователи.

Масштабным называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Шунты.

Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. Например, такая задача возникает в том случае, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока.

Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно средству измерений, как показано на рис. 5-2. Если сопротивление шунта где — сопротивление средства измерений; коэффициент шунтирования, то ток раз меньше тока

Рис. 5-2. Схема включения измерительного механизма с шунтом

Шунты изготавливают из манганина. В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты обычно помещают в корпусе прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Шунты могут быть многопредельными, т. е. состоящими из нескольких резисторов, или имеющими несколько отводов, что позволяет изменять коэффициент шунтирования. Классы точности шунтов от 0,02 до 0,5.

Шунты применяют с различными средствами измерений, однако в основном их используют в цепях постоянного тока в магнитоэлектрических приборах (см. § 5-4). Шунты с измерительными механизмами других типов не применяют из-за малой чувствительности этих механизмов, что приводит к существенному увеличению размеров шунтов и потребляемой ими мощности. Кроме того, при использовании шунтов на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, так как с изменением частоты сопротивления шунта и измерительного механизма изменяются неодинаково.

Делители напряжения.

Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяют делители напряжения, которые в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление. Серийно выпускают делители напряжения, предназначенные для расширения пределов измерений компенсаторов постоянного тока. Такие делители выполняют из резисторов на основе манганина. Они имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0,0005 до 0,01.

Для увеличения верхнего предела измерения средства измерений, например предела измерения вольтметра, имеющего внутреннее сопротивление применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с вольтметром. При этом добавочный резистор и вольтметр образуют делитель напряжения. Сопротивление добавочного резистора определяют по формуле , где — измеряемое напряжение; — падение напряжения на вольтметре; — внутреннее сопротивление вольтметра. Добавочные резисторы делают из манганиновой проволоки и используют в цепях постоянного и переменного тока (до Они бывают встраиваемые внутрь прибора и наружные. Серийно выпускают калиброванные добавочные резисторы, применяемые с любым прибором, имеющим указанный

номинальный ток. Классы точности калиброванных добавочных резисторов от 0,01 до 1. Добавочные резисторы применяют для преобразования напряжения до Номинальный ток добавочных резисторов от 0,5 до 30 мА.

Измерительные усилители.

Для усиления сигналов постоянного и переменного тока, т. е. для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов, применяют измерительные усилители. По диапазону частот усиливаемых сигналов измерительные усилители бывают для постоянного тока и напряжения, низкочастотными (20 Гц — высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот. Измерительные усилители выполняют с нормированной погрешностью коэффициента передачи. Находят применение электронные и фотогальванометрические усилители.

Применение электронных измерительных усилителей позволяет измерять сигналы от и 0,3 мкА с погрешностью от

0,1 до При меньших усиливаемых токах и напряжениях применяют фотогальванометрические усилители. Для усиления токов и напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением используют электрометрические усилители, отличающиеся большим входным сопротивлением (до 1012 Ом). Серийно выпускаемые измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал 10 В или 5 мА.

Измерительные трансформаторы переменного тока.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерения (например, 5 А, 100 В). Применением измерительных трансформаторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в заземляемую цепь низкого напряжения (см. рис. 5-3).

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной с числом витков и вторичной помещенных на ферромагнитный сердечник (рис. 5-3, а и б). (Для правильного включения трансформаторов и приборов зажимы трансформатора обозначают, как показано на рисунке.)

В трансформаторах тока, как правило, первичный ток больше вторичного поэтому у них . В трансформаторах тока с и свыше 500 А первичная обмотка может состоять из одного витка в виде шины, проходящей через окно сердечника.

В трансформаторах напряжения первичное напряжение больше вторичного поэтому у них Вторичное

Рис. 5-3. Схемы включения измерительных трансформаторов тока (а) и напряжения (б)

номинальное напряжение у стандартных трансформаторов составляет 100 или при разных значениях первичного номинального напряжения

По схемам включения в измеряемую цепь и по условию работы трансформаторы тока и напряжения отличаются друг от друга. Первичную обмотку трансформатора тока включают в измеряемую цепь последовательно, а трансформаторов напряжения параллельно. Измерительные приборы включают во вторичную обмотку трансформаторов.

По показаниям приборов можно определить значения измеряемых величин. Для этого необходимо показания приборов умножить на коэффициенты Для трансформатора тока а для трансформатора напряжения Коэффициенты называют действительными коэффициентами трансформации.

Как будет показано ниже, изменяются не пропорционально непостоянны. Они зависят от значений токов и напряжений, характера и значения нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструкции трансформатора и материала сердечника и обычно неизвестны. Поэтому показания приборов умножают не на действительные, а на постоянные номинальные коэффициенты трансформации:

Определение измеряемых величин по номинальным коэффициентам трансформации приводит к погрешностям.

Относительная погрешность (в процентах) вследствие неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации для трансформатора тока

где а для трансформатора напряжения

где

Погрешность называют токовой погрешностью, а — погрешностью напряжения. У измерительных трансформаторов имеется еще так называемая угловая погрешность из-за неточности передачи фазы первичной величины вторичной величине. Угловая погрешность измерительных трансформаторов оказывает влияние на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазового сдвига между токами в цепях этих приборов. К ним относятся ваттметры, счетчики электрической энергии, фазометры.

Как известно из теории трансформаторов, в идеальном случае фазовый сдвиг между вектором вторичного тока трансформатора тока и вектором первичного тока составляет 180°. Такой же фазовый сдвиг должен быть между векторами вторичного и первичного напряжений в трансформаторе напряжения. В реальных трансформаторах угол между повернутым на 180° вектором вторичной величины или — и соответствующим вектором первичной величины или не равен нулю, а составляет угол , который называют угловой погрешностью трансформатора. Погрешность считается положительной, если повернутый на 180° вектор вторичной величины опережает вектор первичной величины.

Измерительные трансформаторы тока. Трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Полное суммарное сопротивление приборов и подводящих проводов является нагрузкой трансформатора тока.

На рис. 5-4 приведена векторная диаграмма трансформатора тока, построение которой начато с вектора — магнитодвижущей силы вторичной обмотки. Вектор напряжения получен как сумма векторов падений напряжения на активном и реактивном X сопротивлениях нагрузки при токе во вторичной цепи трансформатора. Вектор электродвижущей силы наводимой во вторичной обмотке потоком сердечника, получен в результате сложения вектора с векторами

и падений напряжения на активном и реактивном сопротивлениях вторичной обмотки.

Фазовый сдвиг между вектором и вектором МДС составляет почти 180°, т. е. оказывает размагничивающее действие. Вследствие этого магнитный поток в сердечнике создается результирующей состоит из реактивной составляющей непосредственно создающей поток и совпадающей с ним по фазе, и активной составляющей опережающей на 90°, определяемой потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике. Вектор получен сложением вектора с повернутым на 180° вектором или

При номинальном режиме работы трансформатора тока обычно составляет не более от При достаточной мощности источника первичного тока размыкание вторичной цепи трансформатора тока вызовет значительное увеличение так как в этом случае Размыкание этой цепи — аварийный случай, так как возрастание потока в сердечнике приводит к большому увеличению ЭДС (до нескольких сотен вольт), что опасно для обслуживающего персонала и может вызвать электрический пробой изоляции вторичной обмотки. Кроме того, увеличение потока сопровождается ростом потерь на перемагничивание и вихревые токи, повышением температуры сердечника, а следовательно и обмоток, и может служить причиной термического разрушения их изоляции.

Найдем выражения для токовой и угловой погрешностей. Из треугольников и (рис. 5-4) имеем

где — угол между векторами — угол между векторами и Поскольку угол мал (не более 1°), то можно положить . Тогда

Действительный коэффициент трансформации

Токовая погрешность (в процентах)

так как в знаменателе можно заменить на ввиду того, что они мало отличаются друг от друга.

Подставляя в выражение (5-2) значение из (5-1), получим (в процентах)

Из диаграммы (рис. 5-4)

Так как то вторым слагаемым в знаменателе выражения (5-4) можно пренебречь. Кроме того, ввиду малости угла можно положить угловая погрешность (в радианах)

Из векторной диаграммы и уравнений погрешностей следует, что увеличение нагрузки, т. е. включение большого числа приборов, приводит к повышению что, в свою очередь, связано с увеличением тока и погрешностей.

При возрастании индуктивного сопротивления нагрузки угол увеличивается, что приводит к увеличению токовой погрешности и к уменьшению угловой погрешности 67, так как при этом растет, уменьшается [см. уравнения (5-3) и (5-5)].

Для переносных многопредельных измерительных трансформаторов тока установлены классы точности от 0,01 до 0,2. Их изготовляют на номинальную частоту или область номинальных частот от 25 Гц до Трансформаторы тока выпускают на номинальные значения первичного тока от 0,1 А до и на номинальное значение вторичного тока 5 А. Для частоты 50 Гц допускается изготовление трансформаторов тока на номинальный вторичный ток 1 и 2 А.

Стационарные трансформаторы тока для частоты 50 Гц делают на номинальные первичные токи от 1 А до и номинальные вторичные токи 1, 2, 2,5, 5 А. Классы точности этих трансформаторов от 0,2 до 10. Класс точности стационарных трансформаторов тока определяет предельные значения токовой и угловой погрешностей. В частности, для трансформаторов классов точности от 0,2 до 1 допускаемое значение токовой погрешности, соответствующее классу точности, имеет место при значении первичного тока номинального, а для трансформаторов более низких классов точности — при значении первичного тока При других значениях первичного тока допускаемая токовая погрешность увеличивается.

Трансформаторы тока изготовляют на определенную номинальную нагрузку, например, для стационарных трансформаторов от 2,5 до

Рис. 5-4. Векторная диаграмма трансформатора тока

Рис. 5-5. Векторная диаграмма трансформатора напряжения

Конструктивное оформление трансформаторов тока различно в зависимости от назначения, рабочего напряжения, класса точности и значения первичного номинального тока.

Измерительные трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к режиму холостого хода, так как во вторичную обмотку включают приборы с относительно большим внутренним сопротивлением.

На рис. 5-5 приведена векторная диаграмма трансформатора напряжения. Для большей наглядности диаграммы полагаем (в действительности ). Это позволяет заменить векторы МДС соответствующими токами.

Последовательность построения векторной диаграммы трансформатора напряжения от тока до включительно такая же, как и трансформатора тока. Векторы напряжения на вторичной обмотке трансформатора (приборах) и ЭДС найдем на основании следующих уравнений:

где и X — эквивалентные активное и реактивное сопротивления

нагрузки (приборов) во вторичной цепи; активное и реактивное сопротивления вторичной обмотки.

Вектор первичного напряжения где — активное и реактивное сопротивления первичной обмотки трансформатора.

Учитывая уравнения (5-6) и значение , получим

Из этого выражения следует, что вектор первичного напряжения не равен вектору вторичного напряжения несмотря на то, что было принято Следовательно, имеют место погрешности напряжения и угловая , которые зависят от токов 12 и и сопротивлений обмоток трансформатора и нагрузки. Наибольшее влияние на погрешности оказывает нагрузка во вторичной цепи трансформатора. Поэтому во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляемая мощность не превышала номинальной мощности трансформатора.

Стационарные трансформаторы напряжения изготовляют на номинальные первичные напряжения от 220 В до при вторичном напряжении для номинальной нагрузки от 5 до 25 В Лабораторные трансформаторы чаще всего бывают переносными на несколько пределов измерения. Для трехфазных цепей изготовляют трехфазные трансформаторы напряжения.

Измерительные трансформаторы постоянного тока и напряжения.

Такие трансформаторы нашли применение при измерениях токов и напряжений в высоковольтных установках передачи энергии постоянным током, а также в тех случаях, когда использование шунтов невозможно или нецелесообразно, например при измерениях очень больших постоянных токов (свыше 10 000 А).

Принцип действия измерительных трансформаторов постоянного тока и напряжения существенно отличается от принципа действия измерительных трансформаторов переменного тока, но выполняют они ту же задачу. Для этих трансформаторов указывают номинальные коэффициенты трансформации и нормируют допускаемые погрешности по току и напряжению, соответственно.

Электромеханические преобразователи.

В этих преобразователях электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части относительно неподвижной.

Рассмотрим электромеханические преобразователи, на основе которых строятся электромеханические измерительные приборы и которые получили название «измерительные механизмы».

Так как в измерительных механизмах обычно имеет место угловое перемещение подвижной части, то при анализе их работы рассматривают моменты, действующие на подвижную часть.

Поворот подвижной части измерительного механизма осуществляется под действием момента, зависящего от входной электрической величины и называемого вращающим. Этот момент должен однозначно определяться измеряемой величиной х и может также зависеть от угла поворота подвижной части а, т. е. вращающий момент .

При повороте подвижной части на угол изменение механической энергии равно изменению энергии электромагнитного поля в измерительном механизме, т. е. При угловом перемещении подвижной части изменение механической энергии Отсюда

где — энергия электромагнитного поля измерительного механизма.

Чтобы подвижная часть не доходила всегда до упора при любом значении измеряемой величины а поворачивалась бы на угол, однозначно зависящий от измеряемой величины, на подвижную часть должен действовать момент, направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота подвижной части. Этот момент, называемый противодействующим,

При некотором угле поворота наступает равенство М и или

С учетом (5-8), (5-9) и (5-10) уравнение преобразования (статическая характеристика преобразования) измерительного механизма может быть записано в таком виде:

где параметр механизма

Находят применение шесть типов измерительных механизмов, отличающихся способом создания вращающего момента, а именно: магнитоэлектрический, электромагнитный, электродинамический, ферродинамический, электростатический и индукционный (см. § 5-3).

По способу создания противодействующего момента измерительные механизмы бывают с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом — логометрические измерительные механизмы.

В измерительных механизмах первой группы противодействующий момент создается упругим элементом, например спиральными пружинами, которые при повороте подвижной части закручиваются. При этом

где — удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента. Упругие элементы используют также в качестве токоподводов к подвижной части.

В логометрических механизмах противодействующий момент создается так же, как и вращающий, но один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части. Если момент, создаваемый величиной вращающий, а момент, создаваемый величиной противодействующий, то в этом случае угол поворота подвижной части определяется отношением электрических величин

При перемещении подвижной части на нее, кроме указанных моментов, действуют также динамические моменты: момент сил инерции и момент успокоения.

Для оценки свойств измерительных механизмов рассмотрим структурную схему измерительного механизма, представляющую собой последовательное соединение двух звеньев (рис. 5-6). В звене происходит безынерционное преобразование электрической величины х во вращающий момент М в соответствии с выражением (5-8). Передаточная функция звена различна для разных видов измерительных механизмов и определяется способом преобразования входной величины во вращающий момент.

В звене одинаковом для всех измерительных механизмов, вращающий момент М преобразуется в угол отклонения подвижной части Передаточную функцию звена найдем из дифференциального уравнения, описывающего движение подвижной части измерительного механизма,

где - момент сил инерции; - момент успокоения; — момент инерции подвижной части; Р — коэффициент успокоения.

Если противодействующий момент создается упругими элементами [см. уравнение (5-11)], то уравнение движения имеет следующий вид:

Рис. 5-6. Структурная схема измерительного механизма

Рис. 5-7. Амплитудно-частотная характеристика звена

Передаточная функция звена П

Считая после соответствующих преобразований получим амплитудно-частотную характеристику этого звена:

где — частота изменения вращающего момента; — частота собственных колебаний подвижной части измерительного механизма — колебаний при отсутствии момента успокоения; — степень успокоения подвижной части.

На рис. 5-7 показан график зависимости от при некоторой степени успокоения Как видно из графика, коэффициент передачи второго звена, а следовательно и всего измерительного механизма, зависит от частоты изменения вращающего момента, которая, в свою очередь, зависит от частоты входной электрической величины и от способа преобразования входной величины в момент.

Частота изменения вращающего момента магнитоэлектрического измерительного механизма равна частоте входной электрической величины, а для остальных измерительных механизмов вращающий момент имеет постоянную и переменную составляющие, причем частота переменной составляющей равна удвоенной частоте входной величины (см. § 5-3).

Таким образом, при постоянной входной электрической величине для всех измерительных механизмов, кроме индукционных, коэффициент передачи второго звена постоянен и равен При периодическом изменении входной электрической величины коэффициент передачи зависит от

Для измерительных механизмов обычных электромеханических приборов (см. § 5-3) коэффициент передачи второго звена практически равен нулю уже при частотах электрической величины порядка нескольких герц. Поэтому в этих приборах при использовании их в цепях с частотой 50 Гц и выше коэффициент передачи измерительного механизма определяется постоянной составляющей вращающего момента за период Т изменения электрической величины:

где — мгновенное значение вращающего момента.

У осциллографических гальванометров (см. § 9-3), предназначенных для регистрации мгновенных значений электрической величины, коэффициент передачи не должен зависеть от частоты электрической величины. Поэтому конструкцию этих гальванометров делают такой, чтобы мгновенное значение вращающего момента определялось мгновенным значением электрической величины и при этом В этом случае коэффициент передачи, а следовательно и чувствительность гальванометра, мало зависит от частоты.

Известны так называемые резонансные гальванометры, предназначенные для работы в качестве нуль-индикаторов в измерительных цепях переменного тока. Они должны обладать максимальной чувствительностью при частоте напряжения, питающего цепь. Поэтому конструкция их измерительного механизма позволяет настраивать их в резонанс при