книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

форматоров. Лабораторные трансформаторы могут быть класса точно­ сти от 0,01 до 0,2, а стационарные — от 0,2 до 10. Предельные значе­ ния погрешностей лабораторных трансформаторов нормируются двух­ членной формулой

а стационарных — не должны превышать значений, приведенных в стандарте (в виде таблицы). Показатель класса точности лабораторных и стационарных трансформаторов соответствует допустимому значе­ нию отклонения действительного коэффициента трансформации в про­ центах номинального при номинальном первичном токе (член с двух­ членной формулы погрешности). Стандарты нормируют также угловые погрешности.

Номинальные значения первичных токов трансформаторов бывают чаще всего от 0,2 до 3000 А, а вторичного — 5 А (реже 1 А, причем

трансформаторов), причем при направлении тока в первичной обмот­ ке от Л у к Л г вторичный ток во внешней цепи должен проходить от Иу.

Режим работы измерительного трансформатора напряжения при­ ближается к режиму холостого хода, так как ко вторичной его обмотке подключаются приборы с относительно большим сопротивлением (вольт­ метры, цепи напряжения ваттметров, счетчиков, фазометров и т. п.). Характер нагрузки предполагается активно-индуктивный.

Погрешность трансформатора напряжения обусловлена различием между номинальным и действительным коэффициентами трансфор­ мации. Она пропорциональна сопротивлениям обмоток трансформато­ ра (стремится к нулю при равенстве их значений нулю), магнитному сопротивлению сердечника и обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки (при неизменном ее коэффициенте мощности) и частоте из­ меряемого напряжения. При изменении первичного напряжения и по­ стоянной нагрузке изменяется магнитное сопротивление, а значит, и погрешность.

Измерительные трансформаторы напряжения также разделяются на лабораторные и стационарные, лабораторные — чаще всего пере­ носные, многопредельные. Основные характеристики трансформаторов нормирует ГОСТ 1983—77 Е (СТ СЭВ 2734—80) «Трансформаторы на­ пряжения. Общие технические условия». Наиболее распространены трансформаторы напряжения классов 0,1; 0,2 и 0,5. Номинальные значения первичных напряжений для однофазных трансформаторов лежат в пределах от 220 В до 35 кВ, номинальные вторичные напряже­

ния равны 150, 100,100/1^3 В, а номинальные полные мощности — от 10 до 1200 В-А с коэффициентом мощности активно-индуктивной нагруз­ ки 0,8... 1,0; номинальная частота 50 Гц.

7»?

<Г

нс. 7.3. Принципиальная схема измерительного трансформатора постоянного тока (а) I типичная кривая намагничивания материала сердечника преобразователя (б)

Выводы обмоток трансформатора имеют обозначения: в однофазных первичная обмотка А —X , вторичная а—х; у трехфазных — первичные О—А —В—С, вторичные — о—а—Ь—с.

Измерительные трансформаторы постоянного тока. Принципиаль­ ная схема преобразователя приведена на рис. 7.3, а. На два идентичных сердечника из ферромагнитного материала со значительной магнит­ ной проницаемостью и относительно небольшой индукцией насыщения (например, из пермаллоя) намотаны первичные и вторичные обмотки, числа витков которых равны соответственно ю1 и щ . По первичным об­ моткам, намотанным на обоих сердечниках в одинаковых направлениях и соединенным последовательно, пропускают измеряемый постоянный ток. Вторичные обмотки, также соединенные последовательно, но на­ мотанные в противоположных направлениях, подключают к источнику переменного напряжения.

Благодаря такому исполнению, а также способу соединения пер­ вичных и вторичных обмоток направления действия намагничиваю­

Если форма кривой намагничивания сердечника близка к прямо­ угольной (рис. 7.3, б), значение сопротивления обмоток щ близко к нулю, а напряжение 11~ достаточно велико; тогда форма кривой тока 12 близка к прямоугольной и среднее значение этого тока практически не зависит от напряжения и частоты. Если в цепь тока 1а включить выпрямительный прибор, показания которого пропорциональны сред­ нему значению, то

Таким образом, среднее значение вторичного тока пропорциональ­ но первичному (измеряемому), а соотношение между этими токами, как и в трансформаторах переменного тока, выражается посредством отношения чисел витков.

чения допускаемой погрешности для классов не хуже 0,0005 и четверти значения — для всех остальных. В многопредельных делителях допус­ кается присвоение различных классов разным коэффициентам деления. Наиболее распространенные, выпускаемые серийно, делители напря­

токе, в основном для расширения пределов измерения электростати­ ческих вольтметров. Схема простейшего емкостного делителя приведе­ на на рис. 7.5.

Номинальный коэффициент деления, полученный при условии под­

а действительный комплексный коэффициент с учетом реальных пара­ метров конденсаторов

•Ч' + Т ^ +Ч'+ТяЬг)

У емкостных делителей, предназначенных для работы в широком диа­ пазоне частот, конденсаторы шунтируют резисторами таким образом,

чтобы выполнялось условие Р.\1Я2 = С2/Сх, где и ^ — суммар­ ные эквивалентные сопротивления, шунтирующие Сх и Сасоответственно.

Индуктивные делители. Индуктивный делитель напряжения пред­ ставляет собой масштабный электромагнитный преобразователь, слу­ жащий для деления с определенной точностью входных напряжений. Индуктивный делитель тока можно рассматривать как обратный ин­ дуктивный преобразователь напряжения. По принципу действия они аналогичны измерительным трансформаторам, однако отличаются не­

которыми конструктивными особенностями и могут выполняться по

трансформаторной или автотрансформаторной схеме. Автотрансфор­ маторные делители (рис. 7.6) конструктивно более просты. Обмотка такого делителя выполняется жгутом из скрученных и изолированных друг от друга проводов (число которых равно числу необходимых секций) и равномерно располагается по периферии тороидного ферро­ магнитного сердечника из материала с высокой магнитной проницае­ мостью и малыми потерями. Конец провода одной секции соединяют с началом провода следующей и т. д. От мест соединения делают выво­ ды к соответствующим зажимам выходной цепи. Начало первой и ко­ нец последней секций образуют вход индуктивного делителя напря­ жения (выход индуктивного делителя тока).

При необходимости иметь гальваническое разделение элементов измерительной цепи применяют трансформаторную схему, точность которой ниже. Комбинированная схема сочетает в себе преимущества двух предыдущих, она широко применяется в качестве составного элемента более сложных схем делителей. Достоинством этой схемы является также малое влияние сопротивления нагрузки на точность воспроизведения выходных напряжений.

Коэффициент деления может быть постоянным либо регулируемым. Изменение коэффициента деления достигается путем изменения числа

тесной индуктивной связи, в идеальном случае в предположении того, что все витки обмоток имеют одинаковое потокосцепление, а потоки рассеяния отсутствуют. При этом условии отношение напря­ жений, развиваемых в обмотках делителя, равно отношению чисел витков соответствующих обмоток или их частей.

Номинальный коэффициент деления индуктивного делителя

где а»!, щ — числа витков со стороны входа и выхода делителя.

В реальных преобразователях наличие потоков рассеяния и актив­ ных сопротивлений отдельных обмоток, взаимное влияние обмоток, не­ сколько шунтирующих друг друга, влияние емкостей нагрузки и пара­ зитных емкостей ведут к появлению погрешностей индуктивного дели­ теля.

Основными достоинствами индуктивных делителей напряжения являются возможность получения коэффициентов деления в широких

пределах значений от 0,9 до 10-75высокая точность коэффициентов де­ ления, оценивающаяся в серийном производстве погрешностью 0,001 %

и менее, а в лучших образцах — около 10-5 % при фазовой погрешнос­

высоких частот; стабильность коэффициентов деления, практически не имеющая себе равной среди других видов делителей; независимость

коэффициентов деления от нагрузки в пределах практически применя­ емых значений последней; технологичность и практическое отсутствие зависимости от климатических воздействий.

Все это создает предпосылки к перспективному использованию их в качестве преобразователей напряжения (тока) в различных электрических цепях и устройствах, в частности при создании точных делителей, работающих в импульсном режиме, в автоматических транс­ форматорных мостах и в системах поверки цифровых вольтметров пере­ менного тока с программным управлением коэффициентом деления.

7.4. Измерительные усилители

Измерительные усилители (ИУ) служат для усиления измеряемых электрических сигналов, а следовательно, для повышения чувстви­ тельности средств измерений. Их применение в то же время позволяет уменьшить потребление энергии от исследуемого объекта. Они приме­ няются также для согласования сопротивлений сопрягаемых преобра­ зователей, в том числе при необходимости подключения низкоомного сопротивления нагрузки к высокоомному источнику сигнала. ИУ могут быть не только масштабными преобразователями напряжения, но и преобразователями напряжения в ток или тока в напря­ жение.

При'построении усилительных устройств используют полупровод­ никовый элементы (биполярные и полевые транзисторы) и узлы (ин­ тегральные микросхемы). Иногда во входных каскадах широкополос­ ных усилителей для обеспечения большого (до 1010...1018 Ом) вход­ ного сопротивления и незначительной (до нескольких пикофарад) емкости используют электронные лампы. В последнее время во многих случаях, особенно в диапазоне звуковых частот, применяются усили­ тели в интегральном исполнении. Использование интегральных уси­ лительных схем не только дает возможность уменьшить габариты средств измерений, повысить надежность и уменьшить потребляемую мощность от источника питания, но и во многих случаях улучшить метрологические характеристики и функциональные возможности средств измерения, построенных с их использованием.

Основной статической характеристикой измерительных усилителей является номинальный коэффициент усиления или номинальный коэф­ фициент передачи (при физически разнородных входных и выход­ ных величинах), представляющий собой его номинальную чувстви­ тельность.

В зависимости от частот усиливаемых сигналов ИУ разделяют на

усилители переменного й постоянного токов. Усилители постоянного тока (УПТ) пригодны для преобразования сигналов постоянного тока и в определенном частотном диапазоне сигналов переменного тока. Границы частотного диапазона ограничены допустимыми частотными погрешностями усиления.

Основными источниками погрешностей ИУ в статическом режиме являются изменение коэффициента усиления (передачи) во времени и под действием влияющих факторов (температуры, напряжения пита­ ния и т. п.), а также различного рода шумы и наводки.

В усилителе, охваченном ООС, приведенная ко входу абсолютная погрешность

Д(Х) = Д0 + (Т ^ Г + 8,)Х ,

т. е. погрешность, вызванная изменением коэффициента усиления 65,

которую, как правило, удается сделать намного меньше б5. Различные виды ООС и основные характеристики усилителей на­

пряжения в зависимости от вида ООС приведены в табл. 7.1.

Класс точности измерительного усилителя переменного тока оп­ ределяется преимущественно мультипликативной составляющей по­ грешности, значение которой в диапазоне низких частот находится в пределах от 0,01 до 4,0 %. Нелинейные составляющие погрешности проявляются в искажении формы выходного сигнала и поэтому норми­ руются посредством допустимого коэффициента гармоник. Аддитивная составляющая погрешности ИУ переменного тока обычно пренебрежи­ мо мала.

В усилителях постоянного тока точность усиления существенно ограничивается инфранизкочастотными шумами, называемыми не­ стабильностью напряжения смешения {дрейфом нулевого уровня), которая обусловлена зависимостью параметров усилительных элемен­ тов от температуры, их изменением во времени и от напряжения пи­ тания, что вызывает аддитивные составляющие погрешности Д0.

Эффективным способом уменьшения влияния нестабильности на­ пряжения смещения является применение усилителей с трансформа­

щения у таких УПТ составляет, как правило, десятые доли микро* вольта на кельвин.

Однако, обладая высокой точностью при усилении сигналов посто* янного тока, усилители с МДМ-преобразователями ограничивают диа­ пазон усиления сигналов, который определяется частотой модулируе­ мого сигнала. Частота сигнала Х% должна быть хотя бы на порядок выше максимальной частоты усиливаемого сигнала.

Среди параметров измерительного усилителя, определяющего его свойства в динамическом режиме, наряду с частотной погрешно­ стью в заданном диапазоне частот иногда указывают время нарастания выходного сигнала до заданного значения при скачкообразном изме­ нении входного сигнала. Для большинства усилителей с частотной погрешностью б/ на верхней частоте /0 время нарастания 1Н можно* определить по формуле

усилители, т. е„ УПТ, обладающие большим коэффициентом усиления (десятки и сотни тысяч), большим входным и незначительным выход­ ным сопротивлениями, малыми значениями входного тока и нестабиль­ ностью напряжения смещения и предназначенные для работы в схемах с отрицательной обратной связью. Эти усилители в интегральном (гиб­ ридном и монолитном) исполнении широко применяются для масшта­ бирования напряжения, преобразования тока в напряжение и наобо­ рот, преобразования сопротивления в напряжение и других измери­ тельных преобразований.

Г л а в а 8. АНАЛОГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

8.1. Общие сведения и свойства аналоговых приборов прямого преобразования

Как уже указывалось в п. 2.1, аналоговым измерительным прибо­ ром называют прибор, информативный параметр выходного сигнала которого является физическим аналогом измеряемой величины. Пока­ зания аналогового прибора являются непрерывной функцией измене­ ния измеряемой величины.

Среди приборов прямого преобразования основную группу состав­ ляют электромеханические приборы, принцип действия которых за­ ключается в преобразовании электромагнитной энергии в механиче­ скую энергию перемещения подвижной части. Обобщенная структурная схема такого прибора представлена на рис. 8.1 и состоит из изме­ рительной цепи 1, измерительного механизма (ИМ) 2 и отсчетного устройства 3.

Измерительная цепь 1 служит для преобразования измеряемой электрической величины X (напряжения, тока, мощности и т. п.)

оо