книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Меры сопротивления должны обладать хорошей воспроизводимостью значения меры, его стабильностью, малым температурным коэффици­

ства определяются материалом и технологией изготовления их рези­ стивных элементов. Среди известных сплавов, наиболее соответствую­ щих этим требованиям, обычно применяется манганин (сплав меди — 84 %, марганца — 12 %, никеля — 3 %, примеси алюминия и железа),

1.5...3 мкВ/К.

Однозначные меры сопротивления выпускаются в виде измеритель­

ных катушек (рис. 6.2, а) с резистивным элементом в виде обмотки, намотанной на каркас 2 (если сопротивление велико), пластины, спи­ рали либо петли (если сопротивление мало). В настоящее время высо­ коомные катушки (свыше 10е Ом) имеют микропроволочную намотку (сверхтонкий манганиновый провод в стеклянной изоляции), а пер­ спективным направлением развития более низкоомных резисторов явля­ ются прецизионные печатные резисторы, которые характеризуются мень­ шей реактивной составляющей сопротивления, чем обычные намоточные.

Концы резистивного элемента 1 подсоединены к токопроводам 3, смонтированным на панели 4, в центре которой расположено гнездо для термометра. На токопроводящих колодках размещены токовые 5 и потенциальные 6 зажимы. Токовые зажимы подключаются в цепь тока, с потенциальных снимается напря­ жение в измерительную цепь, причем зна­ чение сопротивления между потенциальны­ ми зажимами равно номинальному зна­ чению сопротивления измерительной ка­ тушки.

Номинальное значение сопротивления

точности соответствует допустимому относительному отклонению действительного значения сопротивления катушки от номинального.

Если катушки классов точности 0,0005...0,01 применяются при температуре не равной 20 °С(но в пределах рабочих условий), то значе­ ние их сопротивления в этих условиях может быть уточнено выражением

X10"6 1/К, Р = (—3...8) • 10~7 1/К.

Отклонение полученного по выражению значения от действитель­

ного, определенного при номинальной мощности, выделяемой на соп­ ротивлении катушки, выраженное в процентах ее номинального зна­ чения, не превышает половины показателя класса точности (лишь для класса 0,005 оно несколько выше — ±0,0004 %).

Для измерительных катушек со значением сопротивления до 105 Ом

нальное напряжение, которое составляет от 100 до 1000 В.

К мерам электрического сопротивления, используемым на перемен­ ном токе, предъявляются повышенные требования к безреактивности сопротивления катушки, показателем которой является постоянная вре­ мени

т = ^ ~ # С ,

где # — активное сопротивление; Ь — остаточная индуктивность; С — междувитковая емкость (рис. 6.2, б).

Для уменьшения реактивной составляющей сопротивления кату­ шек используют специальные виды намотки резистивного элемента и систему экранирования, которая обеспечивает постоянство распре­ деленных емкостей обмотки. Постоянные времени катушек нормиро­ ваны в зависимости от номинального значения их сопротивления и на­ ибольшей допустимой мощности, устанавливается также верхний пре­ дел частотного диапазона.

Измерительные магазины сопротивления — это многозначные меры сопротивления, выполненные в виде набора резисторов, конструктив­ но объединенных с переключающим устройством, которое обеспечи­ вает их включение в различных комбинациях и с нужным значением сопротивления.

В зависимости от конструкции переключающих устройств раз­ личают следующие типы магазинов: рычажные (наиболее распрост­ ранены), штепсельные, вилочные, кнопочные либо клавишные, зажим­ ные.

По виду назначения различают магазины, используемые в цепях постоянного и переменного токов, либо только в цепях постоянного тока. Конструктивно элементы измерительной цепи в магазинах со­ противления могут быть нетермостатированы, термостатированы либо частично термостатированы.

Резисторы магазинов объединяют в секции, которые называются декадами. Номинальное значение сопротивления каждого из резисто­ ров в декаде соответствует определенному десятичному разряду. В за­

висимости от числа резисторов в декаде последние бывают полными, со­ держащими 9... 11 единиц данного разряда, либо сокращенными (4-5 единиц). Требуемое число единиц в каждой из декад набирается с помо­ щью своего переключателя (рис. 6.3). Магазины могут быть одно-и многоде­

нием постоянной с, либо совокупностью постоянных о и й. Значение постоянной с обычно используется, если декадам присваиваются раз­ ные классы, причем показатель класса соответствует допустимому относительному отклонению действительного значения декады с наи­ большим сопротивлением ступени от ее номинального значения, есл® с >> 0,01, либо допустимой годовой относительной нестабильности ме­ ры, если с ^ 0,01. Точностные характеристики остальных декад, магазина не лучше. Все же чаще класс точности нормируется совокуп­ ностью постоянных с и й, где с — постоянная, значение которой зависит от точностных характеристик магазина; й — зависит от со­ противления, которое можно набрать на магазине, его начального сопро­ тивления (т. е. сопротивления при нулевых положениях декадных пе­ реключателей), числа его декад и значения постоянной с данного магазина. В этом случае при установленном на магазине значении сопротивления Я по формуле

• = ± [ « + ‘' ( 4 — •)]■

(где /?к — наибольшее значение сопротивления магазина) определяет­ ся допустимое относительное отклонение действительного значения сопротивления магазина Я от номинального, если с > 0,01, либо до­ пустимое относительное изменение сопротивления магазина за год, если с < 0,01.

В настоящее время не предусмотрен выпуск магазинов с отклоне­ нием действительного значения его сопротивления от номинального менее 0,01 %, а более высокий класс устанавливается по результатам исследования годовой нестабильности значения сопротивления мага­ зина.

Чаще всего значение с равно 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 и 0,2; номинальное значение ступени наименьшей декады — 0,01 и 0,1 Ом, наибольшей де­ кады— 103...104 Ом, а у однодекадных магазинов — даже 109 Ом. У магазинов с номинальным значением сопротивления резистора не более 10® Ом указывается номинальная мощность, приходящаяся на одну ступень магазина (обычно не более 0,1 Вг), а у магазинов с рези­ сторами высших номиналов нормируется номинальное напряжение на ступень, которое обычно не превышает 3 кВ.

Если предусмотрено использование магазина в цепях переменного тока, то оговаривается верхний предел частотного диапазона и нор­ мируется значение постоянной времени х в зависимости от включен­ ного сопротивления и номинальной мощности одной ступени.

Переходные меры — это магазины сопротивления, у которых осу­ ществима поверка каждой из его ступеней методом замещения измери­ тельной катушки. Переходные меры дают возможность получения со­

противления не кратного 10" Ом, действительное значение которой известно с погрешностью близкой к погрешностям измерительных ка­ тушек (т. е. меньшей, чем погрешность существующих магазинов).

6.3. Меры индуктивности и взаимоиндуктивности

Мерами индуктивности и взаимоиндуктивности являются измери­ тельные катушки, вариометры и магазины индуктивностей и взаимоиндуктивностей.

Стабильность параметров этих мер обеспечивается как конструк­ цией, так и выбором соответствующих материалов. Так, независимость Ь либо М от силы тока достигается, благодаря намотке измерительных катушек на каркасы из высококачественного изоляционного материала, малое активное сопротивление и его независимость от частоты — при­ менением для обмоток катушек медного л и т ц е н д р а т а (высоко­ частотный многожильный провод, каждая жила которого изолирована) большого сечения. Для уменьшения влияния внешнего электромаг­ нитного поля на индуктивность применяют катушки тороидальной конструкции, которые обеспечивают получение равномерного магнит­ ного поля. Высокое сопротивление изоляции и стабильность параметров катушки во времени достигаются благодаря соответствующему под­ бору материала каркаса и пропиточного состава, а уменьшение влияния колебаний температуры на значение меры обязано, наличию у них одинаковых температурных коэффициентов линейного расширения. Важным параметром катушки индуктивности является ее добротность С = аЦП, где Ь — эффективная индуктивность на частоте со; Н — активное сопротивление. На частоте } = 50 Гц добротность составляет от 0,3 до 1,5.

Катушки взаимоиндуктивности могут быть с разделенными либо с совместно намотанными первичной и вторичной обмотками; послед­ нее обеспечивает большое значение коэффициента связи (практически единицу), но и одновременно с этим наличие большой емкости между обмотками сужает частотный диапазон, наблюдается также заметная активная проводимость через изоляцию.

Основные характеристики этих мер нормированы ГОСТ 21175—75 «Меры индуктивности. Общие технические условия» и ГОСТ 20798— 75 «Меры взаимной индуктивности. Общие технические условия».

Наиболее распространенные катушки индуктивности имеют но­ минальные значения от 1 мкГн до 1 Гн с максимальным значением то­ ка от 1000 до 10 мА, сопротивлением постоянному току от 0,1 до 800 Ом и классом точности от 0,5 до 0,05 (зависящим от значения индуктивно­ сти), верхний предел частоты переменного тока примерно 100 кГц; катушки взаимоиндуктивности — номинальные значения 100, 300, 500 мкГн, 1, 3, 5, 10 мГн, предел допустимой основной погрешности —

±0,1 %, верхний предел частоты — до 50 кГц.

Ва р и о м е т р ы — многозначные меры индуктивности и взаимо­ индуктивности. Плавное изменение Ь либо М обеспечивается благо-

Рис. 6.4. Эквивалентная схема декады магазина индуктивности: штепсельно­ го (а), рычажного (<Г)

даря изменению положения подвижной катушки (ротора) относитель­ но неподвижной (статора). У вариометров индуктивности ротор й статор подключается последовательно в одну цепь, у вариометров взаимоиндуктивности — в разные цепи.

Магазины индуктивности и взаимоиндуктивности являются много­ значными одно- и многодекадными мерами со ступенчатым либо сту­ пенчатым и плавным изменением Ь к М, осуществляемым с помощью штепсельных или рычажных переключателей. У магазина индуктивно­ сти предусмотрено постоянное активное сопротивление при любом значении индуктивности, набранной на нем; в частности, в штепсель­ ном магазине оно обеспечивается наличием замещающих резисторов

с сопротивлениями Д|, ..., Цп, равными сопротивлениям Д^ ..., соответствующих катушек индуктивности. Переставляя штепсель из гнезда катушки индуктивности (верхний ряд) в размещенное напро­ тив гнездо катушки сопротивления (нижний ряд), включают в цепь катушку индуктивности, а соответствующее спротивление закорачивают (рис. 6.4, а). У рычажных магазинов индуктивности для обеспечения неизменности активного сопротивления при произвольном значении включенной индуктивности предусмотрены сопротивления (рис. 6.4, б)

1° Д„ = До Д1= До Д1! Д1= До Д1 Да»

10

• • • >Дю = До ^2д< = о»

Обычно магазины индуктивности и взаимоиндуктивности выпуска­ ются 3-4-декадные, с классом точности Не выше 0,2; с младшей ступенью 0,01 мГн, номинальным током, обычно не превышающим 0,25 А, и верхней частотой 5...10 кГц.

Пределы допустимой основной погрешности определяются по фор­ мулам:

6 = =Ь К — для измерительных катушещ

где К — класс точности меры; 1тах» Мтах — наибольшие номинальные

в.4. Меры емкости

Мерами емкости служат измерительные конденсаторы и магазины емкости, которые представляют собой наборы измерительных конден­ саторов, конструктивно объединенных с переключающими устрой­ ствами (штепсельными либо рычажными).

И з м е р и т е л ь н ы е к о н д е н с а т о р ы должны иметь ма­ лые потери в диэлектрике, которые характеризуются углом потерь либо его тангенсом, малую зависимость емкости от частоты и формы кривой тока, малый температурный коэффициент емкости и угла по­ терь, значительное сопротивление изоляции.

Измерительные конденсаторы бывают воздушными (постоянной и переменной емкости) и со слюдяным либо иным твердым диэлектриком (постоянной емкости). Воздушные конденсаторы постоянной емкости отличаются высокой стабильностью емкости во времени, малым углом

потерь (примерно 1 10-5 рад) и малым температурным коэффициен­

том емкости (примерно 2 10-3 1/К), но из-за малой диэлектрической проницаемости воздуха громоздки.

Широко выпускаются воздушные конденсаторы постоянной емко­ сти со значениями 50, 100, 200, 300, 400, 1000, 2000, 3000, 4000 пФ класса 0,05, допускающие применение на частотах менее 100 Гц и на­ пряжении не более 200 В.

Воздушные конденсаторы переменной емкости конструктивно со­ стоят из двух систем пластин — неподвижной (статор) и подвижной (ротор), снабженной шкалой. Наиболее распространены воздушные конденсаторы переменной емкости классов 0,05; 0,2 и 0,5 с максималь­ ным значением емкости 15; 60 и 150 пФ, с рекомендуемыми частотой применения не более 100 Гц и напряжением не более 200 В.

У слюдяных конденсаторов электродами являются алюминиевая либо оловянная фольга, а у некоторых типов — тонкий слой серебра, нанесенный на слюду. Они компактны, стабильны во времени, харак­ теризуются примерно таким же, как и воздушные конденсаторы, тем­ пературным коэффициентом емкости, но несколько большим углом

потерь — (1...2) 10-4 рад. Распространены меры емкости с номиналь­ ными значениями от 1 пФ до 1 мкФ, классов точности от 0,05 до 0,2 (в зависимости от значения емкости меры) и частотой использования ме­ ры от 40 до 106 Гц (также в зависимости от номинала меры).

М а г а з и н ы е м к о с т и бывают штепсельными (на рис. 6.5 штриховой линией показаны гнезда, предназначенные для устране­ ния остаточных зарядов путем закорачивания конденсаторов) либо рычажными. Изменение емкости возможно либо ступенчатое, либо ступенчатое и плавное. Распространены магазины классов не выше 0,1 обычно 6-декадные, с младшей декадой 0,0001 мкФ, тангенсом угла

условия». Основная погрешность, выраженная в процентах номиналь­ ного значения выставленной емкости, определяется выражениями:

где К — класс точности; Сном— номинальное значение включенной емкости; Стах — максимальное значение переменной емкости; т — число декад и Сд — дискретность магазина.

Отклонение частоты и температуры от номинальных значений вы­ зывает появление дополнительной погрешности.

Г л а в а 7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

7.1. Шунты и добавочные резисторы

Шунты. Служат для расширения диапазона измерения тока магнито­ электрических приборов и представляют собой четырехзажимный ре­ зистор с токовыми зажимами, предназначенными для включения в цепь измеряемого тока, и потенциальными зажимами (меньших раз­ меров)— для подсоединения к милливольтметру (рис. 7.1, а). Шунты, по существу, являются преобразователями тока в напряжение. Они рассчитаны на совместное применение с магнитоэлектрическими прибо­ рами.

Шунты на сравнительно малые токи (до 1 А) изготовляются из манганина в виде спиралей или катушек, а шунты на большие токи — в виде пластин или стержней, запаянных в массивные латунные либо медные наконечники. Пайка преобразователя к выводам (наконечни­ кам) осуществляется обычно серебряным припоем (оловянным допу­ скается лишь на сравнительно малые токи — до 1 А.) Шунты на силу тока до 30 А закрыты обычно пластмассовыми кожухами.

Шунты разделяются на внутренние (обычно на токи до нескольких ампер) и внешние (индивидуальные и взаимозаменяемые). Индивидуаль­ ные шунты пригодны лишь для того измерительного прибора, с которым они градуированы, а взаимозаменяемые шунты могут быть исполь­ зованы с любым прибором, который имеет соответствующий предел измерения напряжения и номинальный потребляемый ток. Взаимоза­ меняемые шунты бывают стационарными и переносными, последние, в свою очередь,— одно- или многопредельными.

ным падением напряжения 45 и 75 мВ, токами от 0,01 до 7500 А. Шунт должен длительно выдерживать перегрузку током, равным

120 % номинального.

Добавочные резисторы. Применяются для расширения пределов измерения напряжения вольтметров магнитоэлектрической, электро­ динамической и электромагнитной систем, а также цепей напряжения электродинамических ваттметров.

Добавочный резистор подсоединяется последовательно с вольт­ метром (цепью напряжения ваттметра, счетчика и т. п.). Для такой измерительной цепи'(рис. 7.1, б)

^Люм ™ 7Уном ( К у ном + Яд-ном)*

где Vном — номинальное падение напряжения на последовательной це­ почке вольтметр (цепь напряжения ваттметра)— добавочный резистор; /у„ом. Яуном — номинальные ток и сопротивление вольтметра; /?д.,юм — номинальное сопротивление добавочного резистора.

Использование добавочного резистора в цепях высокого напряжения ограничено возрастанием собственного потребления, а также требова­ ниями безопасной работы. Материалом, добавочных резисторов служит обычно манганин. Намотка ведется на катушки и пластины из изоля­ ционного материала. Добавочные резисторы, предназначенные для ра­ боты на переменном токе, должны быть безреактивными.

Резисторы, как и шунты, бывают внутренние и внешние, индиви­ дуальные и взаимозаменяемые, а по назначению — стационарные и переносные.

Взаимозаменяемый добавочный резистор может применяться с любым прибором, ток полного отклонения которого не больше указан­

относительному отклонению значения его сопротивления от номиналь­ ного.

Основные технические характеристики добавочных резисторов нор­ мирует ГОСТ 8623—78 «Сопротивления добавочные для электроизме­ рительных приборов. Технические условия». Наиболее распростра-

йены резисторы, предназначенные для использования на постоянном токе, рассчитанные на номинальные напряжения от 100 до 3000 В, то­ ки 3,0; 5,0 и 7,5 мА, классов 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Добавочные резисторы должны выдерживать перегрузку током или напряжением до 120 % номинального значения.

7.2. Измерительные трансформаторы

Измерительными называются трансформаторы, которые предна­ значены для преобразования (трансформации) измеряемых перемен­ ного тока или напряжения, а также для повышения безопасности работы персонала при измерениях в цепях высокого напряжения

Измерительные трансформаторы тока и напряжения по устройству сходны между собой, однако отличаются режимом работы и способом включения в измерительную цепь. Конструкцию измерительного транс­ форматора объясняет рис. 7.2, а. На ферромагнитном сердечнике изо­ лированно друг от друга намотаны первичная щ и вторичная ву2 об­ мотки. Соотношение между числами витков щ и щ зависит от значения номинального коэффициента трансформации, который для трансфор­ маторов тока определяется выражением

лном2

а для трансформаторов напряжения — выражением

I/,ном!

Кцяш — и,ном2

где /номь /иом2, ^номь ^ном2соответственно номинальные первичный и вто­ ричный токи, первичное и вторичное напряжения.

Действительный коэффициент трансформации из-за наличия по­ грешностей будет отличаться от номинального. При этом, поскольку вектор вторичного тока (напряжения) смещен по отношению к первич­ ному не точно на 180°, что является причиной так называемой угловой погрешности, действительный коэффициент трансформации будет комплексным числом:

где К /, Кц — модули действительного коэффициента трансформации тока и напряжения; //, Д/ — токовая погрешность и погрешность нап­ ряжения; б/, бц — угловые погрешности трансформатора тока и транс­

форматора напряжения.

Поскольку ко вторичной обмотке измерительного трансформатора тока подключаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчи­ ков электрической энергии и фазометров, сопротивление которых очень

мало, трансформаторы тока работают в режиме, близком к короткому замыканию. Ха­ рактер нагрузки — индуктив­ но-активный.

Погрешность трансформа­ тора тока обусловлена разли­ чием между номинальным и действительным коэффициен­ тами трансформации. Она за­ висит от свойств материала сердечника, сопротивления вторичной цепи, значения пер­ вичного тока и имеет вид, как на рис. 7.2, б.

Размыкание вторичной це­ пи является аварийным режи­ мом, так как при этом намаг­ ничивание сердечника осу­ ществляется полностью всем первичным током, сердечник входит в насыщение, значе­ ние его магнитного сопротив­

ления велико, что приводит к перегреву сердечника, порче изо­ ляции, намотки, напряжение на вторичной обмотке может дости­ гать сотен вольт, что опасно для обслуживающего персонала. В связи с этим у выпускаемых промышленностью трансформаторов тока предусматриваются устройства для закорачивания вторичной об­ мотки при необходимости осуществления нужных переключений во вто­ ричной цепи при включенной первичной обмотке.

В зависимости от назначения измерительные трансформаторы тока разделяются на стационарные и переносные. Переносные лабораторные трансформаторы преимущественно многопредельные. Для расширения пределов измерения частот в корпусах переносных трансформаторов тока с тороидальным сердечником предусматривается отверстие, через которое можно намотать внешнюю первичную обмотку проводом соот­ ветствующего диаметра (допускающего измеряемый первичный ток). Число витков щ должно, по возможности, обеспечить равенство про­ изведения 1{шх номинальному числу ампер-витков трансформатора,

нии, не разрывая цепи для включения амперметра или обычного измери­ тельного трансформатора.

<Основные технические характеристики измерительных трансфор­ маторов тока нормированы ГОСТ 7746—78 Е (СТ СЭВ 2733—80) «Трансформаторы тока. Общие технические условия» в части стацио­ нарных и ГОСТ 23624—79 «Трансформаторы тока измерительные лабораторные. Общие технические условия» в части лабораторных транс­