сти диска по сравнению с необходимой скоростью. Это объясняется не­ линейной зависимостью между током 1 и потоком Ф/ на начальном

участке кривой намагничивания материала магнитопровода токовой цепи.

В области IV происходит постепенное уменьшение угловой скоро­

сти диска по сравнению с необходимой скоростью. Это объясняется воз­ растанием тормозного момента счетчика. Все большее влияние начинает оказывать составляющая тормозного момента, обусловленная пересе­ чением диска счетчика увеличивающимся потоком Ф*.

Схема включения счетчика для учета активной энергии аналогична схеме включения электродинамического ваттметра для измерения актив­ ной мощности (см. гл. 9). Генераторные зажимы токовых обмоток счетчиков обозначаются Г, а зажимы, к которым подключается нагруз­ ка,— Н. На рис. 10.5 изображена схема расположения зажимов и при­

соединения к ним обмоток однофазного счетчика.

Г л а в а о д и н н а д ц а т а я

ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Принцип действия электростатических механизмов ос­ нован на взаимодействии подвижных и неподвижных заря­ женных электродов, находящихся под напряжением. Эти электроды образуют конденсатор емкостью С, значение которой изменяется при перемещении подвижной части;

В зависимости от способа изменения емкости различи-, ют два основных типа электростатических измерительных механизмов: механизмы с изменяющейся активной плр,- щадью электродов и механизмы с изменяющимся рассточ янием между электродами. В механизмах первого типа (рис. 11.1) неподвижная часть состоит из симметрично рас­ положенных и электрически соединенных электродов 2 в

ряженные электроды будут отталкиваться, а разноимен­ ные — притягиваться.

Вращающий момент электростатического механизма по­ лучаем из {4.2), приняв

При переменном напряжении и (/) = £/w sin оз/, прило­ женном к электродам, подвижная часть вследствие инер­ ционности реагирует на среднее за период значение вра­ щающего момента, равное

т

О

где U — действующее значение переменного напряжения.

Выражение для угла отклонения можно получить из ус­ ловия статического равновесия (4.4)

Мвр = Мпр,

ИЛИ

(№)U*dClda = W ay

действия приложенного напряжения, вследствие чего эти механизмы применяются главным образом в вольтметрах.

Из ’(11.3) видно, что угол поворота подвижной части электростатического вольтметра пропорционален квадра­

имел бы квадратичную шкалу. Выбором "соответствующей формы электродов, их размеров и взаимного расположения получают такую зависимость dCfday которая позволя­

ет обеспечить практически равномерную шкалу от 15 до 100 % верхнего предела измерения.

Вращающий момент электростатического механизма при малых значениях приложенного напряжения мал, что ограничивает предел измерения вольтметра, выполненного на его основе, значением 10 В. Измерительные механизмы с изменяющимся расстоянием между электродами приме­ няют только в щитовых киловольтметрах, а механизмы с

Рис. 11.3. Схемы расширения пределов измерения электростатического вольтметра

изменяющейся активной площадью как более чувствитель­ ные— в переносных вольтметрах на напряжения от десят­ ков до сотен вольт.

Расширить пределы измерения электростатических вольтметров на переменном токе можно с помощью доба­ вочного конденсатора Сд (рис. 11.3, а) или емкостного де­ лителя напряжения Сь С2 (рис. 11.3,6), а на постоянном

вольтметре.

Емкость вольтметра Cv изменяется в зависимости от

его показания, поэтому с подключением конденсатора из­ меняется отношение U/Uv, что влияет на характер шкалы.

Кроме того, конденсаторы имеют потери, зависящие от ча­ стоты. Следовательно, при включении вольтметра через до­ бавочный конденсатор погрешности измерений возрастают. Этого недостатка можно избежать, применив для расшире­ ния пределов измерения емкостный делитель напряжения (рис. 11.3,6). В этом случае

II = II c v + с г + с 2

F------- с£----------

Если параметры емкостного делителя выбраны так, что Ci!>Cv, то отношение напряжений U/Uv практически не

зависит от показаний вольтметра.

Отметим достоинства электростатических вольтметров. Собственное потребление мощности вольтметра на перемен­ ном токе мало, а при включении в цепь постоянного тока практически равно нулю. На показания электростатичес­

ких вольтметров почти не влияют частота и форма изме­ ряемого напряжения, изменения температуры окружающе­ го воздуха и внешние магнитные поля. Внешние электри­ ческие поля, если не принять специальных мер, могут повлиять на показание прибора, поскольку собственное элек­ трическое поле электростатического механизма незначи­ тельно. Чтобы этого не случилось, приборы экранируют. Экраном может служить корпус прибора, если он метал­ лический, или алюминиевая краска, которой покрывается внутренняя поверхность корпуса. Экран соединяется с од­ ним из электродов и заземляется.

Недостатком электростатических механизмов является малая чувствительность. Для ее повышения подвижную часть укрепляют на растяжках или подвесе, применяют све­ товой отсчет, а также увеличивают электрическую емкость механизма, делая его многокамерным.

Эти свойства определяют области применения электро­ статических вольтметров и особенности их конструкции.

'Электростатические вольтметры используются для из­ мерения напряжений в широком диапазоне частот (20 Гц— 30 МГц) в маломощных цепях, а также в цепях высокого напряжения для измерения напряжений до сотен киловольт без применения громоздких, дорогих и потребляющих боль­ шую мощность добавочных резисторов.

По точности эти приборы соответствуют* чаще всего классам 1,0; 1,5; 2,5.

Глава д в е н а д ц а т а я

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

12.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВО

Измерительные трансформаторы подразделяются на трансформаторы тока и напряжения и являются измери-; тельными преобразователями больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжениям Благодаря трансформаторам можно применить приборы ‘С! небольшими стандартными номинальными значениями то­ ка и напряжения (например, 5А и 100 В) в силыютоцных, в высоковольтных цепях, т. е. расширить .пределы измере-

для трансформатора напряжения

где U\ — K unoJJi', U ^ K u V i .

Погрешность у / называется токовой погрешностью, а уи — погрешностью напряжения. Кроме этих погрешностей

у измерительных трансформаторов имеется еще так назы­ ваемая угловая погрешность. Она возникает вследствие фа­ зовых сдвигов менаду первичной и вторичной величиной, вно­ симых трансформатором. Угловая погрешность влияет на показания только таких приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазы между токами в цепях этих приборов. К ним относятся ваттметры, счетчики энергии, фазометры.

Как известно из теории трансформаторов, в идеальном случае вектор вторичного тока / 2 сдвинут по фазе относи­ тельно вектора первичного тока Л на 180°. Такой же сдвиг по фазе должен быть между векторами вторичного /Л и первичного Ui напряжений в трансформаторе напряжения.

В реальном трансформаторе угол между повернутым на 180° вектором вторичной величины и соответствующим век­ тором первичной величины не равен нулю, а составляет угол б, который является угловой погрешностью трансфор­ матора. Погрешность считается положительной, если по­ вернутый на 180° вектор вторичной величины опережает ректор первичной величины.

12.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому за­ мыканию, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с ма­ лым сопротивлением. Полное суммарное сопротивление £ = /? + Д при­ боров и подводящих проводов является нагрузкой трансформатора тока.

На рис. 12.2 приведена векторная диаграмма трансформатора то­ ка, построение которой начинают с вектора hw« — магнитодвижущей силы (МДС) вторичной обмотки. Вектор напряжения U2 получают как сумму векторов напряжений hR и hX на активном R и реактивном X

сопротивлениях нагрузки при токе 1% во вторичной цепи трансформа­

тора.

Электродвижущая сила £г, наводимая во вторичной обмотке пото­ ком Ф0 в магнитопроводе, получена в результате сложения вектора 1’г

с векторами / 2/?2 и /2АГ2 напряжений на активном /?2 сопротивлении вто­ ричной обмотки и его реактивном сопротивлении Хг, обусловленном

потоком рассеяния.

Выше отмечалось, что вектор МДС hw* сдвинут по фазе относи­ тельно вектора МДС Uw\ почти на 180°, т. е. МДС / 2до2 оказывает раз­

магничивающее действие. Вследствие этого магнитный поток Ф0 в

магнитопроводе создается результирующей МДС / 0шi, называемой пол. ной МДС трансформатора.

Магнитодвижущая сила hw\ состоит из реактивной составляющей

I^Wu непосредственно создающей поток Фо и совпадающей с ним по фазе, и активной составляющей I&Wu опережающей Ф0 на 90° и опре­

деляемой потерями на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе. Вектор МДС IiW> получен путем сложения вектора МДС IQWI с по­

Это уравнение, являющееся основным для трансформатора тока, выражает условие его магнитного равновесия. При номинальном режи­ ме работы трансформатора тока значение |/oa>i| обычно составляет не

более 1 % |/ JO>I | (или | / 2Ша|). При достаточной мощности цепи пер­

вичного тока размыкание вторичной цепи трансформатора тока вызовет

нитопровода, а следовательно, и о0п

моток и может служить причиной теплового разрушения их изоляции»

Рис. 12.2. Векторная, диаграмма/тран­ сформатора тока f

Из векторной диаграммы и уравнения (12.1) можно сделать следую­ щие выводы.

Токовую погрешность для одного значения h можно свести к нулю подбором числа витков w2 вторичной обмотки. Для других значений тока h погрешность не будет равна нулю, так Как ток 10 не пропорцио­

нален току / 2.

Погрешности трансформатора тока увеличиваются по мере возраста­ ния МДС IQW\. Ток /0 зависит от качества материала сердечника, его

размеров, числа витков, а также от характера и значения нагрузки во вторичной цепи.

Увеличение сопротивления вторичной обмотки и возрастание на­ грузки, т. е. включение большого числа приборов, приводят к повыше­ нию ЭДС Ez, а следовательно, к увеличению потока Фо и МДС /оШь

Поэтому для каждого трансформатора указывается его номинальная вторичная нагрузка в омах или номинальная мощность в вольт-амперахг Номинальной нагрузкой трансформатора тока называется наиболь­ шее сопротивление, на которое можно замыкать его вторичную обмот­ ку, не вызывая увеличения погрешностей выше допустимых для соот­

ветствующего класса точности.

Номинальная нагрузка Z,,ом и номинальная мощность трансформа­ тора тока Si,ом связаны между собой соотношением

В трансформаторах тока для уменьшения погрешностей могут быть применены дополнительные устройства. Такие трансформаторы назы­ ваются компенсированными. Чаще всего компенсация погрешностей ос­ нована на искусственном подмагничивании сердечника дополнительны­ ми полями, благодаря которым возрастает магнитная проницаемость, что приводит к относительному уменьшению намагничивающего тока /о. Для подмагничиваиия применяют дополнительные обмотки или по­ токи рассеяния.

В зависимости от области применения измерительные трансформа­ торы выполняют стационарными, предназначенными для установки на открытых площадках распределительных устройств, станций и подстан­ ций и в закрытых помещениях, и переносными для использования в ла­ бораториях. Стационарные трансформаторы, как правило, имеют один предел преобразования, а переносные — несколько пределов. Например, переносной трансформатор тока типа И-54 класса точности 0,2 имеет номинальные первичные токи 0,5; 1; 2; 5‘; 10; 20 и 50 А, а вторичный ток 5 А и номинальную нагрузку 0,4 Ом.

По точности трансформаторы тока подразделяются на десять клас­ сов:^,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0 и 10. Основные требования к трансформаторам тока установлены ГОСТ7746-78Е и ГОСТ 23624-79.

Рис. 12.4. Погрешности трансформаторов напряжения в зависимости от нагрузки:

а — напряжения: 6 — угловая

Отсюда следует, что вектор первичного напряжения Ut не равен вектору вторичного напряжения U3, несмотря на то, что было принято

Wi=W2. Степень этого неравенства, а следовательно, погрешности на­ пряжения уи и угловая 8и зависят от токов / 2 и /о и сопротивлений об­

моток трансформатора. Наибольшее влияние на погрешности оказывает нагрузка во вторичной цепи трансформатора.

На рис. 12.4 приведены типичные графики погрешностей трансфор­ маторов напряжения в зависимости от значения мощности во вторич­ ной цепи, выраженной в процентах номинального значения. Начиная с некоторого значения мощности погрешности непрерывно увеличива­ ются. Во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляемая ими мощность не превышала номинальной, обыч­ но указываемой на его щитке.

Согласно ГОСТ 1983-77Е и ГОСТ 23625-79 стационарные трансфор­ маторы напряжения имеют классы точности 0,2; 0,5; 1,0 и 3,0, а лабора­ торные — 0,05; 0,1 и 0,2.

Стационарные трансформаторы напряжения выполняются на номи­ нальные первичные напряжения до сотен киловольт при вторичном на­ пряжении 150, 100 и 100/1/3 В. Номинальные мощности составляют 5— 1200 В-А. Лабораторные трансформаторы обычно выполняются как переносные и имеют несколько пределов преобразования. Для трехфаз­ ных цепей выпускаются трехфазные трансформаторы напряжения.

По внешнему виду и устройству трансформаторы напряжения мало отличаются от силовых трансформаторов на небольшие мощности. По виду охлаждения трансформаторы напряжения делятся на сухие (для напряжений до 3 кВ) и трансформаторы с заливкой маслом или изо­ лирующей массой (для напряжений 3 кВ и выше).

чения оказывается двухпроводной. При измерении малых сопротивлений (менее 10 Ом) измеряемый резистор под­ ключается к четырем зажимам 1, 2, 3 и 4. При этом пере­ мычки между зажимами снимаются, а точки А я 4, Б и 1

соединяются между собой (пунктирные линии на рис. 13.2). В этом случае сопротивление провода от Rx к зажиму 2 входит в плечо сопротивления Яз, а сопротивление про­

вода от Rx к зажиму 3 — в плечо сопротивления Ял. Сопро­ тивления резисторов Яг и Яа значительно больше сопротив­

лений проводов, поэтому последовательно с ними включен­ ные сопротивления проводов практически не оказывают влияния на точность результата измерения. Сопротивления проводов от зажимов Ях к зажимам 1 и 4 входят в ветви

диагоналей питания и нагрузки, поэтому также не влияют на результат измерений в режиме равновесия.

Применение рассмотренной на рис. 13.2 схемы для из­ мерения малых сопротивлений ограничивается чувстви­ тельностью мостовой цепи, поэтому при измерении сопро­ тивлений менее 10 Ом предпочтение отдают схеме двойно­ го моста.

13.2. ДВОЙНЫЕ МОСТЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ МАЛЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Влияние соединительных проводов и контактов сведено к минимуму в схеме двойного моста (рис. 13.3). Сопротив­ ления плеч моста обозначены Ru Я2, Яг, Яа, а сопротивле­

ния соединительных проводов и контактов г1} г2, г3, г4. При равновесии моста I\= h', h - h - Сопротивление Rx

определяется в результате расчета мостовой цепи в услови­

то второй член правой части уравнения равен нулю, и из­ меряемое сопротивление определится из равенства

Для того чтобы отклонение от выполнения условия [(13.8) не создавало заметной погрешности при измерениях,

сопротивление R стремятся сделать как можно меньшим. С этой целью соединительный провод R изготовляется в

виде короткого отрезка достаточно толстого медного про­ вода.

Сопротивления Ri—/?4 должны быть не меньше 10 Ом

каждое, чтобы влияние сопротивления соединительных проводов и контактов было незначительным.

Классы точности мостов постоянного тока зависят от пределов измерения и н-аходятся в диапазоне от 0,005 до

сти. Мосты постоянного тока выпускаются переносными и лабораторными. Переносные одинарные мосты имеют вмонтированный гальванометр и источник питания. Классы точности таких мостов находятся в пределах от 0,1 до 5,0 в зависимости от значений измеряемого сопротивления в диапазоне от 10~4 до 105 Ом.

Лабораторные мосты выпускаются как одинарные, так и одинарно-двойные, иногда с устройством, позволяющим осуществить питание моста от сети переменного тока. Клас­ сы точности лабораторных мостов лежат в пределах от 0,05 до 0,01; пределы измерения одинарным мостом от 10_3

новки, которые представляют собой конструктивное и фун­ кциональное объединение лабораторного одинарно-двой­ ного моста со вспомогательной, регулировочной и коммута­ ционной аппаратурой. Эти установки используются для по­ верочных работ и контроля качества прецизионных резис­ торов.

Процесс уравновешивания мостов постоянного тока мо­ жет быть автоматизирован. Простейшая схема автоматиче­ ского моста показана на рис. 13.4. Если элементы моста можно считать чисто активными, то лучше питать мост от источника переменного тока.

Напряжение разбаланса моста подается непосредст­ венно на вход усилителя переменного тока Ус, как показа­

но на рис. 13.4. Если измеряемое сопротивление имеет ком­ плексный характер, а измеряется его активная составляю­ щая, то мост необходимо питать от источника постоянного напряжения. В этом случае напряжение разбаланса моста подается на преобразователь постоянного напряжения в пе-

ременное, а затем на усилитель переменного тока. Усилен­ ное напряжение поступает в обмотку управления реверсив­ ного двигателя РД, ротор которого связан с движком рео­

хорда (резистора с плавно регулируемым сопротивлением)

иуказателем прибора. Ротор двигателя вращается, переме­ щая движок реохорда до равновесия моста, при котором напряжение небаланса равно нулю.

Приведенная погрешность автоматических мостов не ме­ нее 0,25 %, время пробега шкалы указателем прибора 0,25 с

иболее.

13.3. МОСТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Схема одинарного моста переменного тока приведена на рис. 13.5. Плечи моста в общем случае содержат комп­ лексные сопротивления Z|, Z2, Z3 и Z4. В качестве нулевого индикатора используются вибрационные гальванометры, электронные усилители с указателем выпрямительной си­ стемы, электронно-лучевые трубки и др.

Равновесие моста имеет место при отсутствии тока в измерительной диагонали, т. е. при

где I— 1, 2, 3, 4.

Подставив (13.11) в (13.10), получим условие равнове­ сия для моста переменного тока

(13.13)

R .X . + R . X ^ R . X . + R . X ^ I

Выразив комплексное сопротивление в показательной форме Z — Zefv, получим условие равновесия моста

Уравнения (13.15) и (13.13) равносильны и являются условиями равновесия моста переменного тока. Наличие двух уравнений равновесия означает необходимость регу­ лирования не менее двух параметров моста для достиже­ ния равновесия. При различных комбинациях регулируе­ мых элементов количество поочередных операций регули­ рования, необходимых для достижения равновесия, раз­ лично.

Свойство мостов переменного тока, характеризующееся количеством поочередных регулирований, необходимых для достижения равновесия, называется сходимостью мос­ та. В зависимости от того, входит ли частота напряжения питания моста в выражение условия равновесия, различа­ ют мосты частотно-зависимые и частотно-независимые.

В табл. 13.1 приведены наиболее распространенные схе­ мы мостов переменного тока и уравнения для определения измеряемых величин.

Мосты Соти — Вина (схемы 1 и 2) применяют для из*

мерений емкости и тангенса угла потерь конденсаторов со сравнительно малыми (последовательная схема замеще­ ния) и большими (параллельная схема замещения) поте­ рями.

На практике используют схемы сравнения неизвестной индуктивности с известной емкостью (мосты Максвелла—■ Вина и Хея, схемы 3 и 4). Частотно-независимый мост (схе­ ма 3) используется для измерения индуктивности с низкой добротностью, а частотно-зависимые (схема 4) —для изме«

рения индуктивности с высокой добротностью.

Мосты переменного тона.

Рис. 13.6. Схемы трансформаторных

Ь^ллллл/ мостов

Шестиплечий мост Андер­ сона (схема 5) предназначен

для точных измерений индук­ тивностей в звуковом диапазо­ не частот. Мост может быть использован и для измерений емкостей.

При измерении параметров катушек с ферромагнитны­ ми сердечниками и исследовании магнитных характеристик материалов на высоких и повышенных частотах использу­ ют резонансные мосты (схема 6) с последовательным ре­

зонансом в плече измеряемой индуктивности.

Последнее время для точных измерений параметров це­ пей переменного тока, а также для измерений неэлектри­ ческих величин и магнитных характеристик материалов применяют трансформаторные мосты с сильными индук­ тивными связями между элементами, которые образуют плечи отношений.

Простейшие схемы таки 13.6.

го тока / р.

Переключение производится переключателем рода ра­ боты

Порядок работы с компенсатором следующий.

1. Переключатель рода работы S/1 устанавливают в по­ ложении К — «контроль».

2. Реостатом Ri изменяют значение рабочего тока до тех

пор, пока стрелка нулевого индикатора не установится на нуль. При этом выполняется равенство

данного компенсатора. Если температура окружающей сре­ ды отличается от нормальной, то предварительно необхо­ димо внести соответствующие поправки в значение ЭДС нормального элемента с помощью R T.

3. После контроля и установки рабочего тока переклю­ чатель Sv4 устанавливается в положение И — «измерение». В этом случае к нуль-индикатору подключается контур II. Изменением сопротивления RKдобиваются отсутствия тока

Так как Ен>э, RHtэ и R T имеют постоянные значения, от­ счет компенсирующего напряжения UK можно проводить по положению переключателей резистора RK сразу в единицах

напряжения.

Компенсаторы постоянного тока позволяют измерять не только ЭДС, напряжение, но и значение тока 1Х) сопротив­

ления Rx.

Для измерения тока пользуются вспомогательной цепью, которая состоит из источника измеряемого тока 1Х и образ­ цового резистора RN, на котором возникает падение напря­

Значение измеряемого тока определяется по формуле

Для измерения сопротивления Rx резистор включают

во вспомогательную цепь (рис. 14.2) последовательно с ис­ точником питания и образцовым резистором RN. Устано­ вив переключатель SA сначала в правое, а потом в левое положение, с помощью компенсатора измеряют UN— па­ дение напряжения на RN и Их — падение напряжения на Rx- В течение времени измерения ток во вспомогательной

цепи должен оставаться неизменным.

Резистор R и миллиамперметр предназначены для ре­

Для измерения напряжений, превышающих предел из­ мерений компенсатора, измеряемое напряжение подается на вход компенсатора через образцовый делитель напря­ жения.

К компенсаторам предъявляются следующие требова­ ния:

неизменность рабочего тока в процессе измерения; простота отсчета и возможность отсчета с достаточным

числом знаков.

Чувствительность компенсатора S определяется соотно­ шением

по току; Д/ — приращение тока в цепи нулевого индикато­ ра, вызванное приращением АЕХ измеряемой величины Е х.

Чувствительность 5 Кзависит от RKX, сопротивления ну­ левого индикатора и сопротивления источника Ех.

Точность измерения компенсатором постоянного тока обеспечивается высокой точностью нормального элемента, чувствительностью нулевого индикатора и стабильностью вспомогательного источника питания в цепи рабочего тока. Наиболее точные компенсаторы имеют класс точности 0,0005.

Допустимые значения абсолютной погрешности AUK

для компенсаторов классов точности от 0,0005 до 0,02 онределяют по двухчленной формуле

где а — значение класса точности; U — напряжение, кото­ рое показывает компенсатор; UR— верхняя граница изме­ ряемых компенсатором напряжений; Umin — дискретность

компенсационного напряжения (ступень младшей декады компенсационного сопротивления).

Компенсаторы постоянного тока выпускаются двух ти­ пов — с большим сопротивлением компенсационной цепи (высокоомные) и с малым (низкоомные).

Сопротивление компенсационной цепи высокоомных компенсаторов достигает 10 000 Ом на 1 В напряжения пи­ тания. В них используются гальванометры с относительно большим критическим сопротивлением. Верхний предел из­ мерения ЭДС (напряжения) 1, 2; 2,5 В. Значение рабочего тока составляет 0,1 мА.

Для измерения относительно малых ЭДС и напряжений применять высокоомные компенсаторы нерационально, так как в отсчете участвует малое число декад, да и чувстви­ тельность этих схем невысокая.

Для измерения малых ЭДС и напряжений в низкоомных цепях используют низкоомные компенсаторы при уровне рабочего тока 1— 10—25 мА. Гальванометр выбирают с не­ большим критическим сопротивлением, чтобы он мог рабо­ тать в режиме критического успокоения.

Метрологические качества компенсатора в значительной мере определяются конструкцией компенсационного сопро­ тивления, которое выполняется в виде нескольких декад (см. гл. 2). Компенсационное сопротивление должно быть сконструировано таким образом, чтобы изменение его зна­ чения в процессе компенсации не вызывало изменения ра­ бочего тока. Кроме того, должна быть обеспечена возмож­ ность точного отсчета напряжения компенсации (достаточ­ ное количество знаков в результате измерений).

На практике применяется несколько типов декад. На рис. 14.3 показана схема компенсатора постоянного тока с двойными декадами. Одна из них называется основной, а другая — замещающей. (Обозначения те же, что и на рис.

заны, суммарное сопротивление цепи рабочего тока остает­ ся неизменным независимо от их положения. Возможно последовательное включение нескольких таких декад.

Приведенная схема соединения декад имеет тот недос­ таток, что трущиеся контакты находятся в цепи компенси­ рующего напряжения UKи при изменении температуры ста­

новятся источником паразитных термо-ЭДС, поэтому двойные декады применяются только в высокоомных ком­ пенсаторах, предназначенных для измерения относительно высоких напряжений.

Входное сопротивление компенсационной цепи изменя­ ется в широких пределах в зависимости от значения RKXt

соответствующего измеряемому значению, поэтому чувстви­ тельность компенсатора существенно зависит от значений

Ех.

От этих недостатков свободны схемы низкоомных ком­ пенсаторов. На рис. 14.4 показана одна из схем низкоомно­ го компенсатора (схема наложения токов), в которой ком­ пенсирующее напряжение UK создается на постоянных резисторах R. По резисторам R протекают токи /i и / 2. Зна­

чение компенсирующего напряжения зависит от соотноше­ ния токов Л и / 2 и положения переключателей SA2 и SA? на контактных рядах. Если обозначить через п\ и п2 номера контактов, на которых находятся переключатели SA2 и SA3, то

Токи 7i и 12 относятся как 1 10 и практически не зави­

сят от положения переключателей, так как сопротивления Rx и Т?2 выбираются значительно больше, чем сопротивле­ ние R компенсационной декады. Если подобрать такое по­

ложение переключателей, при котором нулевой индикатор покажет отсутствие тока в его цепи, значение измеряемой

Рис. 14.4. Схема низкоомного компенсатора с наложением токов

ЭДС можно отсчитать по их положению, причем каждый переключатель дает определенный десятичный знак. Для повышения точности отсчета Ех число контактных рядов

может быть увеличено. Нормальный элемент и регулиро­ вочные реостаты на рис. 14.4 не показаны. При изменении измеряемой ЭДС Ех изменяется входное сопротивление

компенсационной цепи. Это затрудняет применение данной схемы в компенсаторах высоких классов точности.

Наилучшими возможностями для создания низкоомных компенсаторов обладает мостовая схема соединения ком­ пенсационных сопротивлений (рис. 14.5). Сопротивление плеч мостовой цепи подобраны так, что токи Л и / 2 нахо­ дятся в определенном соотношении с рабочим током. На­ пример, /i — 10/11 / р; / 2 = 1/11 / Р.

Значения токов / 1 и / 2 не зависят от положения спарен­ ных декадных переключателей, так как изменение положе­ ния SA2 и SA3 не приводит к изменению сопротивлений

плеч мостовой цепи. Компенсирующее напряжение

Сопротивления мостовой декады подобраны так, что от­ счет можно проводить по положениям декадных переклю­ чателей. К преимуществам мостовой схемы относятся от­ сутствие трущихся контактов в компенсационной цепи и неизменность входного сопротивления компенсационной це­ пи при различных значениях измеряемой ЭДС Ех.

Существуют различные компенсаторы постоянного то­ ка. Они могут быть однопредельными и многопредельными, со встроенным или внешним гальванометром, с внутрен­ ним или внешним источником питания, с ручным уравнове­ шиванием, полуавтоматические и автоматические и др.

В компенсаторах высоких классов точности компенса­ ционные сопротивления вместе с соединительными прово­ дами изготовляют из листового стабилизированного и тер­ мокомпенсированного манганина в виде печатных схем. Специальная технология обеспечивает их высокую стабиль­ ность и идентичность температурных характеристик.

Для повышения производительности труда (ускорения процесса уравновешивания) компенсаторы высокого клас­ са точности, изготовляются полуавтоматическими. У таких компенсаторов уравновешивание основной части измеряе­ мого напряжения Ux осуществляется вручную, с помощью

компенсационных декад. Оставшаяся нескомпенсированной часть измеряемого напряжения АЕх уравновешивается ав­

томатически с помощью фотокомпенсационного гальваиометрического усилителя, описанного в гл. 15.

Если компенсаторы с ручным уравновешиванием и по­ луавтоматические используются в основном как образцовые средства измерений для поверки приборов и точных изме­ рений ЭДС, напряжений, тока, сопротивлений и величин, которые в них могут быть преобразованы, то для целен контроля за ходом различных производственных процессов используются автоматические компенсаторы постоянного тока (рис. 14.6).

В одну ветвь моста включен реохорд /?', резисторы Ri и Яз, а в другую — резистор R„lB, который используется

для контроля рабочего тока. Компенсирующее напряжение

Разность измеряемого и компенсирующего напряжений АЕХ= Е Х— UK усиливается усилителем и подается в обмот­ ку управления реверсивного двигателя РД. В зависимости от знака напряжения разбаланса АЕх выходное напряже-

пор, пока не наступит равенство EX= U K.

Чтобы изменения напряжения питания Е не влияли на

показания прибора, в приборах выпуска прежних лет пре­ дусмотрена установка рабочего тока, которая осуществля­ ется автоматически или вручную переключением переклю­ чателя SA в положение К — контроль.

При этом на вход усилителя подается разность между ЭДС нормального элемента НЭ и падением напряжения

/г/?н,э» а двигатель, механически связанный с движком ре­ остата Rp, изменяет ток / 2 до наступления равенства

(14Л2)

В компенсаторах выпусков последних лет используют стабилизированные источники питания, благодаря чему от­ падает необходимость в нормальном элементе и устройст­ ве для контроля и автоматической установки рабочего то­ ка. Класс точности автоматических компенсаторов 0,2—0,5.

14.2.КОМПЕНСАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Вкомпенса-торах переменного тока измеряемое синусо­ идальное напряжение переменного тока Ux уравновешива­

ется (компенсируется) известным синусоидальным напря­ жением UK, создаваемым рабочим током на участках ком­

пенсационной цепи.

Для того чтобы обеспечить компенсацию двух перемен-

ных напряжений (Ux и UK), необходимо обеспечить ра­

венство их по модулю и частоте изменения при условии противоположности фаз и идентичности формы кривой. Первые три условия достигаются путем выбора принципи­ альной схемы компенсатора и питания исследуемой цепи и компенсатора от одного источника. Последнее условие обеспечивается дополнительными мерами.

В качестве нулевого индикатора применяют вибрацион­ ные гальванометры, электронно-лучевые индикаторы или усилители с выпрямительным прибором на выходе.

Пусть мгновенные значения измеряемого ux {t) и ком­

пенсирующего ик (0 напряжений соответственно равны (14.13)

Представим векторы этих величин в алгебраической

У_х — UXX+ i^xyy

(14.14)

и и = и кх — jUKy

и показательной

(14.15)

формах записи.

В соответствии с двумя формами записи векторных ве­ личин в прямоугольных и полярных координатах сущест­ вуют два способа уравновешивания измеряемого напряже­ ния и две разновидности компенсаторов переменного тока.

Прямоугольно-координатные компенсаторы (рис. 14.7, а) состоят из трех контуров: контура рабочего тока h; кон­

тура рабочего тока / 2 и компенсационного контура. Первый контур образован калиброванным резистором

R\ с регулируемым сопротивлением, первичной обмоткой w 1 катушки взаимной индуктивности М, амперметром и ре­ остатом R. Второй контур состоит из вторичной обмотки w2 катушки взаимной индуктивности М, калиброванного резистора R 2 с регулируемым сопротивлением и магазина сопротивлений Rf, Третий контур включает источник изме­ ряемого напряжения UXi нулевой индикатор и включенные участки компенсационных резисторов Г\ и г2.

Рабочий ток 1\ создает на калиброванном резисторе rt

Рис. 14.7. Схема потенциометра, измеряющего Ех в прямоугольной сис­

теме координат (а); и его векторная диаграмма (б)

падение напряжения UKX. Так как заданное значение тока А устанавливается по амперметру, то напряжение UKX оп­ ределяется сопротивлением гх включенной части калибро­ ванного резистора R x, шкала которого может градуировать­

ся в единицах напряжения.

Рабочий ток 12 второго контура смещен относительно

тока А на угол, близкий к 90° (рис. 14.7,6) . Объясняется это тем, что при значительной индуктивности вторичной об­ мотки катушки М ток / 2 практически совпадает по фазе с

ЭДС и, следовательно, отстает по фазе от тока Л на 90° (рис. 14.7,6). Падение напряжения UKy на сопротивлении г2 включенной части резистора R 2, создаваемое током / 2

при постоянном значении тока А и частоте f, также посто­ янно. Таким образом, шкалу калиброванного резистора R 2f так же как и R X) можно проградуировать в единицах на­

пряжения.

Поскольку сопротивления R x и R 2 резисторов чисто ак­ тивны, то напряжения UKX и UKy совпадают по фазе с то­

где © — угловая частота тока; М — коэффициент взаимной индуктивности катушки; R 3— полное активное сопротивле­

ние второго контура, включая сопротивление вторичной об­ мотки w 2.

Из (14.16) следует, что изменение частоты © приводит к изменению тока / 2, а следовательно, к изменению граду*

ировки калиброванного резистора R2. Чтобы сохранить / 2

неизменным при изменении частоты, оператор регулирует сопротивление Яз так, чтобы отношение соM/R3 оставалось

неизменным при всех частотах в пределах рабочего диапа­ зона. Эта регулировка производится с помощью магазина сопротивлений Rf оператором вручную.

Источник измеряемого напряжения Ux соединен после­ довательно с участками Г\ и г2 компенсационных резисто­ ров Rx и R 2. Перемещением движков этих резисторов изме­ няют значения UKX и UKy и добиваются компенсации изме­

ряемого напряжения.

Учитывая, что форма напряжений Ux и UK может отли­

чаться от синусоиды, для фиксации момента равновесия применяют индикаторы переменного тока, настроенные на основную гармонику (например, вибрационный гальвано­ метр). Пренебрежение высшими гармониками вносит до­ полнительную погрешность в результат измерений.

На рис. 14.7, б показаны координатные оси, на которых отложены падения напряжений на г\ и r2 (UKXи UKy). В мо­

мент равновесия, о чем свидетельствует отсутствие тока в компенсационной цепи, геометрическая сумма напряжений Uкх и UKy (UK) равна по модулю измеряемому напряже­ нию Ux, но сдвинута по отношению к нему на 180°.

Фазу и модуль Ux можно найти по составляющим, поль­

зуясь выражениями

(14.17)

|ср| = arctg {JUxylUхзс)»

где ф — угол между вектором Ux и его составляющей U,XX» Значения Uxx и LJxy составляющих вектора измеряемо

го напряжения Ux, определяемые

по (14.14), отсчитываются по шкалам калиброванных резисто­ ров Ri и R2 (UKX и UKy соответ­

ственно) .

В полярно-координатных ком­ пенсаторах (рис. 14.8) уравнове­ шивание измеряемого напряже­ ния Ux производится путем по-

Рис. 14.8. Схема потенциометра, изме­ ряющего Ех в полярной системе коорди­

нат

очередного изменения (регулирования) модуля UK и фа­

зы фк компенсирующего напряжения.

Значение UKопределяется по положению регулирующих

элементов (движков) на шкале калиброванных резисторов Ri и R 2. Фаза напряжений на участке компенсационной це­ пи регулируется фазовращателем ФВ.

При равновесии отсчет сдвига фаз производится по шка­ ле фазовращателя. Необходимое значение рабочего тока устанавливается по амперметру при помощи реостата R.

Потенциометры переменного тока по точности измере­ ний значительно уступают потенциометрам постоянного то­ ка. Их классы точности находятся в пределах от 0,1 до 2,5. Это объясняется отсутствием образцовых источников ЭДС переменного тока, в связи с чем установка рабочего тока производится с помощью приборов ограниченной точности, обычно по амперметрам класса 0,1 электродинамической си­ стемы.

Существенные погрешности вносят неполная компенса­ ция фазы в полярно-координатных компенсаторах и отли­ чие от 90° сдвига фаз токов 1\ и / 2 в прямоугольно-коорди­

натных.

Основное назначение компенсаторов переменного то­ ка— исследование маломощных цепей переменного тока. С их помощью можно измерять переменные напряжения, ЭДС, а косвенными методами — ток, сопротивление, ха­ рактеристики магнитного поля и параметры магнитных це­ пей.

Для измерений на промышленной частоте используют прямоугольно-координатные компенсаторы переменного тока, с помощью которых можно измерить комплексные напряжения от единиц до сотен вольт с погрешностью око­ ло 0,5 % •

Широкое применение нашли в последнее время автома­ тические компенсаторы переменного тока, которые могут быть как полярно-, так и прямоугольно-координатными. Одна из схем прямоугольно-координатного автоматическо­ го компенсатора приведена на рис. 14.9. Разность между измеряемым напряжением Ux и геометрической суммой со­ ставляющих UKX и и ку компенсирующего напряжения UK

(угол сдвига фаз между ними 90°) подается на усилитель напряжения УН и через усилители мощности УМ1 и УМ2—

на обмотки фазочувствительных реверсивных двигателей

РД1 и РД2.

Наличие фазосдвигающей цепочки ФЦ позволяет до-

Рис. 14.9. Схема прямоугольно-координатного автоматического компен.« сатора

биться условия срабатывания РД1 и РД2 от составляющих

напряжения небаланса, одна из которых находится в фа­ зе с Uкл-, а другая — с UKy. Оба реверсивных двигателя ра­ ботают до тех пор, пока измеряемое напряжение Ux не бу­

дет скомпенсировано составляющими компенсирующего на­ пряжения. Процесс уравновешивания длится 3—4 с.

Г лава п я т н а д ц а т а я

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

15.1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ

Ток и напряжение — основные параметры, характери­ зующие режим электрической цепи. Методы измерения и приборы, применяемые для измерения этих величин, раз­ личны и зависят от частоты тока, значения измеряемой ве­ личины, требуемой точности, формы кривой и т. д.

Следует учитывать, что с включением амперметра или вольтметра в электрическую цепь может измениться изме­ ряемая величина. Это вызвано тем, что сопротивление ам­ перметра отлично от нуля, а сопротивление вольтметра не бесконечно, вследствие чего приборы потребляют мощ­ ность от источника измеряемой величины.

Погрешность, возникающая в результате включения из­ мерительных приборов в исследуемую цепь и обусловлен­ ная потребляемой ими мощностью, является частью мето-

дической погрешности. Далее для описания этого явления будем пользоваться термином «методическая погрешность».

Определим методическую погрешность, возникающую при включении амперметра в электрическую цепь. Пусть требуется измерить ток в цепи, имеющей сопротивление R, к которой приложено напряжение U. Ток в этой цепи

/* = т .

После включения амперметра, имеющего сопротивление RA, ток в цепи изменяется и делается равным

Следовательно, при измерении тока необходимо выби­ рать такие приборы, у которых потребляемая мощность зна­ чительно меньше мощности, рассеиваемой в исследуемой цепи. Этим и объясняется стремление иметь в амперметрах возможно меньшее сопротивление.

Аналогично напряжение Ux на зажимах некоторого ре­ зистора с сопротивлением R

UX = IR = ER/(R + Я0),

где Е — ЭДС источника; R 0— собственное сопротивление

источника.

После включения вольтметра, имеющего собственное со­ противление Rv, параллельно резистору R напряжение V.

на зажимах этого резистора оказывается равным

6v в этом случае

ное сопротивление RH. Если ток / ь ответвляющийся в галь­

ванометр из исследуемой цепи, не равен току / 2, который ответвляется от него через резисторы RK и Ra из выходной

цепи, через гальванометр проходит ток. Зеркальце галь­ ванометра поворачивается, и изменяется распределение света между фоторезисторами Фрх и Фр2. Это вызывает из­ менение тока в цепи резисторов и тока через RK, т. е. / 2.

Для измерения малых постоянных напряжений можно использовать магнитоэлектрические гальванометры, потен­ циометры постоянного тока, стрелочные магнитоэлектриче­ ские приборы. Последние применяют как самостоятельно, так и в сочетании с электронными и фотогальваиометрическими усилителями. С помощью магнитоэлектрических гальванометров можно измерять напряжения около 10~7— ю - а В.

Использование потенциометров постоянного тока по сравнению с гальванометрами существенно снижает инст­ рументальную и методическую погрешности, но связано с увеличением времени измерения.

Для измерения напряжений около 10-6— 10-7 В можно использовать нановольтметры, состоящие из фотогальванометрического или полупроводникового усилителя, к выхо­ ду которого присоединен измерительный механизм магни­ тоэлектрической системы. Классы точности этих приборов 1,0— 1,5.

Милливольтметры магнитоэлектрической системы ис­ пользуются для измерения напряжений от 10-4 В и отли­ чаются простотой и удобством в эксплуатации. Классы точ­ ности милливольтметров не лучше 0,2; 0,5.

Постоянные токи от 1 мкА до 6 кА и напряжения от 1 мВ до 1,5 кВ обычно измеряют приборами магнитоэлек­ трической системы. В микро- и миллиамперметрах этой си­ стемы весь ток протекает через рамку измерительного ме­ ханизма. Этот ток, как правило, не превышает 30— 50 мА. Для расширения пределов измерения по току применяют шунты, а по напряжению — добавочные резисторы. Наибо­ лее точные приборы магнитоэлектрической системы, пред­ назначенные для измерений токов и напряжений в рассмат­

риваемом диапазоне, имеют классы точности 0,1; 0,2. Приборы электродинамической системы предназначены

для измерения постоянных и переменных токов от 10 мА до 100 А и напряжений до 600 В. По точности они эквива: лентны приборам магнитоэлектрической системы, но по­ требляют значительно большую мощность и имеют нерав­ номерную шкалу.

Приборы электромагнитной системы используются для измерения постоянных и переменных токов от 10 мА до 200 А и напряжений до 600 В. Наиболее точные приборы этой системы имеют классы точности 0,2; 0,5. Их главное достоинство — низкая стоимость.

Для измерения постоянных напряжений в диапазоне от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт применя­

точные приборы этой системы имеют класс точности 0,05. Однако точные электростатические приборы сложны и до­

возможность измерять постоянные токи до нескольких ты­ сяч ампер.

Для измерения постоянного напряжения до 6 кВ обыч­ но применяют магнитоэлектрические вольтметры с доба­ вочными сопротивлениями. При больших напряжениях ис­ пользование добавочных сопротивлений нежелательно изза их громоздкости и значительной мощности, потребляе­ мой ими. В этих случаях применяют электростатические вольтметры.

15.3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТОКОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Приборы электродинамической, ферродинамической, электромагнитной, электростатической и термоэлектричес­ кой систем реагируют на действующее значение измеряе­ мой величины. Приборы выпрямительной системы реаги­ руют на среднее значение измеряемой величины. Вольт­ метры и амперметры всех систем обычно градуируют в действующих значениях при синусоидальной форме кривой тока. При несинусоидальной форме кривой у приборов, реа­ гирующих на среднее или амплитудное значение тока (на-

Рис. 16.1. Схема включения .ваттметра в цепь постоянного тока с раз» личным сопротивлением нагрузки

большое распространение из-за широкой доступности этих приборов и простоты схемы. Однако в этом случае необ­ ходимо проводить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, что усложняет измерение и снижает его точ­ ность.

Более просто и точно мощность находят непосредствен­ но с помощью электродинамического ваттметра. На рис. 16.1 показана схема включения ваттметра PW для изме­

рения мощности Р.

Генераторный зажим токовой обмотки ваттметра всег­ да подключается к источнику питания. Генераторный за­ жим обмотки напряжения может включаться двояко в це­ лях уменьшения методической погрешности (рис. 16.1).

Схема рис. 16.1, а применяется при относительно боль­ шом значении сопротивления нагрузки Р наг, а схема рис. 16.1,6 — при относительно малом значении сопротивления нагрузки. (Сопротивление нагрузки сравнивается с сопро­ тивлением токовой цепи, которое всегда указывается на циферблате прибора.)

В большинстве случаев значение сопротивления нагруз­ ки намного больше сопротивления последовательной токо­ вой цепи ваттметра, поэтому схема рис. 16.1, а применяет­

ся чаще.

16.3.ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

ВЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Измерение активной мощности в однофазной цепи про­ изводится обычными ваттметрами. В лабораторных усло­ виях для измерения мощности в трехфазных цепях также можно использовать один, два или три обычных ваттмет­ ра, включаемых по методу одного, двух или трех приборов. Однако при технических измерениях, как правило, в этом случае используются специальные двух- и трехэлементные ваттметры. Эти приборы имеют соответственно по два или

А

О

суммируются. Расширение диапазонов измерения во всех случаях применения ваттметров в цепях переменного тока осуществляется с помощью измерительных трансформато­ ров тока и напряжения.

Схема включения ваттметра в однофазную цепь пере­ менного тока аналогична схеме рис. 16.1.

На рис. 16.2 показано включение ваттметра в симмет­ ричную трехфазную трехпроводную цепь. Если ваттметр невозможно включить в фазу так, как это показано на рис.

помощью двух одинаковых резисторов (сопротивление каж­ дого резистора равно сопротивлению цепи обмотки напря­ жения ваттметра) и сопротивления цепи обмотки напря­ жения, значение которого приведено на циферблате прибо­ ра либо в техническом паспорте на данный прибор.

Включение ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь по схеме с искусственной нулевой точкой показано на рис. 16.3.

Анализируя схемы включения ваттметров, приведенные на рис. 16.2, нетрудно видеть, что показание ваттметра со­ ответствует мощности одной фазы. Мощности одной фазы соответствует также показание ваттметра, включенного по схеме рис. 16.3. Фазное напряжение UA , на которое вклю­

чена обмотка напряжения ваттметра, равно UAB/ Y 3 . Ли­

нейный ток U в токово й обмотке ваттметра равен IAB Y 3.

Следовательно, показание ваттметра будет

Рис. 16.5. Схема включения двух ваттметров в трехфазную трехпровод­ ную цепь (д) и векторная диаграмма цепи (б)

На рис. 16.5 приведена схема включения двух ваттмет­ ров и векторная диаграмма цепи для частного случая сим­ метрии токов и напряжений. Нетрудно видеть, что показа­ ние ваттметра PW1 в этом случае равно

Р — P\Vi ~\~ Р^г ~ Un 1л cos (30° ср) -f- Ua /л cos (30° — cp).

После несложных преобразований имеем

Р = Uл / л • 2 cos 30° cos ср = ]/3 и л /л cos ср.

Таким образом, сумма показаний ваттметров PW1 и PW2 есть не что иное, как активная мощность трехфазной

цепи.

По такой же схеме (рис. 16.5) включают токовые об­ мотки и обмотки напряжения трехфазных двухэлементных ваттметров. Расширение диапазонов измерения в этих при­ борах, так же как и в одноэлементных однофазных ватт­ метрах, осуществляется с помощью измерительных транс­ форматоров тока и напряжения.

При измерении мощности в несимметричной трехфаз­ ной четырехпроводной цепи используется метод трех при­ боров, причем вместо трех одноэлементных ваттметров

Рис. 16.7. Использование ваттметра для измерения реактивной мощно­ сти в симметричной трехфазной трехпроводной цепи

На рис. 16.7, а приведена схема включения ваттметра в симметричную трехфазную трехпроводную цепь. Обмот­ ка напряжения ваттметра при измерении реактивной мощ­ ности включена на замененное напряжение. В данном слу­

Такой метод определения реактивной мощности приме­ ним только в лабораторных условиях, поскольку даже не­ значительная асимметрия токов в трехфазной цепи приво­ дит к большим погрешностям.

Рассмотрим схему включения двух однофазных ватт­ метров PW1 и PW2 в трехфазную трехпроводную цепь (рис.

16.8,а), предполагая для упрощения, что токи симметрич­ ны (схема пригодна и при асимметрии токов). Из вектор­ ной диаграммы (рис. 16.8,6) видно, что замененным по от­ ношению к напряжению UAB будет фазное напряжение Uс, а по отношению к напряжению UCB— напряжение UA.

Для получения этих напряжений создается схема с искус­ ственной нулевой точкой 0 (рис. 16.8,а). Это достигается с помощью резистора R, сопротивление которого должно

быть равно сопротивлению цепи обмотки напряжения ватт­ метра. Как видно из рис. 16.8, а, на обмотки напряжения

Рис. 16.8. Использование двух ваттметров для измерения реактивной мощности в трехфазной трехпроводной цепи

ваттметров PW1 и PW2 подаются фазные напряжения UA и Uс, причем на обмотку напряжения ваттметра PW2 по­ дано напряжение UA со знаком плюс (генераторный за­

жим обмотки напряжения включен на фазу Л), а на обмот­

Рис. 16.9. Использование трех ваттметров для измерения реактивной мощности в трехфазной четырехпроводной цепи

Для получения реактивной мощности всей цепи необ­

Реактивную мощность в трехфазных четырехпроводных цепях можно измерить с помощью трех одноэлементных

упрощения векторная диаграмма построена для симмет­ ричной трехфазной цепи).

Определим показания ваттметров

По схеме рис. 16.9, а включают элементы трехфазных

ваттметров, выпускаемых промышленностью. Необходимая математическая операция, связанная с делением на У 3,

менты счетчика, создающие вращающий момент, включа­ ются в трехфазиую четырехпроводиую цепь точно так же, как включаются три ваттметра для измерения в такой це­ пи активной мощности, т. е. применяется метод трех при­ боров (см. рис. 16.6).

При включении счетчиков по одной из двух указанных схем общий расход электроэнергии определяют как сумму показаний соответственно двух или трех счетчиков. При необходимости включения счетчиков через измерительные трансформаторы следует пользоваться соответствующими схемами включения ваттметров (см. § 16.3).

Для учета реактивной энергии в трехфазных трехпро­ водных и четырехпроводиых цепях используют трехфазные трехэлементные счетчики реактивной энергии СР4. Вклю­ чение элементов счетчика производится по правилам вклю­ чения на замененные напряжения в соответствии со схе­ мами рис. 16.8, а и 16.9, а для обычных ваттметров при из­ мерениях реактивной мощности. В этом случае количество реактивной энергии подсчитывается по показаниям счет­ чиков по формулам, приведенным для вычисления реактив­ ной мощности, и соответствующим схемам включения ватт­ метров (см. § 16.4).

Г л а в а с е м н а д ц а т а я

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ, ЕМКОСТЕЙ, ИНДУКТИВНОСТЕЙ

17.1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Диапазон измеряемых на практике сопротивлений до­

в каждой из которых измерение имеет свои особенности. Если при поверке образцовых мер сопротивлений по­ грешность измерений не должна превышать десятитысяч­ ных долей процента, то при измерении переходного сопро­ тивления контактов, сопротивления заземления или сопро­ тивления изоляции вполне допустима погрешность 5—10 %.

Термо-ЭДС образуется в местах соединения двух разнородных проводников; она зависит от материалов проводников и температуры места их соединения и в ряде случаев достигает сотен микровольт. Тер­ мо-ЭДС потенциальных зажимов (в\ и е2, рис. 17.2) суммируются с

напряжением, снимаемым с потенциальных зажимов, и могут вносить значительную погрешность в результат измерения. Основные приемы борьбы с термо-ЭДС заключаются в выравнивании температур потен­ циальных зажимов (если разность температур между потенциальными зажимами равна нулю, то и термо-ЭДС между ними отсутствует), а так­ же в проведении двух измерений напряжения U при разных направле­

ниях тока /. Термо-ЭДС и ее полярность не зависят от направления то­ ка /, а направление Ux — зависит (рис. 17.2). В результате измерения

получают два значения напряжения

измеряемого резистора (см. рис. 13.2).

Достаточно точно можно измерить малые сопротивления с помощью компенсатора постоянного тока (см. рис. 14.2). Его применение ограни­ чивается сложностью и влиянием нестабильности рабочего тока, что особенно ощутимо при измерении малых сопротивлений. Все перечис­ ленные методы измерений малых сопротивлений предполагают ограниче­ ние тока через резистор до такого уровня, при котором можно прене­ бречь влиянием нагрева резистора этим током; другими словами, долж­ на оговариваться допустимая мощность рассеяния на резисторе.

Особенности измерений больших сопротивлений. При измерении со­ противления изоляции, определении характеристик полупроводниковых и изоляционных материалов, подгонке сопротивлений высокоомного де­ лителя напряжений или высокоомных декад магазинов сопротивлений и в других подобных случаях измеряемые сопротивления находятся в пределах от 10е до 101е Ом и более.

Измерения больших сопротивлений имеют свои особенности. Значе­ ние измеряемого сопротивления становится соизмеримым с сопротивле­ нием изоляции, поэтому необходимы специальные меры борьбы с токами утечки. На результат измерений сильное влияние оказывают внешние условия — температура окружающей среды, влажность, значение напря­ жения, приложенного к резистору, сопротивление которого измеряется, длительность воздействия этого напряжения и др., а также необходи-

Рис. 17.3. Способы защиты мостов постоянноге тока от токов утеч­ ки

мость использования в процессе измерения источников питания высокого напряжения и чувствитель­ ных средств измерений.

При измерении сопротивления диэлектриков необходимо разли­ чать поверхностный и объемный токи и соответствующие им со­ ставляющие сопротивления.

Измерение больших сопротивлений с высокой точностью произво­ дится компенсаторами постоянного тока, одинарными мостами постоян­ ного тока Р369, Р3009 (до 10'° Ом) и специальными высокоомными мос­ тами до 1010 Ом. Верхний предел измерений одинарного моста без за­ щиты от влияний токов утечки составляет 105 Ом, а при наличии специ­ альных схемных методов защиты — до 10й—10’° Ом.

Защита состоит в размещении плеч мостовой схемы на экране (ме­ таллической панели самого прибора), к которому присоединяют также экраны измеряемого сопротивления, нулевого индикатора и источника напряжения. На экран подают напряжение, равное напряжению изме­ рительной диагонали, с помощью специальной схемы (защитной ветви Яви Ям) (рис, 17.3, а) или без нее. В последнем случае с экраном (по­

личии защитной ветви обеспечивается лучшее ослабление влияния то­ ков утечки на результат измерений.

Метод амперметра и вольтметра при измерении сопро­ тивлений. Среди косвенных методов измерения сопротив­ лений широкое применение нашел метод амперметра и вольтметра, который отличается широким диапазоном из­ меряемых сопротивлений (от 10_6 до 1013 Ом) и просто­ той. При измерении больших сопротивлений вместо ампер­ метров используются гальванометры.

Измерив напряжение и ток по одной из схем, приведен­ ных на рис. 17.4, значение измеряемого сопротивления на­ ходят из выражения RX— UV / I A , где Uy, / Л — напряжение

и ток по показаниям вольтметра и амперметра. Погрешность метода зависит от мощности, потребляе­

мой приборами, и схемы их включения. Для схемы, изоб­ раженной на рис. 17.4, а, показание вольтметра соответст­ вует падению напряжения на резисторе Rx, сопротивление

Рис. 17.7. Схема измерения сопротивлений изоляции экранированного кабеля

но с одной из рамок логометра, либо параллельно. Если

Логометрические омметры — приборы невысокого клас­ са точности (1,5; 2,5; 4,0). Погрешность омметра указыва­ ют в процентах длины рабочей шкалы.

Особенности измерения сопротивления изоляции. Для измерения сопротивления изоляции экранированного кабе­ ля, не находящегося под рабочим напряжением, преиму­ щественно применяют электромеханические логометрические мегаомметры. Особенность таких измерений заключа­ ется в необходимости устранения влияния токов поверхно­ стной утечки Is (рис. 17.7) на результат измерения объем­

ного сопротивления изоляции. Для этого на изоляцию кон­ цов кабеля накладывают металлические защитные кольца К (несколько витков голой медной проволоки), которые подключают к зажиму 3 мегаомметра. В этом случае ток

по поверхности изоляции кабеля проходит между защит­ ными кольцами К и экраном Э кабеля, минуя рамки лого-

метра. Разность потенциалов между защитными кольца­ ми и жилой кабеля пренебрежимо мала по сравнению с рабочим напряжением мегаомметра (практически она рав­ на падению напряжения на рамке логометра), и на этом участке поверхности изоляции ток практически не прохо­ дит. Таким образом, показания мегаомметра зависят лишь от тока Iv в объеме изоляции между жилой и экраном ка-

иI\

Рис. 17.9. Эквивалентные схемы замещения и векторные диаграммы кон­ денсаторов

которые бы в чистом виде содержали только один из пара­ метров— емкость С, индуктивность L, взаимную индуктив­ ность М, сопротивление R. Например, любой конденсатор

помимо емкости характеризуется также сопротивлением потерь и сопротивлением изоляции между его обкладка­ ми; катушка индуктивности имеет активное сопротивление обмотки и межвитковую емкость. Однако на практике эти элементы электрической цепи часто представляют упро­ щенными схемами замещения, содержащими только два наиболее существенных элемента (R и С, R и L).

На рис. 17.9 показаны две наиболее распространенные эквивалентные схемы и векторные диаграммы конденсато­ ров— последовательная и параллельная. В конденсаторе ток опережает напряжение на угол меньший 90°. Угол б, дополняющий угол между током и напряжением в цепи конденсатора до 90°, называется углом диэлектрических потерь.

Конденсаторы принято характеризовать двумя парамет­ рами: емкостью С и тангенсом угла диэлектрических по­

активном сопротивлении и емкости (применяется для кон­ денсаторов с малыми потерями), а в параллельной схеме (рис. 17.9,6)— отношение токов (для конденсаторов с большими потерями).

При измерении параметров катушки индуктивности в ней обычно выделяют и измеряют значение индуктивности L и сопротивление потерь R (рис. 17.10) или добротности

шо

осуществляют эквипотенциальное экранирование тех уча­ стков схемы моста, токи утечки которых могут иметь наи­ большее влияние на результат измерений. Это становится необходимым при измерении малых емкостей (0,001 мкФ и менее).

Мосты для измерений индуктивности. Катушка индук­ тивности, параметры которой измеряются, включается в од­ но из плеч четырехплечего моста, например в первое пле­ чо Zi=Ri-\-j(aLi. Чтобы мост можно было уравновесить,

по крайней мере одно из оставшихся плеч должно содер­ жать реактивность в виде индуктивности или емкости.

Чаще применяют емкость, так как катушки индуктив­ ности по точности изготовления уступают конденсаторам, а стоят дороже. Схема такого моста показана на рис. 17.13.

Для этой схемы

мость. моста при измерении параметров катушек с низкой добротностью. Если Q= 1, про­

цесс уравновешивания уже за­ труднен, а при Q < 0 ,5 уравнове­ шивание моста практически не­ возможно.

Измерение параметров кату-

Рис. 17.14. Схема шестиплечего моста для измерения параметров катушек ин­ дуктивности

подвижной катушки 2 подбираются так, что частота резо­

нанса напряжений близка к средней частоте диапазона из­

тока / 2), а отношение токов I\/l2— Z2/Z\ (Zx— полное со­

противление цепи тока /]), то (18.1) можно переписать в виде

“=f ( t cos'hH (x )-

но показать, что отклонение стрелки логометра является функцией частоты и, следовательно, шкала его может быть отградуирована в единицах частоты.

На рис. 18.3 дана схема электромагнитного частотоме­ ра. При изменении частоты токи 1\ и 12 будут изменяться

неодинаково, так как характер сопротивлений цепей этих токов различен. Например, с увеличением частоты ток Л будет уменьшаться, а ток 12 увеличиваться. Таким обра­

зом, отношение этих токов, а следовательно, и показания прибора, зависят от частоты.