Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительный трансформатор напряжения представляет собой понижающий трансформатор с таким отношением витков w₁/w₂, чтобы при U₁ = U_сети; U₂ = 100 В.

Во вторичную цепь включаются вольтметры, частотомеры, обмотки напряжения ваттметров, счетчиков и фазометров. Так как электрическое сопротивление этих приборов велико (порядка 1000 Ом), то трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу. Такой режим связан с большими магнитными потерями, а это, в свою очередь, приводит к увеличению размеров магнитопровода и устройству специального масляного охлаждения.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Измерительные трансформаторы тока

Измерительные трансформаторы тока применяются для включения в сеть амперметров, обмоток тока ваттметров, счетчиков и фазометров.

Первичная обмотка трансформатора тока выполняется из провода большого поперечного сечения и включается в цепь последовательно.

Вторичная обмотка выполняется всегда на ток I₂ = 5А. Рабочий режим трансформатора тока близок к короткому замыканию, поэтому размеры магнитопровода у него значительно меньше, чем у трансформатора напряжения.

Эксплуатация измерительных трансформаторов

Для определения напряжения или тока в цепи необходимо показания приборов умножить на коэффициент трансформации измерительных трансформаторов. В целях безопасности нельзя оставлять вторичную обмотку трансформатора тока разомкнутой, если первичная включена в сеть. В этом режиме напряжение U₂ возрастает до нескольких тысяч вольт.

Разновидностью измерительного трансформатора тока являются токоизмерительные клещи с разъемным магнитопроводом, где роль первичной обмотки выполняет сам провод, по которому течет измеряемый ток.

Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае:

R = U / I

Приборы для измерения электрического сопротивления

Можно использовать омметр – прибор непосредственного отсчета. Существуют две схемы омметра:

Схемы включения омметра

Рис. 1: а – последовательная; б – параллельная

Уравнение шкалы последовательной схемы измерения:
где Г – сопротивление цепи гальванометра. При U = const угол поворота подвижной части прибора определяется величиной измеряемого сопротивления Rx. Поэтому шкала прибора может быть непосредственно проградуирована в Омах. Ключ K используется для установки стрелки прибора в нулевое положение. Омметры параллельного типа удобнее применять для измерения небольших сопротивлений.

Логометр

Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами. На рисунке 2 приведена принципиальная схема логометра.

Схема логометра

Рис. 2

Для этой схемы имеем:

Отклонение подвижной части логометра:

Таким образом, показание прибора не зависит от напряжения источника питания и определяется величиной измеряемого сопротивления Rx.

Приборы этой системы имеют неподвижную катушку – 1 и подвижную часть в виде стального сердечника – 2, связанного с индикаторной стрелкой – 3 противодействующей пружины – 4.

Измеряемый ток, проходя по катушке, намагничивает сердечник и втягивает его в катушку. При равенстве вращающего и тормозящего моментов система успокоится. По углу поворота подвижной части определяют измеряемый ток (см. измерение тока).

Среднее значение вращающего момента пропорционально квадрату измеряемого тока:
Так как тормозящий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части, уравнение шкалы прибора запишем в виде:

Другими словами, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату действующего значения переменного тока.

Прибор электромагнитной системы

Достоинства электромагнитной системы

• простота конструкции;
• надежность в работе;
• стойкость к перегрузкам.

Недостатки электромагнитной системы

• низкая чувствительность;
• большое потребление энергии;
• небольшая точность измерения;
• неравномерная шкала.

P = U I

Метод амперметра и вольтметра пригоден и для измерения полной мощности, а также активной мощности переменного тока, если cosφ = 1.

Измерение мощности тока

Чаще всего измерение мощности осуществляется одним прибором – ваттметром. Как было сказано ранее, для измерения мощности лучшей является электродинамическая система.

Ваттметр снабжен двумя измерительными элементами в виде двух катушек: последовательной и параллельной. По первой катушке течет ток, пропорциональный нагрузке, а по второй – пропорциональный напряжению в сети. Угол поворота подвижной части электродинамического ваттметра пропорционален произведению тока и напряжения в измерительных катушках:

α = k I U = k P

Схема включения ваттметра

Рис. 1

Измерение мощности в трехфазных цепях

В трехфазных цепях для измерения мощности используют один, два и три ваттметра. Если нагрузка симметричная и включена «звездой», то достаточно одного ваттметра (рис. 2, а). Если в этой же схеме нагрузка несимметрична по фазам, то используются три ваттметра (рис. 2, б).

Схемы измерения мощности

Рис. 2

В схеме соединения потребителей «треугольником» измерение мощности производится двумя ваттметрами (рис. 2, в).

Измерение тока производится прибором, называемым амперметром. Существуют четыре схемы включения амперметра в цепь. Первые две (рис. 1) предназначены для измерения постоянного тока, а две вторые схемы – для измерения переменного тока.

Схемы измерения тока

Рис. 1: R_ш – сопротивление шунта; ИТТ – измерительный трансформатор тока

Вторая и четвертая схемы применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования:

I_ист = I_изм k_пр

где I_ист – истинное значение тока, I_изм – измеренное значение тока, k_пр – коэффициент преобразования.

Измерение напряжения

Измерение напряжения производится вольтметром. Здесь также возможны четыре различных схемы подключения прибора.

Схемы измерения напряжения

Рис. 2: R_доп – дополнительное сопротивление; ИТН – измерительный трансформатор напряжения

В этих схемах также используются методы расширения пределов измерения напряжения (вторая и четвертая схемы).

Индукционная система

Принцип действия индукционной системы основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых катушками тока и напряжения с вихревыми токами, наводимыми магнитным полем в алюминиевом диске.

Прибор индукционной системы

Электрический счетчик содержит магнитопровод – 1 сложной конфигурации, на котором размещены две катушки; напряжения – 2 и тока – 3. Между полюсами электромагнита помещен алюминиевый диск – 4 с осью вращения – 5.

Вращающий момент, действующий на диск, определяется выражением:

M_вр = k_i Φ_U Φ_I sinψ

где Ф_U – часть магнитного потока, созданного обмоткой напряжения и проходящего через диск счетчика; Ф_I – магнитный поток, созданный обмоткой тока; ψ – угол сдвига между Ф_U и Ф_I. Магнитный поток Ф_U пропорционален напряжению Ф_U = k₂ U. Магнитный поток Ф_I пропорционален току Ф_I = k₃ I.

Для того чтобы счетчик реагировал на активную энергию, необходимо выполнить условие:

sinψ = cosφ

В этом случае вращающий момент пропорционален активной мощности нагрузки:

M_вр = k₁ k₂ k₃ U I cosφ = k₄ P

Противодействующий момент создается тормозным магнитом – 6 и пропорционален скорости вращения диска:

В установившемся режиме M_вр = M_пр диск вращается с постоянной скоростью. Приравниваем два последних уравнения и решаем полученное уравнение относительно угла поворота диска:

Таким образом, угол поворота диска счетчика пропорционален активной энергии. Следовательно, число оборотов диска n тоже пропорционально активной энергии.

Прибор электродинамической системы

Из уравнения α = k’ I₁ I₂ видно, что шкала электродинамической системы имеет квадратичный характер. Для устранения этого недостатка подбирают геометрические размеры катушек таким образом, чтобы подучить шкалу, близкую к равномерной.

Эти системы чаще всего используются для измерения мощности, то есть в качестве ваттметров, тогда:

α = k’ I U cosφ = k’ P

В этом случае шкала ваттметра равномерная.

Достоинства электродинамической системы

• высокая точность измерения.

Недостатки электродинамической системы

• малая перегрузочная способность;
• низкая чувствительность к малым сигналам;
• заметное влияние внешних магнитных полей.

Прибор магнитоэлектрической системы

Это взаимодействие вызывает вращающий момент, под действием которого рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол. Спиральная пружина, в свою очередь, вызывает противодействующий момент.

Так как вращающий момент пропорционален току, M = kI, а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин M_пр = D_α, то можно написать:

где k и D – коэффициенты пропорциональности. Из написанного следует, что угол поворота рамки:

А ток в катушке:

где S_I = α/I – чувствительность прибора к току, определяемая числом делений шкалы, соответствующая единице тока; C_I – постоянная по току, известная для каждого прибора.

Следовательно, измеряемый ток можно определить произведением угла поворота (отсчитывается по шкале) и постоянной по току C_I.

Достоинства магнитоэлектрической системы

• высокую точность и чувствительность;
• малое потребление энергии.

Недостатки магнитоэлектрической системы

• сложность конструкции;
• чувствительность к перегрузкам;
• возможность измерять только постоянный ток (без дополнительных средств).

Мера – это средство измерения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор – это средство измерения, в котором вырабатывается сигнал, доступный для восприятия наблюдателем.

Меры и приборы подразделяются на образцовые и рабочие. Образцовые меры и приборы служат для поверки по ним рабочих средств измерений. Рабочие меры и приборы служат для практических измерений.

Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

• методу измерения;
• роду измеряемой величины;
• роду тока;
• степени точности;
• принципу действия.

Существует два метода измерения. Классификация электроизмерительных приборов по методу измерения:

1. Метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величин.
2. Метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов.

Классификация электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины:

• для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры);
• для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры);
• для измерения мощности (ваттметры);
• для измерения энергии (электрические счетчики);
• для измерения угла сдвига фаз (фазометры);
• для измерения частоты тока (частотомеры);
• для измерения сопротивлений (омметры).

Классификация электроизмерительных приборов по роду тока:

• постоянного;
• переменного однофазного;
• переменного трехфазного тока.

Классификация электроизмерительных приборов по степени точности: по степени точности приборы подразделяются на следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0. Класс точности не должен превышать приведенной относительной погрешности прибора, которая определяется по формуле:

где А – показания поверяемого прибора; А₀ – показания образцового прибора; A_max – максимальное значение измеряемой величины (предел измерения).

Системы измерительных приборов

Классификация электроизмерительных приборов по принципу действия: различают системы электроизмерительных приборов. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Существуют следующие основные системы измерительных приборов:

• магнитоэлектрическая;
• электромагнитная;
• электродинамическая;
• индукционная.

Классификация горелок 1
Классификация горелок 2

Сильфонный блок состоит из соединенных между собой сильфонов 2 и 6, изнутри наполненных жидкостью, которая состоит из 67 % воды и 33 % глицерина.

Расход газа можно измерять при помощи ротационных счетчиков газа (см. Счетчики газа ротационные).

Сильфоны связаны между собой штоком 8. Импульс в сильфон 2 подводится до диафрагмы, а в сильфон 6 импульс подводится после диафрагмы.

Сильфонный дифманометр

1 – сильфонный блок; 2 – плюсовый сильфон; 3 – рычаг; 4 – ось; 5 – дроссель; 6-минусовый сильфон; 7 – сменные пружины; 8 – шток

В процессе более высокого давления левый сильфон сжимается, и находящаяся в нем жидкость, через дроссель 5 перетекает в правый сильфон. Жестко соединяющий донышки сильфонов шток 8, перемещается вправо и через рычаг 3 приводит во вращение ось 4, кинематически связанную со стрелкой и пером регистрирующего и показывающего прибора.

С помощью дросселя 5 регулируется скорость перетекания жидкости, что снижает влияние пульсации давления на работу прибора. Сменные пружины 7 применяются для соответствующего предела измерения.