2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Читать в pdf

Приборы с электростатическим измерительным механизмом

У приборов с электростатическим ИМ вращающий момент соз­дается за счет кулоновского взаимодействия электрически заря­женных пластин, одна из которых подвижная, а другая непод­вижная. Вращающий момент М_вр определяется зависимостью

где U — напряжение между пластинами;

С — электрическая емкость, зависящая от размеров и формы пластин, расстояния между ними;

dC / dα — производная от емкости по углу поворота подвижной части ИМ, так как при этом изменяется либо площадь взаимодей­ствия пластин, либо расстояние между ними.

Уравнение преобразования у таких ИМ имеет следующий вид:

Чувствительность по напряжению электростатических ИМ S_U в соответствии с формулой (8) определяется зависимостью

Как следует из формулы (29), чувствительность электростати­ческих ИМ зависит от измеряемой величины и от перемещения их подвижной части и поэтому является величиной непостоян­ной: S_I ≠ const.

Характер шкалы приборов с электростатическим ИМ неравно­мерный, степенной, что объясняется нелинейной, степенной за­висимостью (28) показаний прибора от измеряемой величины.

Чувствительность вольтметров и амперметров с электростати­ческим ИМ низкая, что объясняется слабыми кулоновскими си­лами, создающими вращающий момент.

Однако за счет мини­мального потребления энергии и почти полного отсутствия влия­ния на показания приборов температуры, внешних магнитных полей и частоты измеряемого напряжения точность приборов с электростатическим ИМ может быть достаточно высокой.

Амперметры и вольтметры с электростатическим ИМ работают как на постоянном, так и на переменном токе. Это объясняется тем, что сила тока в уравнение преобразования (28) электроста­тического ИМ входит во второй степени. На переменном токе показания приборов с электростатическим ИМ соответствуют действующим значениям измеряемых величин.

Частотный диапазон приборов с электростатическим ИМ дос­таточно широк и ограничен частотами до 20 МГц. Это объясняет­ся малой емкостью входного сопротивления измерительного ме­ханизма.

Зависимость показаний приборов с электростатическим ИМ от формы измеряемого напряжения или тока очень слабая, так как входное сопротивление у этих ИМ остается практически оди­наковым даже для гармоник очень высоких частот.

Для наглядности сравнительная оценка электромеханических измерительных приборов с различными измерительными меха­низмами сведена в табл. 2.

Условные обозначения в табл. 2 приняты те же, что и в тексте, за исключением следующих:

I─; U─ — значения постоянных силы тока и напряжения;

I~; U~ — действующие значения переменных силы тока и на­пряжения;

А = Bswkт;

R_∑ = (R_т + R_пр + R_и).

Величины, входящие в формулы для расчета А и R_∑ пояснены в тексте.

Особенности построения ваттметров и варметров

Для измерения мощности в цепях постоянного тока используют ваттметры с электродинамическим или ферродинамическим ИМ.

В цепях переменного тока применяют:

для измерения активной мощности — ваттметры;

для измерения реактивной мощности — варметры.

И в тех и других приборах переменного тока также используют электродинамические или ферродинамические ИМ. Далее оста­новимся лишь на приборах переменного тока.

Как было показано ранее, в электродинамических и ферродинамических ИМ вращающий момент создается за счет взаимо­действия магнитных полей двух катушек и зависит от фазового сдвига между токами этих катушек. С целью измерения мощно­сти неподвижная катушка соединяется последовательно с нагруз­кой, как амперметр, а подвижная катушка — параллельно с на­грузкой, как вольтметр (рис. 12). Поэтому токовая катушка ватт­метра должна иметь малое сопротивление, а катушка напряжения большое. Для ограничения тока в катушке напряжения в ее цепь включается добавочное сопротивление R_д.

Рис. 12

Рис. 13

На рис. 13 представлена векторная диаграмма этой цепи. На этой диаграмме приняты следующие обозначения:

φ — фазовый сдвиг между напряжением и током нагрузки Z;

ψ — фазовый сдвиг между токами подвижной и неподвижной катушек;

δ — фазовый сдвиг между напряжением и током катушки напряжения.

В реальных условиях подвижная катушка ваттметра обладает не­большой индуктивностью и поэтому полное сопротивление катуш­ки носит индуктивный характер, что и является причиной фазового сдвига δ между напряжением и током катушки напряжения.

Угол фазового сдвига δ мал, так как индуктивная составляющая полного сопротивления цепи катушки напряжения небольшая по сравнению с активной составляющей этого сопротивления.

Ввиду малости угла δ им можно пренебречь. В этом случае угол отклонения α указателя ваттметра будет находиться в ли­нейной зависимости от значения измеряемой мощности Р:

Коэффициент S_p представляет собой чувствительность ваттметра, которая благодаря конструктивным приемам остается постоянной на всем диапазоне измерений ваттметра. Именно по­этому шкалы ваттметров имеют равномерный характер.

Так как градуировка равномерной шкалы ваттметра, согласно уравнению (30), осуществляется с учетом фазового сдвига на угол φ, а реально вращающий момент в ИМ и отклонение его указателя пропорциональны фазовому сдвигу на угол ψ, в пока­заниях ваттметра появляется погрешность, пропорциональная разности углов (ψ - φ) = δ. Ее называют угловой погрешностью измерения мощности δ_р и определяют по формуле

Значение этой погрешности на частотах до 100 кГц незначительно, так как индуктивность катушки напряжения ваттметра на этих частотах намного меньше ее активного сопротивления и, следовательно, угол δ очень мал. На частотах до 100 кГц угло­вой погрешностью измерения мощности δ_р можно пренебречь, однако на более высоких частотах этого делать нельзя. Как следу­ет из выражения (31), угловая погрешность при угле φ = 0 также равна нулю и возрастает с увеличением угла φ, стремясь к бесконечности при φ = ± 90°, так как при таких углах φ tg φ = ∞. Такое положение означает, что при выборе ваттметра следует обращать внимание не только на характеристики самого прибора (угол δ), но и на характер нагрузки той цепи, в которую включен ваттметр (угол φ).

В цепях со значительной реактивной нагрузкой угол φ большой (φ → 90°) и поэтому угловая погрешность ваттметра согласно формуле (31) велика. В цепях же с малой реактивной нагрузкой

угол φ небольшой (φ → 0°) и поэтому угловая погрешность ватт­метра согласно той же формуле (31) мала.

С учетом изложенного следует сделать вывод о том, что одним и тем же ваттметром не следует измерять мощность в цепях с разной степенью реактивности. Поэтому у ваттметров нормиру­ется, кроме номинального напряжения U_н и номинального тока I_н еще и номинальный коэффициент мощности cos φ_н. Номиналь­ный коэффициент мощности ваттметра указан на шкале прибора и должен быть учтен при расчете цены деления ваттметра С_р. Це­на деления ваттметра определяется по формуле

где α_р — число делений шкалы ваттметра.

При выборе ваттметра следует учитывать то, что он может ис­пользоваться:

либо как прибор для измерения мощности;

либо как рабочий эталон при поверке другого ваттметра.

В первом случае cos φ_н ваттметра должен быть не меньше коэф­фициента мощности нагрузки в той цепи, в которую включен ватт­метр. При несоблюдении этого условия возможно «зашкаливание» прибора. В то же время cos φ_н ваттметра не должен быть значи­тельно больше коэффициента мощности нагрузки цепи, так как при этом увеличится угловая погрешность измерения мощности.

Во втором случае cos φ_н ваттметра, используемого в качестве рабочего эталона, должен быть равен номинальному коэффици­енту мощности поверяемого ваттметра для того, чтобы обеспе­чить возможность реализации поверки методом непосредствен­ного сличения.

Как следует из схемы на рис. 12, ваттметры имеют по две пары зажимов: одна пара — токовые зажимы, другая — зажимы напряжения. Один из токовых зажимов и один из зажимов на­пряжения обозначены звездочками и называются генераторными зажимами. Зажимы, обозначенные звездочками, соединяются вместе и подключаются к одному из проводов источника пита­ния. Это делается для правильного отклонения (по часовой стрелке) подвижной части ваттметра.

Для измерения мощности трехфазной нагрузки можно исполь­зовать как трехфазные, так и однофазные ваттметры.

Для измерения мощности в четырехпроводной трехфазной це­пи необходимы три однофазных ваттметра, включенных по схе­ме, представленной на рис. 14. Каждый из ваттметров этой схемы измеряет мощность соответствующей фазы, так как на него пода­но напряжение и через него протекает ток одной фазы. Поэтому общая мощность трехфазной нагрузки Робщ определяется как сумма показаний ваттметров:

Рис. 14

Для измерения мощности в трехпроводной трехфазной цепи необходимы два однофазных ваттметра, включенных по так на­зываемой схеме Арона, приведенной на рис. 15. Ни один из двух ваттметров в этой схеме не измеряет мощности какой-либо фазы. Однако известно, что алгебраическая сумма показаний этих двух ваттметров равна мощности трехфазной нагрузки:

Рис. 15

Трехфазные ваттметры — это три или два однофазных ваттметра с одной общей осью в общем корпусе. Внутренние соеди­нения трехэлементного или двухэлементного трехфазного ватт­метра соответствуют схемам, представленным на рис. 14 или рис. 15. Следует иметь в виду, что трехэлементный ваттметр при­меняется в четырехпроводной трехфазной цепи, а двухэлемент­ный — в трехпроводной. Число элементов трехфазного ваттметра можно определить без вскрытия прибора по условному знаку ро­да его рабочего тока или по числу пар токовых зажимов.

Время установления показаний

Одной из динамических характеристик приборов прямого дейст­вия является время установления показаний. При скачкообразном изменении сигнала на входе прибора его показания меняются с не­которым запаздыванием из-за электрической и механической инер­ции в электрической цепи и конструкции прибора. На переход от одного установившегося показания к другому требуется время. Оно определяется как промежуток времени от момента скачкооб­разного изменения измеряемой величины до момента установления с определенной погрешностью показания, соответствующего но­вому установившемуся значению измеряемой величины.

Экспериментально время установления показаний t_yст опреде­ляется с помощью секундомера следующим образом:

Примерно в середине шкалы прибора выделяют числовую отметку Х₀ (рис 16):

Где Х_к — конечное значение диапазона измерения прибора.

Около отметки Х₀ выделяют полосу шириной R, равной двум значениям предела допускаемой погрешности прибора ∆_п:

На вход прибора подают измеряемую величину, значение которой соответствует отметке Х₀, и одновременно включают се­кундомер. Этот момент на рис. 16 соответствует точке t = 0.

Рис.16

 

Указатель прибора доходит до отметки Х₀ и совершает около нее несколько колебаний.

Секундомер останавливают в тот момент, когда указатель, войдя в полосу, ширина которой обозначена на рис. 16 символом R, больше из нее не выходит. Зафиксированное таким образом показание секундомера и будет временем установления показа­ний прибора t_ycт.

---

Назад

Содержание

Вперед