Масштабные измерительные преобразователи

Общие сведения. Масштабным называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжений, измерительные усилители, измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Шунты. Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. Например, такая задача возникает в том случае, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока.

Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно средству измерений. Если сопротивление шунта R _Ш = R /(n—1), где R - сопротивление средства измерений; - коэффициент шунтирования, то ток I₂ в n раз меньше тока I_1. Шунты изготавливают из манганина. В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты обычно помещают в корпусе прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Шунты могут быть многопредельными, т. е. состоящими из нескольких резисторов, или имеющими несколько отводов, что позволяет изменять коэффициент шунтирования. Классы точности шунтов от 0,02 до 0,5.

Шунты применяют с различными средствами измерений, однако в основном их используют в цепях постоянного тока в магнитоэлектрических приборах. Шунты с измерительными механизмами других типов не применяют из-за малой чувствительности этих механизмов, что приводит к существенному увеличению размеров шунтов и потребляемой ими мощности. Кроме того, при использовании шунтов на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, так как с изменением частоты сопротивления шунта и измерительного механизма изменяются неодинаково.

Делители напряжения. Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяют делители напряжения, которые в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление. Серийно выпускают делители напряжения, предназначенные для расширения пределов измерений компенсаторов постоянного тока. Такие делители выполняют из резисторов на основе манганина. Они имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0,0005 до 0,01.

Для увеличения верхнего предела измерения средства измерений, например предела измерения вольтметра, имеющего внутреннее сопротивление R _V, применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с вольтметром. При этом добавочный резистор и вольтметр образуют делитель напряжения. Со­противление добавочного резистора определяют по формуле , где U_x — измеряемое напряжение; U_V — падение напряжения на вольтметре; R_V — внутреннее сопротивление вольтметра. Добавочные резисторы изготавливают из манганина и используют в цепях постоянного и переменного тока (до 20 кГц) напряжением до 30 кВ. Они бывают встраиваемые внутрь прибора и наружные. Классы точности калиброванных добавочных резисторов от 0,01 до 1. Номинальный ток добавочных резисторов от 0,5 до 30 мА.

Измерительные усилители. Для усиления сигналов постоянного и переменного тока, т. е. для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов, применяют измерительные усилители. По диапазону частот измерительные усилители бывают для постоянного тока и напряжения, низкочастотными (20 Гц—200 кГц), высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот. Измерительные усилители выполняют с нормированной погрешностью коэффициента передачи.

Электронные измерительные усилители позволяют измерять сигналы от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью от 0,1 до 1 %. При меньших токах и напряжениях применяют фотогальванометрические усилители. Для усиления токов и напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением используют электрометрические усилители, отличающиеся большим входным сопротивлением (до Ом). Серийно выпускаемые измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал 10 В или 5 мА.

Измерительные трансформаторы переменного тока. Измерительные трансформаторы тока и напряжения используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерения (например, 5А, 100 В). Применением измерительных трансформаторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в заземляемую цепь низкого напряжения (см. рис. 6.2).

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной с числом витков  и вторичной— , помещенных на ферромагнитный сердечник. Для правильного включения трансформаторов и приборов зажимы трансформатора обозначают, как показано на рисунке.

 

 

Рисунок 6.2

 

В трансформаторах тока, как правило, первичный ток  больше вторичного , поэтому у них . В трансформаторах тока с первичным номинальным током I _1Н свыше 500А первичная обмотка может состоять из одного витка в виде шины, проходящей через окно сердечника.

В трансформаторах напряжения первичное напряжение U₁ больше вторичного U₂, поэтому у них >w₂. Вторичное номинальное напряжение U _2Н у стандартных трансформаторов составляет 100 или 100/ В при разных значениях первичного номинального напряжения U _1Н.

По схемам включения в измеряемую цепь и по условию работы трансформаторы тока и напряжения отличаются друг от друга. Первичную обмотку трансформатора тока включают в измеряемую цепь последовательно, а трансформаторов напряжения параллельно. Измерительные приборы включают во вторичную обмотку трансформаторов.

По показаниям приборов можно определить значения измеряемых величин. Для этого необходимо показания приборов умножить на действительные коэффициенты трансформации K_I и К_U. Для трансформатора тока K_I=I₁/I₂, а для трансформатора напряжения K_U=U₁/U₂.

Так как I₂ и U₂ изменяются не пропорционально I₁ и U₁, то K _I и К _U непостоянны. Они зависят от значений токов и напряжений, характера и значения нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструкции трансформатора и материала сердечника и обычно неизвестны. Поэтому показания приборов умножают не на действительные, а на постоянные номинальные коэффициенты трансформации:

Определение измеряемых величин по номинальным коэффи­циентам трансформации приводит к погрешностям. Относительная погрешность (в процентах) вследствие неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации для трансформатора тока

где     и , а для трансформатора напряжения

где  и

Погрешность f _I называют токовой погрешностью, а f _U — погрешностью напряжения. У измерительных трансформаторов имеется также угловая погрешность из-за неточности передачи фазы первичной величины вторичной величине. Угловая погрешность измерительных трансформаторов оказыва­ет влияние на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазового сдвига между токами в цепях этих приборов (ваттметры, счетчики электрической энергии, фазометры).

Как известно из теории трансформаторов, в идеальном случае фазовый сдвиг между вектором вторичного тока I₂ трансформатора тока и вектором первичного тока I ₁ составляет 180°. Такой же фазовый сдвиг должен быть между векторами вторичного U ₂ и первичного U ₁ напряжений в трансформаторе напряжения. В реальных трансформаторах угол между повернутым на 180° вектором вторичной величины (- I ₂ или – U ₂) и соответствующим вектором первичной величины (I ₁ или U ₁) не равен нулю, а составляет угол , который называют угловой погрешностью трансформатора. Погрешность считается положительной, если повернутый на 180° вектор вторичной величины опережает вектор первичной величины.

Измерительные трансформаторы тока. Трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Полное суммарное сопротивление Z = R + jX приборов и подводящих проводов является нагрузкой трансформато­ра тока.

Для переносных измерительных трансформаторов тока установлены классы точности от 0,01 до 0,2. Их изготавливают на номинальную частоту или область номинальных частот от 25 Гц до 10 кГц. Трансформаторы тока выпускают на номинальные значения первичного тока от 0,1 А до 30 кА и на номинальное значение вторичного тока 5 А. Для частоты 50 Гц допускается изготовление трансформаторов тока на номиналь­ный вторичный ток 1 и 2 А. Стационарные трансформаторы тока для частоты 50 Гц делают на номинальные первичные токи от 1 А до 40 кА и номинальные вторичные токи 1; 2; 2,5; 5 А. Классы точности этих трансформаторов от 0,2 до 10. Класс точности стационарных трансформаторов тока определяет предельные значения токовой и угловой погрешностей. В частности, для трансформаторов классов точности от 0,2 до 1 допускаемое значение токовой погрешности, соответствующее классу точности, имеет место при значении первичного тока 100—120 % номинального, а для трансформаторов более низких классов точности — при значении первичного тока 50—120 %. При других значениях первичного тока допускаемая токовая погрешность увеличивается. Трансформаторы тока изготавливают на определенную номинальную нагрузку, например, для стационарных трансформаторов от 2,5 до 100 ВА.

Измерительные трансформаторы напряжения. Измеритель­ные трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к режиму холостого хода, так как во вторичную обмотку включают приборы с относительно большим, внутренним сопротивлением.

Стационарные трансформаторы напряжения изготавливают на номинальные первичные напряжения от 220 В до 35 кВ при вторичном напряжении 150,100 и 100/  В для номинальной нагрузки от 5 до 25 ВА с  = 0,8 1,0. Классы точности 0,5; 1 и 3. Лабораторные трансформаторы чаще всего бывают переносными на несколько пределов измерения и классов точности 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Для трехфазных цепей изготовляют трехфазные трансформаторы напряжения.