Реферат: Вимірювальні перетворювачі електричних величин загальні відомості

Розділ 6

ВИМІРЮВАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

6.1. Загальні відомості

Завдання, які стоять перед вимірювальними перетво­рювачами електричних величин, надзвичайно різноманітні. Зокрема, оскільки вхідною величиною вимірювального ме­ханізму є струм (напруга), то для вимірювань інших елек­тричних величин необхідне їх функціональне перетворення в величину, яка безпосередньо діє на механізм. Завдання універсальності, підвищення чутливості, а в окремих ви­падках і точності привели до розробки таких перетворюва­чів, як випрямлячі, модулятори (перетворювачі постійного струму в змінний). Слід зазначити, що як в модуляторах, так і у випрямних перетворювачах поряд з перетворенням частотного спектра може відбуватися і перетворення роду величини.

Надзвичайно широкий діапазон можливих значень ви­мірюваних величин (наприклад, сили струму — від 1016 А до сотень тисяч амперів, напруги — від 108 В до десятків мільйонів вольтів) зумовив необхідність масштабних вимі­рювальних перетворювачів, тобто таких, що змінюють лише масштаб величини.

Отже, перетворювачі електричних величин можна поді­лити на перетворювачі роду та частотного спектра вимірю­ваної величини і масштабні.

Найпоширенішими перетворювачами роду величини є шунти й додаткові резистори —відповідно перетворювачі струму в напругу і напруги в струм. Сюди відносять термо­електричні перетворювачі струму в е. р. с. Перетворювачі частотного спектра — це модулятори і демодулятори. Мас­штабні перетворення здійснюють подільники напруги, вимірювальні трансформатори і підсилювачі.

^ 6.2. Перетворювачі роду вимірюваної величини

Шунти. Шунт являє собою чотиризатискачевий резис­тор, виготовлений з пластинчастого або стержневого ман­ганіну, призначений для розширення меж вимірювань струму магнітоелектричного приладу. Застосовувати шунти з іншими приладами недоцільно, оскільки ті споживають відносно велику потужність і шунти для них мали б великі габарити і значне споживання.

Шунти для порівняно невеликих струмів (кілька ампе­рів) можна вмонтовувати усередині приладу. Це —внут­рішні шунти. Для великих струмів застосовують зовнішні шунти (індивідуальні і взаємозамінні). Індивідуальні шунти, придатні лише для того вимірювального приладу, з яким вони градуювались, а взаємозамінні шунти можна застосо­вувати з будь-яким приладом, що має відповідні межі ви­мірювання напруги і номінальний струм.



Рис. 35. Термоелектричний перетворювач.
Рис. 34. Схема ввімкнення шунта.


Усі шунти мають струмові, для ввімкнення в коло вимі­рюваного струму, і потенціальні (менших розмірів) затис­качі для під'єднання вимірювального приладу (рис. 34). Шунти для великих струмів під'єднують з допомогою спе­ціальних каліброваних проводів, що входять до комплекту вимірювального приладу.

Згідно з ГОСТ 8042—61 взаємозамінні шунти виготов­ляють для номінальних спадів напруги 60 або 75 мВ (як виняток дозволяється 100, 150 і 300 мВ), вони можуть мати клас точності від 0,02 до 0,5. Номінальні струми Iном таких шунтів мають значення від часток до тисяч амперів. Номі­нальний опір шунта (в омах) встановлюється залежно від номінального струму Iном (в амперах) і номінальної напру­ги Uном (в мілівольтах) із співвідношення, яке пояснюється, на рис. 34:

звідки


де Iном. π — номінальний струм вимірювального приладу. Залежно від конструкції шунти виготовляють як ста­ціонарні, так і переносні. Стаціонарні шунти е звичайно· однограничні, а переносні можуть

бути також і багатограничними.

Додаткові резистори. Ці резистори застосо­вують для розширення меж вимірювань напруги вольтмет­рів магнітоелектричної, електродинамічної та електромаг­нітної систем і паралельних кіл електродинамічних ватмет­рів. Виготовляють додаткові резистори з манганінового дроту, намотаного на круглі або плоскі каркаси з ізоляцій­ного матеріалу. Подібно до шунтів вони бувають одно- і багатограничні, внутрішні і зовнішні, індивідуальні і взаємо­замінні. Основні технічні параметри додаткових резисторів нормує ГОСТ 8623—69.

Термоелектричні перетворювачі. Тер­моелектричний перетворювач струму складається з на­грівного елемента, який є перетворювачем струму (його діючого значення) в тепло, і термопари — перетворювача температури нагріву елемента в термо- е. р. с. (рис. 35). При цьому кількість тепла, що виділяється в нагрівному елементі за час τ,


а кількість тепла, що виділяється нагрівачем у навколишнє середовище (не враховуючи випромінювання),




де Rн — опір нагрівного елемента; I—діюче значення струму; с — коефіцієнт тепловіддачі; А—площа поверхні охолодження нагрівного елемента; Δl — різниця темпера­тур нагрівника і навколишнього середовища.

При тепловій рівновазі QH = Qo, звідки




При умові, що температури гарячого спаю термопари і нагрівного елемента, холодних кінців і навколишнього середовища відповідно дорівнюють одна одній, дістанемо




тобто термо- е. р. с. Ет термопари прямо пропорційна квад­рату діючого значення вхідного струму.

Існують два основні різновиди термоперетворювачів — контактні і безконтактні. В контактних термоперетворю­вачах гарячий спай термопари приварюється до нагрівача і має з ним електричний контакт.

У безконтактних термоперетворювачах термопара і на­грівний елемент з'єднані механічно з допомогою скляної чи керамічної краплі, електричний контакт між нагрівачем і термопарою відсутній. Для підвищення чутливості без­контактні термоперетворювачі виконують у вигляді термо­батарей. Недоліком безконтактних термоперетворювачів є їх порівняно велика інерційність.

Термоперетворювачі для малих струмів (одиниці, десят­ки міліамперів) виконують вакуумними. В таких термо­перетворювачах значно зменшується тепловідвід у навко­лишнє середовище, завдяки чому при інших рівних умовах підвищується температура нагрівника, а тим самим і чут­ливість термоперетворювача.

Термоелектричні перетворювачі застосовують як пере­творювальні елементи в приладах для вимірювань малих змінних струмів в діапазоні частот від одиниць герців до сотень мегагерців. Недоліком термоелектричних перетво­рювачів (особливо контактних) є помітна залежність термо-е. р. с. від напрямку сталої складової струму (на постій­ному струмі —від напрямку струму) через нагрівний еле­мент, яка зумовлена як контактною різницею потенціалів у місці контакту гарячого спаю термопари з нагрівним еле­ментом, так і ефектом Пельтьє.

^ 6.3. Модулятори та демодулятори

Якщо вимірювальний сигнал змінюється в часі за таким законом (має такий частотний спектр), при якому ускладнена його передача чи перетворення, то виникає необхідність модуляції, тобто утворен­ня нового модульованого сигналу із заданим законом зміни (частот­ним спектром). Процес модуляції полягає в передачі інформації від вимірювального (модулюючого) сигналу до несучого. Несучим є деякий допоміжний сигнал, який має зручні для реалізації наступних опера­цій фізичну природу і закон зміни в часі. В ролі несучого найчастіше використовують синусоїдні або імпульсні сигнали. При використанні· гармонічного несучого сигналу можливі три види модуляції: амплі­тудна, частотна і фазова. При імпульсному несучому сигналі можна змінювати такі параметри: амплітуду, частоту, фазу або тривалість імпульсів. При цьому мають відповідно амплітудно-імпульсну, частот­но-імпульсну, фазо-імпульсну та час-імпульсну модуляції.

Демодуляція — це перетворення промодульованого сигналу на сигнал, пропорційний вимірювальному (модулюючому).

У вимірювальній техніці найширше застосовують амплітудно­імпульсну модуляцію (демодуляцію) із схемною реалізацією на еле­ментах ключового типу.

Залежно від способу ввімкнення ключового елемента (ключа) відносно наступного вимірювального перетворювача з вхідним опором RH бувають модулятори послідовного, паралельного та послідовно-паралельного типів (рис. 36). Вибір тієї чи іншої схеми здійснюється залежно від співвідношення опорів джерела сигналу Rc і Rн. При RH > Rc застосовують схему, подану на рис. 36, а, а при RH < Rс — на рис. 36, б. Якщо значення опорів Rн і Rc сумірні, то застосову­ють схему, подану на рис. 36, в.




Рис. 36. Основні принципіальні схеми мсдуляторів.

За інших рівних умов мінімальне значення похибки модуляції мають схеми з максимальним значенням перехідного опору R ключів у розімкненому стані і мінімальними значеннями перехідного опору r й залишкових (паразитних) напруг у замкненому стані.

Залежно від потрібних метрологічних характеристик при побудо­ві модуляторів використовують ті чи інші ключові елементи. Прак­тично застосовують електромеханічні (контактні) або безконтактні ключі. В останніх використовують біполярні і польові транзистори, діоди, оптоелектронні та ємнісні елементи.

Модулятори з електромеханічними ключами виконують з викорис­танням віброперетворювачів або реле з магнітокерованими контактами. Такі ключі за своїми характеристиками наближаються до ідеальних. У них г < 0,1 Ом, a R > 1010 Ом. Залишкові напруги і їх нестабіль­ності, які зумовлені в основному електричними і електромагнітними наведеннями, а також контактними термо- е. р. с., не перевищують одиниць мікровольтів на градус. Основним недоліком контактних модуляторів є порівняно малий їх строк служби.

Модулятори з транзисторними ключами не мають цього недолі­ку, зате мають більшу нестабільність залишкових напруг. Для змен­шення впливу цих нестабільностей застосовують спеціальні схеми компенсації з використанням польових транзисторів і транзисторів у інтегральному виконанні. Ці заходи дають змогу зменшити значен­ня нестабільності залишкових напруг до кількох мікровольтів на градус.

Застосування в схемах модуляторів напівпровідникових діодів як ключових елементів дає змогу будувати порівняно нескладні діодні модулятори. Для зменшення похибок таких модуляторів їх клю­чі треба виконувати на кремнієвих діодах за компенсаційними схемами. При вдало підібраній парі діодів нестабільність залишкових напруг становить 15—20 мкВ/°С.

Модулятори на оптоелектронних елементах будують також за схемами, наведеними на рис. 36, у яких як ключі використовують фоторезистори. Істотною перевагою таких модуляторів порівняно з іншими безконтактними є відсутність гальванічних зв'язків між колами модулюючого і несучого сигналів. Нестабільність залишкових напруг модуляторів на оптоелектронних елементах становить десятки мікро­вольтів на градус.




Рис. 37. Принципіальна схема модулятора на варикапах.




Рис. 38. Схеми напівпровідникових випрямних перетворювачів

середнього значення.

Модулятори на ємнісних елементах побудовані на основі дина­мічного конденсатора. В цьому випадку модулююча напруга під­водиться до обкладинок конденсатора, ємність якого змінюється періодично внаслідок коливань однієї з пластин під дією електро­магнітного поля котушки збудження. Заряд конденсатора пропор­ційний модулюючому сигналу і залишається постійним, а напруга на ньому змінюється в такт із зміною ємності, тобто за законом зміни несучого сигналу. Високий поріг чутливості модуляторів з динаміч­ним конденсатором (10 — 1015 А) досягають забезпеченням вели­кого вхідного опору (10 Ом).

Крім розглянутих ключових модуляторів є модулятори, виконані на варикапах. Схему такого модулятора подано на рис. 37. Особливі­стю таких схем є те, що їх коефіцієнт перетворення є більшим від одиниці. Подібні модулятори відомі під назвою параметричних. При вдало підібраних варикапах вдається побудувати модулятор з поро­гом чутливості до десятків мікровольтів.

Демодулятори—це пристрої перетворення попередньо промодульованого сигналу на сигнал, пропорційний модулюючому. Як і моду­лятори, демодулятори є амплітудні, частотні й фазові. Амплітудні демодулятори називають випрямлячами (випрямними перетворювачами) амплітудного значення. Випрямлячі застосовують для демодуляції і при дослідженні сигналів змінного струму.

Постійна складова вихідного сигналу випрямного · перетворювача може бути функцією як амплітудного, так і середнього або діючого значень вхідного сигналу. Відповідно існують випрямлячі середнього і діючого значень. Майже всі види випрямлячів побудовані із застосуванням нелінійних (випрямних) елементів, значення параметрів яких залежать від значення та знака вхідного сигналу. Як випрямні «лементи переважно використовують напівпровідникові діоди, що мають високу надійність і тривалий строк служби. Недоліком цих елементів є залежність їх параметрів від температури і частоти вхід­ного сигналу. В значній мірі цих недоліків позбавлені електроваку­умні діоди.

Випрямлячі середнього значення можна побудувати за одно- або двопівперіодною схемами. Найпростіша схема однопівперіодного випрям­ляча (рис. 38, а) має той істотний недолік, що вона придатна лише для випрямлення напруг, а при випрямленні струмів різка зміна опору діода при різних полярностях спричинюється до порушення режиму роботи кола. Вільною від цього недоліку є схема на рис. 38, б,

У вимірювальних випрямлячах середнього значення з однопівіперіодним випрямленням стала складова вихідного сигналу за період синусоїдної вхідної напруги (рис. 38, в) при лінійній вольт-амперній характеристиці і відсутності зворотного струму діода





де Um, Uср— амплітудне і середньовипрямлене значення вхідної напруги; Rnp — прямий опір діода.

У випрямлячах з двопівперіодним випрямленням (рис. 38, г) вихідний струм на протязі кожного півперіоду зміни вхідної величини проходить у тому самому напрямку через Rн і, отже, за інших рів­них умов чутливість таких випрямлячів у два рази вища, ніж у однопівперіодних. їх недоліком є наявність чотирьох діодів. У зв'язку із значною залежністю параметрів діодів від температури таким пере­творювачам властиві великі температурні похибки. Випрямлячі із заміщуючими опорами (рис. 38, д і е) мають нижчу чутливість, але їх температурні похибки менші.

Принцип роботи амплітудних випрямлячів (рис. 39) полягає в застосуванні методу «запам'ятовування» екстремальних значень вхід­ного сигналу. Запам'ятовуючим елементом у таких перетворювачах є конденсатор. У схеми з відкритим входом (рис. 39, а) при додат­ній півхвилі вхідної напруги конденсатор заряджається через діод до напруги Uc≈ Uт, а з моменту t1 (рис. 39, б) розряджається через RH доти, доки миттєве значення вхідного сигналу не стане дещо більшим від Uc і конденсатор знову підзарядиться до Uc≈Um· Якщо стала часу розряду СRн »T де Τ — період вхідної напруги Ux, то Uc буде практично незмінним і дорівнюватиме Um.

Якщо вхідна напруга містить сталу складову, то вихідна напруга дорівнюватиме Um (рис. 39, в).

У схемах із закритим входом (рис. 39, г) при наявності сталої складової вхідної напруги U0 конденсатор С заряджатиметься до напруги Uc = U0+Um, а спад напруги на опорі RA буде Ux — Uс =Umsinωt — Um, тобто незалежний від значення U0 і містить змінну з амплітудою Um і сталу — Um складові. Змінну складову можна відфільтрувати фільтром RфСф, а спад напруги на опорі RH при Rн > Rф дорівнюватиме Um (рис. 39, д).





Рис. 39. Схеми діодних випрямлячів максимального значення і графіки струмів та напруги.




Рис. 40. Принципіальна схема і графіки

випрямленого струму керованого випрямляча.

В випрямлячах діючого значення використовують початкові ді­лянки вольт-амперних характеристик напівпровідникових діодів які близькі до квадратичних. Оскільки ці ділянки обмежені низькими напругами (до 1 В), то для залежності i0 = kU² при більш високих напругах утворюють штучні кола з кількома відповідно з'єднаними діодами і додатковими та шунтуючими опорами.

Розглянуті схеми випрямлячів відомі під назвою некерованих, на відміну від керованих, у яких робота випрямного кола керується зовнішнім сигналом. Такі перетворювачі мають два входи: на один з них подають досліджувану Ux, а на другий — керуючу напруги (рис. 40). При додатній півхвилі керуючої напруги ключ замикається (його опір дорівнює нулю) і через випрямне коло проходитиме струм, а при від'ємній півхвилі — він розмикається, тобто його опір буде нескінченно великий і струму в колі не буде. При умові, що вхідні сигнали є синусоїдними функціями часу однієї частоти, наприклад







Рис. 41. Схеми напівпровідникових керованих випрямлячів,





Рис. 42. Принципіальна схема активного випрямляча.

середнє значення випрямленого струму буде


Отже, значення вихідного сигналу залежатиме не лише від υχ, а й від кута зсуву фаз ψ між досліджуваною і керуючою напру­гами.

Практичне застосування мають два типи керованих випрямлячів: електромеханічний і напівпровідниковий.

Кола з електромеханічними керованими випрямлячами застосовують у векторметрах — приладах для вимірювання складових векторів напруги або струму. Наявність механічних рухомих контактів обмежує частотний діапазон (не більше 400 Гц) і довговічність. Цього недоліку не мають напівпровідникові фазочутливі випрямні кола.

Для пояснення принципу роботи найпростішого однопівперіодного фазочутливого випрямляча (рис. 41, а) припустимо спочатку, що прикладено лише напругу UK. При додатній півхвилі цієї напруги діоди відкриваються, їх опори будуть малі і через них проходитимуть струми ік. При від'ємній півхвилі керуючої напруги UK діоди закри­ваються, а їх опори стають великі. Якщо схема симетрична, то при будь-якому значенні і полярності керуючої напруги спади напруг на опорах R будуть однаковими, а напруга між точками А і В дорів­нюватиме нулю — через опір RД струм не проходитиме.

Якщо прикладена напруга Ux значно менша від UK, то можна вважати, що опір діодів залежить лише від значення і напрямку керуючої напруги і не залежить від напруги Ux, а середнє значення струму через RH — від Ux і кута зсуву фаз між напругами uk та ί/χ·

Найбільше практичне застосування знайшли двопівперіодні фазо­чутливі випрямлячі (рис. 41, б і в), чутливість яких за інших рівних умов у два рази вища від чутливості однопівперіодних. Фазочутливі випрямлячі виконують як на електронних лампах, так і на транзис­торах. Керування можна здійснювати зміною фази напруги на сітці (базі) відносно анода (колектора).

Фазочутливі напівпровідникові випрямлячі застосовують як нуль-індикатори в мостових і компенсаційних колах змінного струму.

Крім пасивних випрямлячів, описаних вище, існують активні (рис. 42), які мають у своєму складі підсилювачі постійного стру­му (ППС) і в яких введенням зворотних зв'язків значно зменшені похибки перетворення змінної напруги в сталу. Зокрема, якщо кое­фіцієнт підсилення ППС дорівнює S, то вплив нестабільності пара­метрів діодів зменшується майже в S разів.

^ 6.4. Подільники напруги

Резистивні подільники. Схему найпро­стішого (однограничного) резистивного подільника напруги подано на рис. 43. Коефіцієнт ділення, визначений при умові, що подільник навантажений на нескінченно вели­кий опір, дорівнює


Резистивні подільники напруги застосовують для роз­ширення меж вимірювань електровимірювальних приладів з високим вхідним опором (електронних і цифрових вольт­метрів, компенсаторів постійного струму). Вони бувають звичайно багатограничними і виконуються за схемою із сталим вхідним або вихідним опором (рис. 44). Основні технічні характеристики резистивних подільників напруги постійного струму нормує ГОСТ 11282—75, згідно з яким клас точності таких подільників може досягати 0,0001; максимальна робоча напруга —· 1000 В; максимальний кое­фіцієнт ділення — 1000; частотний діапазон не перевищує 10 кГц; застосовують —-в основному на постійному струмі. Для зменшення частотних похибок при їх використанні на змінному струмі застосовують частотну компенсацію.





Рис. 43. Схема однограничного резистивного подільника напруги


.




Рис. 44, Схеми багатограничних

резистивних подільників напруги.



Рис. 45.

Схема ємнісного подільника напруги.




Рис. 46. Принципіальна та еквівалентна схеми заміщення індуктивного подільника напруги.


Ємнісні подільники. Схема найпростішого ємнісного подільника подана на рис. 45.

Коефіцієнт ділення такого подільника


де R1, r2—опори ізоляції відповідних конденсаторів.

У загальному випадку n залежить від частоти. Проте на досить високих частотах (1/ω1C1R1 «1 і 1/ωС2^ R2«1) і дуже низьких (ω→0, тобто l/ ω1C1R1»l і 1/ ωС2R2 »1) коефіцієнт ділення (відповідно n = (СІ + С2)/СІ і η =s = (R1 + R2/R2) від частоти не залежить. Для ємнісних подільників, призначених для роботи в широкому діапа­зоні частот, конденсатори шунтують опорами так, щоб виконувалась умова R1'|R2´ = С2/СІ, де R1´ та R'2 є сумарні еквівалентні опори, що шунтують відповідно СІ і С2. Застосовують ємнісні подільники головним чином для розширення меж вимірювань електростатичних вольтмет­рів на змінному струмі.

Індуктивні подільники. Конструктивно індуктивний подільник напруги нагадує автотрансформа­тор. На тороїдному феромагнітному осерді намотана обмот­ка з числом витків wl до якої підведена вхідна напруга U1. Вихідна напруга U2 знімається з частини обмотки, число витків якої дорівнює w2. Обмотка намотується джгутом із скручених ізольованих проводів, число яких дорівнює числу необхідних секцій так, щоб вона була рівномірно розподі­лена по-периферії тороїда. Кінець однієї секції з'єднують з проводом наступної і т. д. Від місць з'єднань роблять ви­води до затискачів вихідного кола.

На рис. 46 наведено принципіальну і еквівалентну схеми заміщення (без урахування міжвиткових паразитних ємно­стей) найпростішого індуктивного подільника напруги з номінальним коефіцієнтом ділення




Отже, похибки такого подільника в режимі холостого ходу не залежать від активних опорів і індуктивностей роз­сіяння обмоток, а визначаються лише відмінностями (роз­кидами) їх значень.

Спад напруги на активних опорах і індуктивностях розсіяння обмоток малий порівняно з е. р. с., що наводить­ся в них, тому вплив невеликих розходжень у їх значеннях на похибку коефіцієнта ділення буде незначним. За інших рівних умов похибка подільника залежить від комплекс­ного магнітного опору осердя і тим менша, чим менший магнітний опір, тобто чим вища магнітна проникність осердя.

Застосовують ці подільники на частотах звукового діа­пазону, вони є перспективними перетворювачами напруги для різних електричних вимірювальних кіл і пристроїв. Похибки таких подільників при серійному виробництві можна звести до 0,001 % і менше. В найкращих зразках точність коефіцієнта ділення оцінюється похибкою порядку 10-5% при фазовій похибці, що не перевищує 10-6 рад.

^ 6.5. Вимірювальні трансформатори

Загальні відомості. Вимірювальними на­зиваються трансформатори, які призначені для перетворен­ня (трансформації) струму чи напруги з певною точністю. Вимірювальні трансформатори призначені для розширен­ня меж вимірювань струму і напруги відповідних засобів вимірювань.

а для трансформатора напруги —


За принципом дії вимірювальні трансформатори подібні до силових. На феромагнітному осерді намотані ізольовано одна від одної первинна wl і вторинна w2 обмотки. Співвід­ношення між числами витків wi і ω2 залежать від значення номінального коефіцієнта трансформації, який для транс­форматора струму визначають як




ДЄ Iномі, Iном2, UюмІ, Uном2 — відповідно номінальні зна-

чення первинного і вторинного струмів та первинної і вторинної напруг.

Дійсні коефіцієнти трансформації




дещо відрізняються від номінальних, причому їх значення не є сталими і залежать від режиму роботи трансформатора, значення і характеру опору навантаження, частоти струму тощо.

Отже, при визначенні первинних величин за номіналь­ними коефіцієнтами трансформації виникають похибки струму і напруги (в процентах):




У загальному випадку в реальних трансформаторах, на відміну від ідеальних, вектор вторинного струму (напруги) повертається відносно первинного не точно на 180°, що є причиною кутової похибки трансформації струму δi чи напруги δu.

Кутові похибки визначаються кутом між вектором первинної величини і поверненим на 180° вектором вторин­ної величини. Кутова похибка вважається додатною, якщо вектор первинної величини відстає від поверненого на 180° вектора вторинної величини.

У зв'язку з наявністю похибок струму чи напруги і від­повідних кутових похибок є поняття комплексних коефі­цієнтів трансформації струму і напруги:




де бi, бu — кутові похибки, виражені в радіанах.

Значення кутових похибок вимірювальних трансфор­маторів нормують звичайно в мінутах.

Вимірювальні трансформатори струму. Трансформатор струму працює в режимі, близькому до короткого замикання, бо в його вторинне коло вмикають амперметри, послідовні обмотки ватметрів, лічильників електричної енергії та фазометрів, опір яких малий.

Електричні й магнітні величини пов'язані такими спів­відношеннями:


I1, I2, Iо — первинний, вторинний та намагнічуючий струми; Ф—основний магнітний потік; ΖΜ—комплексний магнітний опір осердя; Z1 і Z2— комплексні опори пер­винної і вторинної обмоток, зумовлені активними опорами обмоток і індуктивностями розсіяння; zh— опір наванта­ження.

На основі цих співвідношень можна побудувати векторну діаграму (рис. 47) і записати основне рівняння вимірю­вального трансформатора струму:




Оскільки




то


Рівняння трансформатора матиме вигляд




звідки комплексний коефіцієнт трансформації




а комплексна похибка трансформатора струму




Із приведеного виразу видно, що значення похибок fI та δI прямо пропорційно залежать за інших рівних умов від магнітного опору осердя ζμ і опору вторинного кола (в тому числі і від ΖΗ).

Залежно від призначення вимірювальні трансформатори струму поділяються на стаціонарні і лабораторні. Пере­носні лабораторні трансформатори струму здебільшого багатограничні. Для розширення меж вимірювань часто в кор­пусах переносних трансформаторів струму з тороїдними осердями передбачається отвір, через який можна намотати зовнішню первинну обмотку проводом відповідного діа­метра. Число витків w-i такої обмотки має бути таким, щоб добуток I1W1 по можливості дорівнював номінальному числу ампер-витків трансформатора, які лежать у межах 600— 2000 і зазначені на щитку трансформатора.

Основні технічні характеристики лабораторних і ста­ціонарних вимірювальних трансформаторів струму норму­ють ГОСТ 9032—69 і ГОСТ 7746—68: номінальні значення первинних (від 0,1 до 40000 А) та вторинних (звичайно 5 А, рідше 1, 2 або 2,5 А) струмів; класи точності (для лабо­раторних — від 0,01 до 0,2); номінальні вторинні наванта­ження ZH, тобто найбільші значення опорів вторинного ко­ла, при яких похибки не перевищують допустимих для даного трансформатора значень (лабораторні трансформа­тори з Iном2 = 5 А мають ZH від 0,2 до 0,6 Ом при cos φ = 0,8 - 1,0 на частоті струму 50 Гц).

^ Вимірювальні трансформатори на­пруги. Режим роботи вимірювального трансформатора напруги наближається до режиму холостого ходу. Умови для такого режиму забезпечуються тим, що до вторинної обмотки трансформатора напруги під'єднують прилади з порівняно великим опором (вольтметри, паралельні кола ватметрів тощо).






Рис. 47. Векторна діа­грама вимірювального трансформатора струму.






Рис. 48. Векторна діаграма вимірювального трансформатора напруги.


На основі наведених вище співвідношень між електрич­ними і магнітними величинами в трансформаторі можна побудувати векторну діаграму трансформатора напруги (рис. 48) і подати комплексний коефіцієнт трансформації Кu через електричні і магнітні параметри





Вираз для комплексної похибки трансформатора напруги матиме вигляд




З векторної діаграми і виразу для λU видно, що похиб­ки fU та δU дорівнюють нулю при Ζ1 = 0 і Ζ2 = 0.


Значення похибок трансформатора напруги також за­лежать від значення і характеру опору навантаження вторинного кола; похибки тим менші, чим менше наван­таження (більший ΖΗ).


Згідно ГОСТ 9032—69 і ГОСТ 1983—67 лабораторні ви­мірювальні трансформатори напруги е класів точності 0,05; 0,1 і 0,2. Номінальні первинні напруги трансформаторів напруги дорівнюють 100,127,150 і до 35000В, а вторинні — 100/3; 100/√3; 100 і 150 В. Допустимі значення вторинних навантажень нормують у вигляді номінальної потужності, яка може дорівнювати 5, 10, 15 або 25 В · A, cos φн = 0,8 -1,0.

^ Вимірювальні трансформатори по­стійного струму. Для вимірювань великих по­стійних струмів, коли застосувати шунти неможливо (на­приклад, в колах високої напруги) або нераціонально, для розширення меж вимірювань у амперметрах застосовують вимірювальні трансформатори постійного струму. Прин-ципіальну схему такого перетворювача струму подано на рис. 49,а. На два ідентичні осердя із феромагнітного мате­ріалу з великою магнітною проникністю і порівняно неве­ликою індукцією насичення (наприклад, пермалоєві) намо­тані первинні та вторинні обмотки, числа витків яких відпо­відно дорівнюють W1 і W2. Через первинні обмотки, які на­мотані на обох осердях в однакових напрямках і з'єднані послідовно, пропускають вимірюваний постійний струм. Вторинні обмотки, з'єднані також послідовно, але намо­тані в протилежних напрямках, під'єднують до джерела змінної напруги.

Завдяки такому виконанню й з'єднанню первинних і вто­ринних обмоток намагнічуючі сили i2W2 та I1W1 протягом одного півперіоду напруги U˜ матимуть в одному з осердь однакові напрямки і додаватимуться, в іншому осерді — протилежні напрямки і відніматимуться. У наступний півперіод осердя ніби поміняються ролями.

Якщо форма кривої намагнічування осердя близька до прямокутної (рис. 49,6), опір обмоток w2 дорівнює нулю, а напруга U˜_ досить велика, то форма кривої струму i2 дуже близька до прямокутної і середнє значення цього струму практично не залежить від напруги U~ і частоти.. Якщо в коло струму i2 ввімкнути випрямний прилад, покази якого пропорційні середньому значенню, то







Рис. 49. Принципіальна схема вимірювального трансформатора постійного струму.

Отже, середнє значення вторинного струму пропорційне первинному (вимірюваному), а співвідношення між цими струмами, як і в трансформаторах змінного струму, вира­жаються через відношення чисел витків.

^ 6.6. Вимірювальні підсилювачі

Вимірювальні підсилювачі входять до складу багатьох сучасних засобів вимірювань, їх застосування, дає змогу підвищити чутливість останніх на декілька порядків й істотно зменшити споживання енергії від досліджуваного об'єкта (в окремих випадках підвищується і точність вимірювань).

Залежно від типу підсилювальних елементів розрізняють елек­тронно-лампові, напівпровідникові і гальванометричні вимірювальні підсилювачі.

До недавнього часу електронно-лампові підсилювачі здебільшого застосовували в засобах вимірювання для забезпечення великого вхід­ного опору (1010—1013 Ом). Застосування у вхідних каскадах під­силювачів польових транзисторів дає змогу одержати ті самі значення вхідного опору при значно менших габаритах і вищій надійності. В зв'язку з цим електронно-лампові підсилювачі застосовуються обмежено.

Застосування інтегральних схем не тільки зменшує габарити засо­бів вимірювань, а й значно підвищує їх надійність (зменшується кількість монтажних