Билет 5.2. Электронные вольтметры

Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электронный преобразователь может быть ламповым или полупроводниковым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический.

Измерительный механизм

Рис.2.2

Электронный вольтметр состоит из ИЦ, ИМ и ОУ. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (применяют и бескаркасные рамки). Катушка (рамка) может поворачиваться в зазоре на полуосях 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (меха­нические и электрические соединения на рисунке не показаны). Рамка жестко соединена и со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10. Проходя по проводникам обмотки рамки, ток взаимодействует с магнитным потоком постоянного магнита, что вызывает появление механических сил F, создающих вращающий момент Мвр, стремящийся повернуть рамку.

Мвр = I*B*S*w, где

I - ток, протекающий по обмотке,

B – магнитная индукция в воздушном зазоре

S – площадь

w – число витков обмотки

Это уравнение является выражением вращающего момента для всех электронный вольтметров. Противодействующий момент в приборах необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвижной части. В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружиной, противодействующий момент будет

Мпр = Da, (2.2)

где D — удельный противодействующий момент, зависящий от геометрических размеров и материала пружины (растяжек).

Электронные вольтметры подразделяют на:

1. Установки для поверки вольтметров

2. Вольтметры постоянного тока

3. Вольтметры переменного тока

4. Вольтметры импульсного тока

5. Фазочувствительные

6. Селективные

7. Универсальные

1. Установки для поверки вольтметров – это приборы, предназначенные для настройки, регулирования и поверки измерителей напряжения. Основой для этих приборов служит источники напряжения калиброванного уровня.

2. Отличительной особенностью электронных вольтметров на постоянном токе – их большое входное сопротивление, благодаря этому их можно применять для измерения напряжения на участке цепи.

3. Наиболее распространенными и универсальными приборами являются электронные вольтметры переменного тока. У них высокая чувствительность и широкие пределы измерений, которые при использовании усилителей и делителей напряжения охватывают область напряжений от единиц микровольт до тысяч вольт; малая входная емкость (единицы пикофарад) и высокое входное активное сопротивление (до десятков мегом); обширный диапазон рабочих частот (от десятков герц до сотен мегагерц); способность выдерживать большие перегрузки.

4. Импульсные предназначены, для измерения одиночных и повторяющихся импульсных и импульсно-моделирующих напряжений в диапазоне длительности от нескольких наносекунд до десятков миллисекунд. Некоторые импульсные используются для измерения амплитудных значений напряжения на переменном токе. Кроме того, можно использовать для измерения постоянного напряжения.

5. Фазочувствительные вольтметры применяются при снятии амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик различных низкочастотных четырехполюсников — усилителей, фильтров и др.

6. Селективные - электронные вольтметры, на входе которых предусмотрены избирающие, подстраивающие устройства. Ими можно измерять высокочастотные напряжения в присутствии помех.

7. Универсальные. Измеряют напряжение, как на постоянном, так и на переменном токе. Позволяют измерять силу тока в цепях постоянного тока.

Вольтметры постоянного тока

Входное устройство

Усилитель постоянного тока

Измерительный механизм

Рис.2.28

Где ВУ – входное устройство, УПТ – усилитель постоянного тока, ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм.

Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 2.28. Измеряемое напряжение V подается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока и далее — на измерительный механизм. Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы измерительного механизма. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма.

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью построения всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Однако повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ, характеризующейся изменением kУПT и дрейфом «нуля» (самопроизвольным изменением выходного сигнала) усилителя. Поэтому в таких вольтметрах, как правило, kУПT ≈1, а основное назначение УПТ — обеспечить большое входное сопротивление вольтметра. В связи с этим верхний предел измерений таких вольтметров не бывает ниже десятков или единиц милливольт.

Для уменьшения влияния нестабильности УПТ в вольтметрах предусматривают возможность регулировки перед измерением «нуля» и коэффициента преобразования усилителя.

Угол отклонения указателя измерительного механизма α = kВУkУПTSUUx= =kVUx, где kВУ, kУПT — коэффициенты преобразования (усиления) соответственно ВУ и УПТ, SU —чувствительность по напряжению измерительного механизма; kV — коэффициент преобразования электронного вольтметра; Ux — измеряемое напряжение.

Для создания высокочувствительных вольтметров постоянного тока (микровольтметров) применяют усилители постоянного тока, построенные по схеме М — ДМ (модулятор — демодулятор).

Генератор управляет работой модулятора и демодулятора, представляющих собой в простейшем случае аналоговые ключи, синхронно замыкая и размыкая их с некоторой частотой. На выходе модулятора возникает однополярный импульсный сигнал, амплитуда которого пропорциональна измеряемому напряжению. Переменная составляющая этого сигнала усиливается усилителем, а затем выпрямляется демодулятором. Применение управляемого демодулятора делает вольтметр чувствительным к полярности входного сигнала.

Среднее значение напряжения выходного сигнала пропорционально входному напряжению Uср = kUx. Поскольку такая схема усилителя позволяет практически убрать дрейф «нуля» и имеет стабильный коэффициент усиления, коэффициент k может достигать больших значений, например k=3,33-105 для микровольтметра В2-25. Вследствие этого у микровольтметров верхний предел измерений при наивысшей чувствительности может составлять единицы микровольт. Так, микровольтметр постоянного тока В2-25 имеет верхние пределы измерений 3, 10—300, 1000 мкВ при основной приведенной погрешности ± (0,5—6)%.

Недостатками вольтметров являются трудность изменения предела измерений, из-за чего приборы выполняются, как правило, однопредельными, и низкая чувствительность (верхний предел измерений не менее десятков вольт), что определяет преимущественное их использование для измерения высоких напряжений. Необходимость питания от стабильных источников постоянного или переменного напряжения; необходимость в электрической установке стрелки измерителя на нуль или калибровке вольтметра перед началом измерений; сравнительно большая погрешность измерений (до 3—5%). Шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

Преимущества

Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, высоким входным сопротивлением, широким диапазоном измеряемых напряжений, могут работать в широком диапазоне частот.

Диапазон измерений

Электронные вольтметры обладают широким диапазоном измеряемых напряжений: от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт, работают в частотном диапазоне от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц, входное сопротивление более 1 МОм.

Вольтметры с уравновешивающим преобразованием, как правило, имеют более высокие классы точности: 0,2 – 2,5.

Билет №5 3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Трансформаторы тока служат для преобразования тока большой величины в ток малой величины. На рис. 224 показаны устройство и схема включения трансформатора тока.На сердечник, собранный из отдельных листов трансформаторной стали, наматываются две обмотки: первичная, состоящая из небольшого количества витков, включаемая последовательно в цепь, по которой проходит измеряемый ток, и вторичная, состоящая из большого числа витков, к которой подключены измерительные приборы. При измерении тока в сетях высокого напряжения измерительные приборы оказываются отделенными и изолированными от высоковольтных проводов.

Вторичная обмотка трансформатора тока выполняется обычно на ток 5 а (иногда на 10 а), первичные номинальные токи могут быть от 5 до 15 000 д..

Отношение первичного тока к вторичному, равное приближенно обратному отношению витков обмоток, называется коэффициентом трансформации трансформатора тока (обозначается kт). Номинальный коэффициент трансформации указывается на паспорте трансформатора в виде дроби, в числителе которой указывается номинальный первичный ток, а в знаменателе — номинальный вторичный ток. Например, 150/5 а, т. е. kт = 30.

Приборы, постоянно работающие с одним трансформатором, градуируются на первичный ток с учетом коэффициента трансформации. Применение трансформатора тока, так же как и трансформаторов напряжения, вносит неизбежные погрешности (до ±1%) в результате измерений.

Напомним, что в трансформаторе напряжения результирующий магнитный поток при любом режиме работы остается почти постоянным. Если же в трансформаторе тока при неизменном первичном токе, величина которого определяется током нагрузки, увеличивать сопротивление в цепи вторичной обмотки, то это приведет к уменьшению тока I2 и потока Ф2, что в свою очередь вызовет увеличение результирующего потока Ф. При размыкании вторичной обмотки (I2 = 0, Ф2 = 0) результирующий магнитный поток в сердечнике трансформатора увеличится до величины потока Ф1. Сердечник, рассчитанный на результирующий поток Ф, в этом случае станет перегреваться, что может привести к порче трансформатора. Кроме того, увеличенный против обычного магнитный поток будет индуктировать во вторичной обмотке значительную э. д. с. (500— 1000 в), опасную при случайном прикосновении к ее зажимам. Поэтому при протекании тока по первичной обмотке размыкать вторичную обмотку нельзя; она должна быть всегда замкнута на приборы или накоротко.

При увеличении сопротивления вторичной цепи возрастает результирующий магнитный поток, сердечник трансформатора насыщается, что приводит к увеличению погрешностей трансформатора.

Подключая к трансформатору тока измерительные приборы, необходимо следить, чтобы мощность, потребляемая приборами, не превышала номинальной мощности трансформатора. Если, например, мощность трансформатора равна 20 ва, то при вторичном токе в 5 а сопротивление вторичной цепи должно быть не более

Зная вторичный ток I2 и коэффициент трансформации трансформатора тока кт, можно определить первичный ток I1: При подсчетах необходимо учитывать сопротивление проводов. Допускаемая нагрузка трансформаторов тока лежит в пределах 15—75 ва

У трансформаторов тока один конец вторичной обмотки и кожух заземляются с той же целью, что и у трансформаторов напряжения. Трансформаторы тока делятся по различным признакам.

По числу вторичных цепей трансформаторы делятся на однообмоточные и двухобмоточные. В последнем случае трансформатор имеет две вторичные обмотки, намотанные на два сердечника. Такой трансформатор служит для питания двух раздельных вторичных цепей: например, от одной обмотки могут питаться измерительные приборы, а от другой — реле.

По числу витков первичной обмотки трансформаторы делятся на одновитковые и многовитковые.

По степени точности трансформаторы тока делятся на пять классов: 0,2; 0,5; 1; 3 и 10. Цифры обозначают погрешность в коэффициенте трансформации в процентах.

В зависимости от назначения трансформаторы делятся на стационарные (устанавливаемые на одном месте) и переносные. Последние изготовляются с несколькими (до 28) коэффициентами трансформации.

Своеобразным трансформатором тока являются измерительные клещи (рис. 225). Разъемный стальной сердечник при помощи изолирующих ручек может раздвигаться и охватывать провод или шину. Амперметр, укрепленный на клещах, подключен к концам вторичной обмотки, намотанной на сердечник. Первичной обмоткой является провод или шина с измеряемым током.

Трансформаторы тока служат для включения амперметров, последовательных обмоток ваттметров, счетчиков, фазометров, токовых реле и т. п.

Билет №6 1 КАЛИБРОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Если средства измерения не входят в сферу распространения государственного контроля и надзора, то при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при эксплуатации, прокате и продаже они могут подвергаться калибровке.

Калибровку средств измерения выполняют калибровочные лаборатории или в соответствии с принятой в России терминологией «метрологические службы юридических лиц» с использованием эталонов, соподчиненных с государственными эталонами единиц величин.

Результаты калибровки удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на средства измерения, или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах.

Метрологические службы юридических лиц могут быть аккредитованы на право проведения калибровочных работ ГНМЦ или органами Государственной метрологической службы в соответствии с документом ПР 50.2.018-95 «Порядок аккредитации метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ». Аккредитованным метрологическим службам юридических лиц предоставляется право выдавать сертификаты о калибровке от имени органов и организаций, которые их аккредитовали.

При рассмотрении споров в суде, арбитражном суде, органах государственного управления оформленные надлежащим образом результаты калибровки могут быть использованы в качестве доказательств.

Технически процедуры калибровки и поверки абсолютно тождественны и сводятся к определению погрешности средства измерения с использованием эталона, поэтому за рубежом вместо термина «verification» (поверка) чаще используется термин «legal calibration» (калибровка в сфере распространения государственного контроля и надзора).

3.2. Виды калибровки

3.2.1. Средства измерений подвергаются первичной, периодической и

внеочередной калибровке.

3.2.2. Первичной калибровке подлежат средства измерений при

выпуске из ремонта и при ввозе по импорту.

3.2.3. Периодическую калибровку должны проходить все средства

измерений через определенные межкалибровочные интервалы, кроме средств

измерений, находящихся на длительном хранении.

3.2.4. Средства измерений, находящиеся в эксплуатации (на

хранении), могут подвергаться внеочередной калибровке при:

повреждении калибровочного клейма или в случае утери сертификата

о калибровке;

вводе в эксплуатацию средств измерений после длительного хранения

(более одного межкалибровочного интервала);

неудовлетворительной работе средств измерений.

Дата добавления: 2015-04-30