Кіріспе 4 страница

Аддитивтік қателіктер немесе ӨҚ нөл қателігі – бұл өлшенетін шаманың барлық мәндерінде тұрақты болып қалатын қателік (Д қосымшасы, Д.2 суретті қара).

Егер аддитивті қателік жүйелік болатын болса, онда ол алынып тасталынуы мүмкін (мысалы, нөлді түзету). Егер аддитивті қателік кездейсоқ шама болса, онда оны алып тастауға болмайды және түрлендірудің шынайы функциясы уақыт бойынша номиналға ерікті қатынас бойынша ауысады. Шынайы функция үшін өлшенетін шаманың барлық мәндерінде ені тұрақты болып қалатын жолақты бөліп алуға болады.

Кездейсоқ аддитивті қателіктердің көздері – СИ тіреуіштердегі үйкеліс, нөлдің жылжуы, шу.

Мультипликативтік қателік немесе СИ сезімталдығының қателігі - өлшенетін шаманың артуы мен сызықтық өсетін (немесе кемитін) қателік (Д қосымшасы, Д.3 суретті қара).

Мультипликативтік қателік көздері – СИ тораптарының және жекелеген элементтердің түрлену коэффициентінің өзгеруі

Сызықтық қателік – түрленудің шынайы функциясының номиналдан өзгешелігі сызықтық емес эффектілермен болатын қателік (Д қосымшасы, Д.4 суретті қара).

Сызықтық қателік көздері – СИ конструкциясы (сұлбасы), сұлбалар жасау технологиясының жетімсіздігімен байланысқан түрлендірудің сызықтық емес бұрмалану функциялары.

Гистерезис қателігі – кері жүріс қателігі (кешігу қателігі) (Д қосымшасы, Д.5 суретті қара). Бұл СИ-дің ең елеулі және болдырмауы қиын қателігі. Ол өлшенетін шаманың артуында (тура жүріс) немесе кемуінде (кері жүріс) шынайы түрлену функциясының дәл келмеуін көрсетеді.

Гистерезистің себептері – механикалық берілетін элементтердің люфті, құрғақ үйкелісі, ферромагниттік материалдардағы гистерезистік эффект, серіппе материалдарындағы ішкі тіреліс, элементтердегі, пьезоэлементтердегі, электрохимиялық элементтердегі поляризация құбылысы.

СИ теқ қана оның метрологиялық сипаттамалары белгіленген жағдайда ғана қолдануға жіберіледі. Нормаланған метрологиялық сипаттамалар туралы мәліметтер өлшеу құралдарының техникалық құжаттамасында келтірілген.

Тақырып бойынша қосымша ақпаратты [5-9] әдебиеттен алуға болады.

7 дәріс. Токтар күштерін және кернеулерді өлшеу

Дәрістің мазмұны: токтар және кернеулерді өлшеу кұралдарын таңдау факторлары; токтар және кернеулерді өлшеу қателіктері; токтар және кернеулерді өлшеу диапазондары.

Дәрістің мақсаты: тұрақты және айнымалы токтар және кернеулерді өлшеудің негізгі әдістерін оқу, ток күштерін және кернеулерді әртүрлі диапазондарда өлшеу қателіктерінің көздері.

Өлшеуге жататын токтар және кернеулер ең көп таралған электрлік шамалар болып табылады. Осыған сәйкес өндірісте шығарылатын токтар және кернеулерді өлшеу кұралдардың номенклатурасы өте кең. Өлшеу құралдарды таңдау келесі факторлар жиынтығымен анықталады: өлшенетін шаманың талап етілетін өлшемімен, ток түрімен (тұақты немесе айнымалы), жиілігімен, керекті өлшеу дәлдігімен, эксперимент жүргізу шарттарымен (зертханалық, өндірістік, далалық және т.б), сыртқы әсер ету шарттарымен (температура, магниттік өріс, діріл) жәнә басқалар.

Кернеулер мәндері әдеттегідей тура өлшеулер арқылы анықталады, токтарды – тура өлшеулерден басқа, жанама өлшеулер жиі қолданылады - өлшенетін ток тізбегіне қосылған белгілі R кедергісі бар резистордағы кернеу кемуі U өлшенеді. Ток мәні Ом заңы бойынша табылады: 1_X=U/R. Бұл жағдайда өлшеу нәтижесінің қателігі кернеуді өлшеу қателігімен және R кедергісінің номиналды мәнінің шындық мәнінен ауытқуынан пайда болатын қателігімен анықталады. Қателік , жанама өлшеулер кезіндегі бақылау нәтижелерін өңдеу ережелері бойынша табылуы мүмкін [14].

Токтар және кернеулер өлшеуі әрқашан қателігімен еріп жүреді – оған себеп болатын қолданылатын өлшеу құралдың кедергісі. Зерттелетін тізбекке өлшеу құралдың қосылуы сол тізбектің режимын бұрмалайды. Мысалы, 7.1 суретте көрсетілген тізбекке кедергісі бар амперметр қосылған болса, онда амперметр қосылғанша бұл тізбекте I=U/R тоғы ағуының орнына амперметр қосылғаннан кейін = U/(R + R_A) тоғы ағады. Амперметр кедергісі неғұрлым үлкен болса, согұрлым қателік үлкен болады. Кернеуді өлшеген кезде де сондай қателік пайда болады. Мысалы, 7.2 суретте көрсетілген тізбекке R_v кедергісі бар вольтметр қосылса, онда а және b нүктелердің арсындағы кернеуді өлшеген кезде тізбек режимі бұзылады. Себебі, вольтметр

7.1 сурет – Токты амперметрмен 7.2 сурет – Кернеуді вольтметрмен

өлшеу сұлбасы өлшеу сұлбасы

қосылғанша сұлбада болған кернеудің орнына, вольтметр қосылғаннан кейін кернеу

. (7-1)

Вольтметр кедергісі неғұрлым кіші болса, соғұрлым қателік үлкен болады.

Өлшеу құралдар кедергісінің жанама көрсеткіші болып қуат табылады – ол өлшеу жасалынатын тізбектен құралмен тұтынылады. R_A кедергісі бар амперметрден I тоғы ағатын болса, онда амперметрмен тұтынылатын қуат . Вольтметрмен тұтынылатын қуат өрнегімен анықталады, мұнда U — вольтметрмен өлшенетін кернеу, R_v— вольтметрдің ішкі кедергісі. Сондықтан, өлшеу жасалынатын тізбектен өлшеу құралмен тұтынылатын қуат неғұрлым кіші болса, соғұрлым токтарды және кернеулерді өлшеген кезде тізбектің режимын бұрмалағаннан пайда болатын қателік кіші болады. Токтарды және кернеулерді өлшеу үшін пайдаланатын өлшеу құралдар арасында өлшеу тізбегінен тұтынатын қуаты ең кіші болатын – компенсаторлар (потенциометрлер), электрондық және цифрлық аспаптар. Электромеханикалық аспаптар арасында қуатты ең аз тұтынатын магнитоэлектрлік және электростатикалық аспаптар.Компенсаторлардың өлшеу тізбегінен тұтынатын қуаты өте аз болғандықтан, олармен тек қана кернеулерді емес тағыда электр қозғауыш күштерін өлшеуге болады. Өлшенетін токтардың және кернеулердің ауқымы өте кең. Өлшенетін токтардың және кернеулердің барлық ауқымын үш диапазонға бөлуге болады: мәндері кіші, орта және үлкен. Өлшеу құралдарымен ең қамтамасыз етілген орта мәндерінің диапазоны (шамалап алғанда: токтар үшін— миллиампер бірліктерінен ампер ондықтарына дейін; кернеулер үшін — милливольт бірліктерінен вольт жүздіктеріне дейін). Дәл осы диапазон үшін токтар және кернеулерді өлшеуге жасалған өлшеу құралдарының қателігі ең кіші. Бұл әдейі істелген емес, себебі кіші және үлкен токтар мен кернеулерді өлшеген кезде қосымша қыиыншылықтар туады.

Қіші токтар және кернеулерді өлшегенде бұл қыиыншылықтарға себепші болатын – өлшеу тізбегіндегі термо-ЭҚК, өлшеу тізбегіндегі сыртқы кернеу көздерімен резистивтік және сыйымдылық байланыстар, сыртқы магниттік өрістің әсерінінен, өлшеу тізбегіндегі элементтердің шулары және басқа себептер. Өлшеу құралдың температуралық өрісі әркелкі болу себебінен әртүрлі металлдардың жалғану жерлерінде термо-ЭҚК пайда болады (өткізгіштерді дәнекерлеу және пісіру жерлерінде, қосқыштардың жылжымалы және жылжымайтын контакттарының жанасу жерлерінде және т.б.). Айтылған факторлар әсерін толық жою қолдан келмейді. Сондықтан кіші токтар және кернеулерді өлшеу үлкен қателікпен жасалынады.

Үлкен токтар және кернеулерді өлшеудің өз ерекшеліктері және қыиыншылықтары болады. Мысалы, шунттарды пайдаланып үлкен тұрақты токтарды өлшегенде шунттарда үлкен қуат таралады – соның себебінен шунттар едәуір қызады және қосымша қателіктер пайда болады. Таралатын қуатты азайту және қызуды жою үшін шунттардың габариттерін үлкейту керек немесе жасанды салқындату үшін арнайы қосымша шараларды қолдану қажет. Нәтижеде шунттар күрделі және қымбат болып шығады. Үлкен токтарды өлшеген кезде ток ағатын контактты жалғасулар сапасына қарау өте маңызды. Контактты жалғасудың сапасы нашар болса, ол тізбек режимін және, сондықтан, өлшеу нәтижесін бұрмалау ғана емес, тағыда контактты кедергіде таралатын қуат өте үлкен болғанынан контакттің күюіне әкелуі мүмкін. Үлкен токтарды өлшеген кезде ағатын токтан шиналардың төңірегіндегі күшті магниттік өріс өлшеу құралына әсер етеді, сондықтан қосымша қателік пайда болуы мүмкін.

Үлкен кернеулерді өлшегенде қызмет ететін персоналдың қаупсіздігін қамтасыз ету, тағыда изоляциядан ағатын токтан қателікті азайту үшін өлшеу құралда қолданылатын изоляциялық материалдардың сапасына қойылатын талаптарды көтеру қажет. Мысалы, егер өлшеу шектерін кеңейту үшін кернеу бөлгіш қолданылса, онда өлшенетін кернеу өскен сайын бөлгіш кедергісін көбейту керек. Үлкен кернеулерді өлшегенде бөлгіш кедергісі изоляция кедергісімен теңесуі мүмкін, бұл кернеуді бөлу қателігіне әкеледі, сондықтан, өлшеу қателігіне. Сөйтіп, үлкен токтар және кернеулерді өлшегенде, әдеттегі қателіктерден басқа, осы өлшеулердің өзгешелігімен шартталатын қателіктер пайда болады.

Өлшенетін шама өлшеміне тәуелді өлшеу қателіктердің мінездемелік өзгеруі 7.3 суретте сапалық көрсетілген (көріну үшін осьтер бойынша айнымалы масштаб қолданылады). Суретте өнеркәсіп шығаратын жұмыстық тұрақты ток өлшеу құралдары.

Айнымалы токтар және кернеулерді өлшегенде өлшенетін шама жиілігі өте маңызды болып табылады. Өлшенетін токтар және кернеулердің жиілік диапазоны өте кең: герц бөліктерінен (инфратөмен жиіліктер) мегагерц жүздеріне дейін және одан жоғары.

7.3 сурет – Өлшенетін шама 7.4 сурет – Жиілікке тәуелді айны-

өлшеміне тәуелді тұрақты ток малы ток өлшеу қателігінің өзгеруі

өлшеу қателігінің өзгеруі

Айнымалы токтар және кернеулерді өлшеу құралдарына жиілік қателік тән, оған себепші болатын жиілік өзгеруіне байланысты өлшеу құралдың индуктивтік және сыйымдылық элементтер кедергілерінің өзгеруі, ферромагниттік материалдардың кайта магниттеуіне шығындар, өлшеу құралдардың металдық бөлшектеріндегі құйын тәрізді токтарға шығындар, зиянды индуктивтіктер және сыйымдылықтар әсері (жоғарғы жиіліктерде). Осы себептер барлық белгіленген жиілік диапазонында бірдей дөлдік алуға мүмкіндік бермейді. Айнымалы токтар және кернеулер өлшеу құралдарының құжатында міндетті түрде жиілік облысы көрсетіледі, мұнда осы құралдың өлшеу дәлдігі анық кепіл болады. Токтар және кернеулер өлшеу құралдары үшін жиілік өсуіне байланысты өлшеу қателігінің өсуі жалпы заңдылық болып табылады, оны жоғарыда көрсетілген себептерімен түсіндіруге болады. 7.4 суретте жиілікке тәуелді өлшеу қателіктердің мінездемелік өзгеруі сапалық көрсетілген (көріну үшін осьтер бойынша айнымалы масштаб қолданылады). Суретте өнеркәсіп шығаратын жұмыстық айнымалы токтарды өлшеу құралдары (миллиампер ондықтары).

Тақырып бойынша қосымша ақпаратты [4,6,8,9,12,13] әдебиеттен алуға болады.

8 дәріс. Токтар күшін және кернеулерді өлшеу құралдары

Дәрістің мазмұны: тұрақты және айнымалы токтар мен кернеулерді өлшеу құралдары; айнымалы токтар мен кернеулердің әрекеттік, амплитудалық, орташатүзетілген, орташа және лездік мәндерін өлшеу.

Дәрістің мақсаты: тұрақты және айнымалы токтар мен кернеулерді өлшеу құрадардың классификациясын оқу, әртүрлі диапазондардағы ток күштерін және кернеулерді өлшеу қателіктердің көздері.

8.1 Тұрақты токтар және кернеулер өлшеу құралдары

Тұрақты токтар және кернеулерді өлшеудің ең жоғарғы дәлдігі тұрақты электрлік ток күші бірлігінің мемлекеттік біріншіреттік эталонымен (ГОСТ 8.022—75) және электрқозғауыш күші бірлігінің (ГОСТ 8.027—81) анықталады. Мемлекеттік біріншіреттік эталондар бірліктерді жаңғыртуын келесі өлшеу нәтижесінің орташа квадраттық ауытқуымен қамтамасыз етеді – тұрақты ток күші үшін 4 10 аспайтын және электқоғауыш күші (ЭҚК) үшін 5 10 аспайтын, мұнда жойылмаған жүйелік қателігі ток үшін 8 10 және ЭҚК үшін 1 10 мәндерінен аспау керек. Тұрақты токтар және кернеулерді жұмыстық өлшеу құралдарынан ең кіші өлшеу қателігін беретін тұрақты ток компенсаторлар. Мысалы, Р332 типті компенсатордың (потенциометрдың) дәлдік класы 0,0005 және тұрақты ЭҚК мен кернеуледі 10 нВ ден 2,1211111 В дейін өлшеуге мүмкіндік береді. Компенсаторлар көмегімен тұрақты токтарды жанама өлшеуі электр кедергі катушкасын қолдануымен жасалынады. Р332 типті компенсаторды және дәлдік класы 0,002 Р324 типті электр кедергі катушкасын қолданған кезде қателігі ±0,0025 % аспайтын дәлдікпен токтарды өлшеуге болады. Компенсаторлар тұрақты токтар, ЭҚК және кернеулерді дәл өлшеу үшін және дәлдігі кем өлшеу құрадарын сынаудан өткізу колданыланады. Тұрақты токтар және кернеулерді өлшеу құралдардың ең көп таралған болып табылатын амперметрлер (микро-, милли-, килоамперметрлер) және вольтметрлер (микро-, милли-, киловольтметрлер), сонымен қатар әмбебап және құрама аспаптар (мысалы, микровольтнаноамперметрлер, нановольтамперметрлер және т. б.). Жиі қолданылатын тұрақты токтар және кернеулерді өлшеу құралдар Е қосымшасында келтірілген (кестелер Е.1 және Е.2).

Тұрақты токтар мен кернеулердің кіші және орташа мәндерін өлшеу үшін ең көп таралған цифрлық және магнитоэлектрлік аспаптар. Үлкен тұракты токтарды өлшеу, әдеттегідей, сыртқы шунттарды қолданып магнитоэлектрлік килоамперметрлермен жасалынады, ал өте үлкен токтарды – тұрақты ток трансформаторларды қолданып. Үлкен тұрақты кернеулерді өлшеу үшін магнитоэлектрлік және электростатикалық киловольтметрлер қолданылады. Тұрақты ток тізбектерінде токтар мен кернеулерді техникалық өлшеу үшін электродинамикалық амперметрлер және вольтметрлер сирек колданатыны есте болу керек. Олармен үлгілі аспаптар ретінде дәлдік класы төмен өлшеу құралдар сынаудан өткен кезде жиі пайдаланады (олармен қатар дәлдік класы жоғары цифрлық және магнитоэлектрлік аспаптар). Е.1 және Е.2 кестелерде термоэлектрлік аспаптар көрсетілмеген, өйткені оларды тұрақты тізбектерінде пайдаланған жөнсіз – олардың өлшеу тізбегінен тұтынатын құаты салыстырмалы үлкен болғандықтан.

8.2 Айнымалы токтар және кернеулерді өлшеу құралдар

Айнымалы токтар және кернеулерді өлшеу негізіне 40 – 1 10 Гц жиілік диапазонда 0,01 – 10 А ток күшін жаңғыртатын мемлекеттік арнайы эталон (ГОСТ 8.183—76) және 20 –3 10⁷ Гц жиілік диапазонда 0,1 — 10 В кернеуін жаңғыртатын мемлекеттік арнайы эталон (ГОСТ 8.184—76) қойылған. Бұл эталондардың дәлдігі жаңғыртылатын шамалардың өлшеміне және жиілігіне тәуелді.

Айнымалы токтар және кернеулерді өлшеудің жұмыстық құралдары болып табылатын амперметрлер (микро-, милли-, килоамперметрлер), вольтметрлер (микро-, милли-, киловольтметрлер), айнымалы токтың компенсаторлары, әмбебап және құрама аспаптар, сонымен қатар тіркейтін аспаптар және электрондық осциллографтар.

Айнымалы токтар және кернеулерді өлшеудің ерекшелігі – олар уақыт бойынша өзгеретіні. Жалпы жағдайда уақыт бойынша өзгеретін шама өзінің кез келген уақыттағы лездік мәндерімен толық анықталады. Уақыт бойынша айнымалы шамалар тағыда өзінің жеке параметрлерімен сипатталануы мүмкін (мысалы, амплитудасымен) немесе интегралдық параметрлерімен – олар ретінде әрекеттік мәні пайдаланылады

, (8.1)

орташатүзетілген мәні

,(8.2)

және орташа мәні

. (8.3)

мұнда x{t) — уақыт бойынша өзгеретін шама.

Сөйтіп, айнымалы токтар және кернеулерді өлшегенде олардың әрекеттік, амплитудалық, орташатүзетілген, орташа және лездік мәндері өлшенуі мүмкін. Электрлік өлшеулердің тәжірибесінде ең жиі өлшеуге жататын синусоидалды айнымалы токтар және кернеулер болады, әдетте олар әрекеттік мәнімен сипатталанады. Сондықтан, ток немесе кернеудің қисығы түрі синусоидалды болса, айнымалы токтар және кернеулерді өлшеудің құралдары көбінесе әрекеттік мәндерде градусталады.

Айнымалы токтар және кернеулердің әрекеттік мәндерін өлшеуі әртүрлі өлшеу құралдарымен жасалынады, олардың арасында ең көп таралғандары Е қосымшасында келтірілген (кестелер Е.3 және Е.4). Бұл кестелерді Е.1 және Е.2 кеслерімен салыстыруы мынаны көрсетеді – айнымалы токтар және кернеулерді өлшеудің ең кіші жоғарғы шектері тұрақтылардан бірнеше есе үлкен. Ол былай түсіндіріледі – сыртқы айнымалы магниттік өріс және паразиттік резистивті-сыйымдылық байланыстар әсерлері айнымалы шамаларды өлшегенде ең күшті [9]. Ескеру керек, Е.3 және Е.4 кестелерде келтірілген цифрлар әртүрлі аспаптардың шекті мүмкіндіктерін сипаттайды. Бірақ, өлшеу диапазонның жоғарғы шектерін сипаттайтын цифрларды, жиілік диапазонын сипаттайтын цифрларымен бір мағыналы байланыстыруға болмайды. Өлшенетін шамалар диапазоны және жиілік диапазоны арасындағы байланыс әртүрлі өлшеу құралдар үшін әртүрлі. Сөйтіп жалпы заңдылықты көрсетуге болады - өлшенетін шама мәні өскен сайын жиілік диапазонның жоғарғы шекарасы, әдеттегідей, азайады. Сонымен қатар, бұрын белгіленген, басқа заңдылық та көрінеді: жиілік өскен сайын өлшеу қателігі өседі.

Синусоидалды токтар және кернеулердің орташатүзетілген және амплитудалық Х_т мәндерін өлшеу қиын емес, себебі бұл мәндер бір мағыналы синусоиданың әрекеттік мәнімен X байланысқан: = Х/1,11 және Х_т = . Бұл аспаптардың жиілік диапазоны неғұрлым кең болса, соғұрлым токтар және кернеулер қисықтар түрлері өзгеруінен пайда болатын қателік кіші болады.

Айнымалы токтар және кернеулердің орташа мәні өлшенетін токтар немесе кернеулердің тұрақты құрастырушысын сипаттайды. Айнымалы токтар және кернеулердің орташа мәндерін өлшеу үшін әдетте магнитоэлектрлік аспаптар пайдаланылады.

Айнымалы токтар және кернеулердің лездік мәндері тіркейтін аспаптар және электрондық осциллографтармен өлшенеді. Ескеру керек, лездік мәндері бойынша токтар және кернеулердің басқа да мәндерін анықтауға болады (орташа, орташатүзетілген, әрекеттік, амплитудалық).

Үшфазалы тізбектерде токтар және кернеулерді өлшеу ерекшелерін атап өтейік. Егер әрбір өлшенетін шама өз аспабымен өлшенетін болса, жалпы жағдайда симметриялы емес үшфазалы тізбектерде қажетті токтар және кернеулерді өлшеу құралдардың саны өлшенетін шамалар санына сәйкес болады. Симметриялы үшфазалы тізбектерде өлшеу кезінде тек қана бір линияда (фазада) ток немесе кернеуді өлшеу жасаған жеткілікті, себебі бұл жағдайда барлық линиялық (фазалық) токтар мен кернеулер бір-біріне тең. Линиялық және фазалық токтар мен кернеулер арасындағы байланыс жүктемені қосу сұлбасына тәуелді.

Симметриялы үшфазалы тізбектерде бұл байланыс белгілі арақатысымен анықталады: және жүктеме жұлдызша сұлбасы бойынша қосылғанда және және жүктеме үшбұрыш сұлбасы бойынша қосылғанда.

Өлшеу трансформаторлар көмегімен симметриялы емес үшфазалы тізбектерде токтар мен кернеулерді өлшеген кезде қолданылатын өлшеу транформаторлар санын азайтуға болады. Мысалы ретінде 8.1, а суретінде үш линиялық токтарды өлшеу үшін екі өлшеу трансформаторлар қолдану сұлбасы келтірілген, ал 8.1, б суретінде сондай ақ линиялық кернеулерді өлшеу сұлбасы келтірілген.

Дата добавления: 2014-12-07