Кіріспе 5 страница

8.1 сурет – Үшфазалы тізбекте токтарды (а) және кернеулерді (б) өлшеу сұлбалары

Бұл сұлбалар үшфазалы тізбектер үшін белгілі арақатынастарға негізделген: және . Токтарды өлшеу сұлбасында және токтар А1 және А2 амперметрлермен өлшенгенде токты өлшеу трансформаторлардың К және К трансформация коэффициенттері есепке алынады, яғни и . Амперметр А3 қосылғаны сондай, одан токтар қосындысы ағады, яғни . Егер К = К болса, онда . Мұнда «минус» таңбасы токтың фазасы өзгергенін көрсетеді, ал амперметрлер көрсетімдері өлшенетін токтың фазасына тәуелді емес екені белгілі, сондықтан А3 амперметрдің көрсетімі бойынша тоғын анықтауға болады.

Линиялық кернеулерді өлшеу сұлбасы ұқсас жұмыс істейді.

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

9 дәріс. Қуат, энергия және электр мөлшерін өлшеу

Дәрістің мазмұны: тұрақты және айнымалы бірфазалы токтың қуаты және энергиясы, үшфазалы тізбектердің актив және реактив қуаты.

Дәрістің мақсаты: қуат, энергия және электр мөлшерін өлшеу құралдарын және әдістерін оқу.

9.1 Қуат, энергия, электр мөлшері және оларды өлшеу эдістері

Физикалық объекттердің, процестердің және құбылыстардың көбісінің негізгі мінезделері болып құат пен энергия табылады. Сондықтан құат пен энергияны анықтау – ол өлшеудің өте көп таралған түрі. Энергия және сондай ақ қуаттың түрлері өте көп: электрлік, жылулық, механикалық, сәулелену қуаты және т.б. Ең көп таралғандары бұл электрлік қуат пен энергияны өлшеу. Қуат пен энергияның басқа түрлерін де өлшеуі электрлік әдістерімен жасалынады. Кәзіргі заман тәжірибеде электрлік қуатты өлшеу кең шектерде талап етіледі: 10 ²⁰ Вт-тан көптеген миллиард Вт- тарға дейін. Басқа энергетикалық электрлік шамалар сияқты, қуат пен энергияны кең жиілік диапазонда өлшейді: 0-ден (тұрақты ток) 10⁹ Гц-ке дейін және одан да үлкен.

Тұрақты ток электр тізбегінде қуатты осы өрнектердің біреуімен көрсетуге болады

, (9.1)

мұнда I— тізбектегі ток;

U — R кедергісі бар жүктемеде кернеу кемуі;

q — уақыт бірлігінде жүктемеде шығатын жылу мөлшері.

Айнымалы токтың бірфазалы электр тізбегіндегі актив қуаты Т периодтағы қуаттың орташа мәні болып анықталады

, (9.2)

мұнда и, i және р —кернеу, ток және құаттың лездік мәндеріне сәйкес.

Ток және кернеу уақыт бойынша синусоидалды функциялар болса, онда актив қуат мына өрнекпен есептеленеді

. (9.3)

Көбейткіш cos қуат коэффициенты деп аталады, ал S = UI – толық қуаты дейді, ол актив қуатты тек қана актив жүктеме кезінде анықтайды, яғни cos = 1 болған кезде.

Әртүрлі электротехникалық құрылғыларды есептегенде және олардың тиімділігін бағалағанда реактив қуат ұғымы қолданылады, ол синусоидалды

процесс үшін мына өрнекпен анықталады

. (9.4)

Құат коэффициенті актив қуаттың толық қуатқа қатынасы болып анықталады:

. (9.5)

Көпфазалы тізбек үшін актив және реактив қуаттар өрнектері мынадай түрде болады

, (9.6)

мұнда U_ф және I_ф — фазалық кернеу және токтардың әрекеттік мәндері;

— сәйкес фазалық кернеулер және токтар арасындағы фазалық ығысу бұрышы;

п — фазалар саны.

Электрэнергияны тек қана ірі тұтынушыларда реактив қуатын өлшеудің мағынасы бар, олар әр уақытта үшфазалы айнымалы токпен қамтамасыз етіледі.

Уақыт бойынша қуаттың интегралы болатын, электр энергияның өрнегі жоғарыда келтірілген қуаттың өрнектерін интегралдау жолымен табылады. Сондықтан электр энергияны санауыш өзі, әдетте, қуатты өлшеу түрлендіргіші және интегратор болып табылады, сол ретінде механикалық немесе электрлік санауыштар қолданылады.

Қолданылатын өлшеу түрлендіргіштер түріне тәуелді қуатты (энергияны) өлшеу әдістері мыналарға бөлінеді: электрмеханикалық, электрлік, электржылулық (калориметрлік) және салыстыру әдісі.

Электр энергияны өлшеу диапазоны номиналды (максималды) токтар мен кернеулердің өзгеру диапазонымен анықталады. Әртүрлі электртехникалық құрылгылармен тұтынылатын энергия үшін токты өлшеу диапазонның төменгі шегі 10 А тең, ал кернеудің – 10 В. Бірақ ондай кіші энергияларды тікелей өлшеу үшін өлшеу құралдары болмайды, сондықтан энергияның кіші мәндері жанама әдістермен анықталады (мысалы, қуатпен уақыт анықталады). Токты өлшеу диапазонның жоғарғы шегі 10 А, ал кернеудің — 10 В. Энергияны өлшеудің рұқсат етілетін қателігі мына шектерден шықпау керек ±(0,1— 2,5) %.

Реактив энергиясын өлшеу тек қана өнеркәсіп үшфазалы тізбектер үшін керек. Сондықтан, бұл жағдайда, токты өлшеу диапазонның төменгі шегі 1 А деңгейінде болады, ал кернеудің – 100 В. Энергияны тікелей өлшеген кезде токты өлшеу диапазонның жоғарғы шегі 50 А тең және кернеудің – 380 В. Реактив энергияны өлшеудің рұқсат етілетін қателігі мына деңгейде болу керек ±(1— 2,5) %.

Электр мөлшерін өлшеу кең шектерде жасау керек: токтың қыскаша мерзімді импульстердің энергия мөлшерін өлшеуден (милликулон бірліктерінен) ұзақ мерзімде ағатын энергия мөлшерін өлшеуге дейін (10 Кл дейін). Энергия мөлшерін өлшеудің рұқсат етілетін қателігі мына шектерден шықпау керек ±(0,1— 5) %.

Отандық өнеркәсіп шығаратын, казіргі заман өлшеу құралдары көмегімен жететін, қуатты, энергияны, электр мөлшерін өлшеу диапазондары және ең кіші қателіктер Ж қосымшасында келтірілген (Ж.1 кестені қара).

9.2 Тұрақты және айнымалы бірфазалы токтың қуатын және энергиясын өлшеу құралдары

Тұрақты және бірфазалы айнымалы токтың қуаты 10 ден 10 Вт дейінгі диапазонда өлшенеді, сонымен бірге төменгі шегі радиотехникалық құрылғылардың жоғарғы жиілікті айнымалы токтың қуатына қарайды. Тұрақты және айнымалы токтың қуатын өлшеудің талап етілетін дәлдігі әртүрлі жиілік диапазон үшін әртүрлі. Тұрақты және өнеркәсіптік жиілігі бар айнымалы бірфазалы және үшфазалы ток үшін қателік мына шектерде болу керек ± (0,01—0,1) %; аса жоғары жиіліктер кезінде қателік одан жоғары болуы мүмкін ±(1—5 %).

Тұрақты және айнымалы бірфазалы ток тізбектерінде қуатты өлшеу үшін электродинамикалық және ферродинамикалық ваттметрлер пайдаланылады.

Өнеркәсіп және көтеріңкі жиіліктегі (5000 Гц дейін) тұрақты және айнымалы токтың қуатын дәл өлшеу үшін тасымал аспаптар түрінде электродинамикалық ваттметрлер шығарылады, олардың дәлдік кластары 0,1—0,5.

Өндіріс жағдайларында өнеркәсіп және өте жоғары белгіленген жиіліктері бар (400, 500 Гц) айнымалы ток тізбектерінде қуатты өлшеу үшін қалқанша ферродинамикалық ваттметрлер пайдаланылады, олардың дәлдік кластары 1,5—2,5.

Жоғарғы жиіліктерде қуатты өлшеу үшін термоэлектрлік және электрондық ваттметрлер пайдаланылады.

Үлкен токтар мен кернеулер кезінде қуатты өлшеу үшін әдетте ваттметрлер ток пен кернеуді өлшеу трансформаторлар арқылы қосылады. Тұрақты және айнымалы бірфазалы токтың қуатын өлшегенде жанама әдістерді пайдалануы да кездеседі. Тұрақты токтың қуатын екі аспап көмегімен анықтауға болады: амперметр және вольтметр, ал бірфазалы айнымалы токтың қуатын – үш аспап көмегімен: амперметр, вольтметр және фазометр (немесе қуат коэффициент өлшеуіш). Аспаптарды қосылудың әртүрлі сұлбалар үшін қуатты өлшеудің әдістемелік қателіктері әртүрлі болады.

Қуатты жанама өлшеу кезінде екі немесе үш аспап бойынша есептеу жасау керек. Бұдан басқа, мұнда аспаптардың инструменталды қателіктердің қосылу себебінен өлшеу дәлдігі төмендейді. Мысалы, айнымалы бірфазалы токтың қуатын тура өлшеуі ±0,1 % (Ж.1 кестені қара) ең кіші қателікпен жүргізілуі мүмкін, ал қуатты жанама өлшеу кезінде тек қана қуат коэффициентін өлшеу ±0,5 % ең кіші қателікпен жасау мүмкін, солай болған соң, жалпы қателік ±0,5 % аспайды.

Айнымалы токтың қаутын өлшеу үшін кейде электрондық осциллограф пайдаланылады, мысалы, ферромагниттік материалдарда гистерезиске қуат шығынын анықтағанда. Мұнда гистерезис ілмегінің аудуны қуат шығынына пропорционалды болып шығады.

Тұрақты токтың энергиясын өлшеуі тұрақты ток санауыштар көмегімен жасалынады.

Айнымалы бірфазалы токтың энергиясы электр энергия индукциондық санауыштармен өлшенеді.

Электр энергиясын тағы жылжымалы бөлшектері жоқ электр энергия электрондық санауыштар көмегімен өлшеуге болады. Мұндай санауыштар өте жақсы метрологиялық мінездемелеріне және үлкендеу сенімділікке ие болады және болашағы бар электр энергия өлшеу құралдары болып табылады.

9.3 Электр мөлшерін өлшеу құралдары

Электр мөлшерін өлшеу үшін баллистикалық гальванометрлер, кулонметрлер және ампер-сағат санауыштар пайдаланылады. Бұл аспаптар барлығы ток өлшеу тізбегіне тізбектелініп немесе шунт көмегімен, немесе тікелей қосылады.

Баллистикалық гальванометрлер кіші электр мөлшерін өлшеу үшін пайдаланылады, олар уақыттың қысқа араларында ағады. Баллистикалық гальванометрлермен электр мөлшерін өлшеу қателігі ±(5—10) % құрауы мүмкін.

Кулонметрлер ток импульстерінің электр мөлшерін өлшеу үшін қызмет етеді. Кулонметрмен өлшеудің келтірілген қателігі ±5 % аспайды. Кулонметрдің жұмыс істеу ерекшелігі – өлшенетін ток импульсі амплитудасының тұрақтылығы.

А мпер-сағат санауыштар, уақыттың ұзақ мерзімінде ағатын, электр мөлшерін өлшеу үшін пайдаланылады. Оларды, мысалы, аккумуляторлық батареялар жүктеме тізбегінде ағатын электр мөлшерін есептеу үшін қолданылады, электролиз цехтердегі электр мөлшерін есептеу үшін және т.б. Магнитоэлектрлік ампер-сағат санауыштардың келтірілген қателігі ±0,5 % аспайды. Электрондық ампер-сағат санауыштардың келтірілген қателігі ±1 % аспайды.

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

10 дәріс. Жиілік, уақыт интервалдарын және фазаны өлшеу

Дәрістің мазмұны: уақыт және жиілік бірліктердің мемлекеттік біріншіреттік эталоны; фазалық ығысу бұрыштың мемлекеттік арнайы эталоны; Лиссажу фигуралар әдісі.

Дәрістің мақсаты: жиілік, уақыт интервалдарын және фазаны өлшеу құралдарын және әдістерін оқу.

Ғылыми зерттеулер және өндірістік тәжірибесінде жиілікті, уақыт интервалдарды, өнеркәсіптік жиілігі бар тізбектерде кернеулер мен жүктеме тоғы арасындағы фазалық ығысуын, периодикалық кез келген формасы бар жиілігі бірдей кернеулер арасындағы фазалық ығысуын өлшеу қажеттілігі жиі кездеседі.

Әртүрлі ғылым және техника облыстарында қолданылатын периодикалық сигналдардың жиілік диапазоны өте кең – герц бөлшектерінен гигагерц ондықтарына дейін. Электромагниттік тербелістер жиіліктерінің барлық спектрін екі диапазонға бөледі – төменгі және жоғарғы жиіліктер. Төменгі жиіліктерге қарайтындар: инфрадыбыстық (20 Гц-тен төмен), дыбыстық (20-20 000 Гц) және ультрадыбыстық (20—200 кГц). Жоғарғы жиіліктер диапазоны да келесі диапазондарға бөлінеді: жоғарғы жиіліктер (200 кГц — 30 МГц), ультражоғарғы (30—300 МГц) және аса жоғарғы (300 МГц-тен жоғары).Жоғарғы жиіліктер диапазондағы жиіліктер (ультра- және аса жоғарғы жиіліктер) өлшеулері радиоөлшеулерге жатады.

Жиілік өлшеуді басқа физикалық шамалар өлшеуімен салыстырғанда өте жоғары дәлдікпен өткізуге болады, оның себебі – жиілік сигналдың бөгеттен қорғануы жоғары және жиілікті жоғары дәлдікпен цифрлық кодына түрлендіруге болады. Жиілікті өлшеу қателігі қолданылатын өлшеу құралдарына және әдістеріне тәуелді және әртүрлі жиілік диапазондары үшін әртүрлі.

Уақыт интервалын тағайындау формалар көптігімен айыруға болады. Сөйтіп, уақыт интервалы келесі түрлерде болу мүмкін: синусоидалды тербелістер периоды, импульстар ілесу периоды, екі импульстер арасындағы интервал, импульс ұзақтылығы түрінде және т.б. Өлшенетін уақыт интервалдар диапазоны өте кең: микросекунд бөлшектерінен сағаттар ондықтарына дейін және одан жоғары.

Кейбір жағдайларда жиілік пен уақыт бір-бірімен кері пропорционалды тәелділікпен байланысқан және бірдей дәлдікпен өлшенуі мүмкін. Жиілік пен уақыт интервалдарын өлшеу дәлдігінің шегі мемлекеттік біріншіреттік эталонымен анықталады, ол жиілік пен уақыт бірліктерін жаңғыртуын аспайтын өлшеу нәтижесінің орташа квадраттық ауытқумен қамтамасыз етеді, мұнда жойылмаған жүйелік қателік аспайды.

Фазалық ығысу бұрышын өлшеу диапазоны құрайды. Кейбір өлшеу құралдарын градустауы ығысу бұрышының бірліктерінде емес, өлшемсіз қуат коэффициенттің бірліктерінде - синусоидалды кернеулер (токтар) үшін немесе - синусоидалды емес кернеулер (токтар) үшін, мұнда және - актив және толық қуаты; (немесе ) өлшеу диапазоны 0-ден 1-ге дейін.

Фазалық ығысу бұрышынөлшеу дәлдігі кернеулер (токтар) жиілігіне тәуелді, солардың арасында фазалық ығысу өлшенгенде, сонымен қатар пайдаланатын өлшеу құралдары мен әдістеріне.

Өлшенетін шамаларға тәуелді, фазалық ығысу бұрышынөлшеу дәлдігінің шегі екі электрлік кернеулер арасында, жиілік диапазоны — Гц болса, фазалық ығысу бұрышының мемлекеттік арнайы эталонымен анықталады, ол бірлікті жаңғыртуын өлшеу нәтижесінің орташа квадраттық ауытқуын ден градусқа дейін қамтамасыз етеді.

Жиілік, электр импульстер ұзындықтарын, фазалық ығысу бұрыш пен қуат коэффициентін өлшеу диапазондары, сонымен қатар отандық өнеркәсіп шығаратын өлшеу аспаптар көмегімен жететін ең кіші қателіктер Ж қосымшасында (Ж.2 кестені қара) келтірілген.

Жиілікті өлшеу. Өлшеу диапазонына және талап етілетін дәлдігіне тәуелді әртүрлі өлшеу құралдар және әдістер қолданылады.

Енсіз диапазонда (45—55; 450— 550 Гц және т.т.), ең үлкен жиілігі 2500 Гц болса, жиілікті өлшеу үшін электродинамикалық және электромагниттік жиілік өлшеуіштер пайдаланылады. Электродинамикалық жиілік өлшеуіштердің дәлдік кластары – 1; 1,5; электромагниттік жиілік өлшеуіштертің – 1,5; 2,5.

Енсіз диапазонда төменгі жиілікті (48—52; 45—55 Гц және т.т.) өлшеу үшін резонанстық жиілік өлшеуіштерді пайдалануға болады. Сондай жиілік өлшеуіштердің дәлдік класы 1—2,5.

Жоғарғы және аса жоғарғы диапазонда жиілік жоғары жиіліктік резонанстық жиілік өлшеуіштермен өлшеуге болады, электромеханикалық резонанстық жиілік өлшеуіштерден айырмашылығы, оларда индуктивтік катушкасынан және конденсатордан тұратын тербеліс контуры колданылады. Бұл жағдайда жиілікті өлшеу қателігі ± (0,05—0,1) % құрайды.

Кең диапазонда (10 Гц-тан бірнеше мегагерцке дейін) жиілік өлшеу үшін электрондық аналогтық жиілік өлшеуіштер пайдалану мүмкін. Дәлдік класы 0,5—2,5.

Электр сигналдар жиілігін өлшеу үшін салыстыру әдісі таралған, оның айырмашылығы: қарапайымдылығы, салыстырмалы жоғары дәлдігі және жиіліктің кең диапазонында қолдану үшін жарамдылығы. Өлшенетін жиілік белгілі жиілікке теңдік немесе еселік бойынша анықталады. Жиілікке теңдіктің немесе еселіктің индикаторы болып электрондық осциллограф кызмет етуі мүмкін. Бұл өлшеу әдісі электронды-саулелік құбыр жолақы шектерінің ішінде өлшеу үшін жарамды. Жиілік өлшеуі линиялық, синусоидалды және шеңберлі көріністер кезінде жасалынады.

Артығырақ дәл нәтижелері синусоидалды формасы бар екі тербелістерді салыстырған кезде Лиссажу фигуралар әдісімен алуға болады. Осциллографтың ауытқыту пластиналар жұбының біреуіне жиілігі белгілі синусоидалды кернеу беріледі, ал екіншісіне – зерттелетін кернеу. Белгілі жиілікті өзгеру арқылы экрандағы қисықтын өзгермейтін немесе баяу ығысатын түрін алуға жетеді. Лиссажу фигурасының түрі бойынша жиілік және зерттелетін кернеудің фазалық ығысу туралы жорамалдайды. Жиіліктер және фазалық ығысу бұрыштардың бірнеше арақатынастыры үшін Лиссажу фигуралары К қосымшасында К.1 суретінде көрсетілген. Фигураның өзгермеймейтін көрінісінің кез келген формасы үшін жиілік еселігі фигура көрінісінің көлденең п жәнетік п линиялармен қыйілыстар саны бойынша анықталады. Қатынас , мұнда және — көлденең және тік ауытқыту пластиналарына сәйкес берілетін кернеулер жиіліктері. Егер өлшенетін жиіліктің кернеуі тік ауытқыту пластинасына берілсе, ал белгілі, үлгілі жиіліктің — көлденең ауытқыту пластинасына, онда .

Бұл әдіспен тек қана салыстырмалы үлкен емес жиілік еселігі үшін пайдаланады, әдетте 10-нан аспайтын, себебі кері жағдайда Лиссажу фигуралары шиеленіскен және мағынасын ашу қиын болып кетеді.

Салыстыратын жиіліктер еселігі үлкендеу болғанда шеңберлік көріністер әдісі ең қолайлы болып табылады. Бұл жағдайда төменгі жиілігі f_x фазалық ығысуы 90° бар екі бірдей кернеулер U_x, U_Y осциллографтың екі кірісіне беріледі. Бұл кернеулер әсерінен сауле экранда U_x, U_Y кернеулердің жиілігі бар шеңберді бейнелейді. Өлшенетін жиіліктің кернеуін, электронды сауле жарықтығын өзгертетін, электродқа беріледі (канал Z). Жиіліктер еселігі кезінде экранда штрихты сызық түрінде көрініс болады. Қараңғы немесе жарық штрихтардың саны п жиіліктер еселігіне тең, сондықтан .

Шеңберлік көріністер үшін жиіліктерді 50 еселігіне дейін салыстыруға болады, ал осциллограмма фотографиясы үшін – бірнеше жүздіктерге дейін.

Жиілік өлшеу осциллографиялық әдістердің қателігі көбінесе анықтау қателігімен анықталады және - дейін жеткізілуі мүмкін.

Соңғы кезде атап шыққан жиілік өлшеу құралдары мен әдістері көбінесе цифрлы жиілік өлшеуіштермен ауыстырылады. Өнеркәсіп шығаратын цифрлы жиілік өлшеуіштер жиілікті 0,01 Гц тен 17 ГГц дейін диапазонда өлшейді. Цифрлы жиілік өлшеуіштер қателігі көбінесе үлгілі (кварц) генератордың тұрақтылығына тәуелді және 10 ден 5-10 дейін өзгереді

Уақыт интервалдарын өлшеу. Уақыт интервалдарын өлшеу үшін электронды-саулелік осциллографтар және уақыт интервалдарын цифрлық өлшеуіштер пайдаланылады.

Дата добавления: 2014-12-07