II тарау

ЭЛЕКТРЛІК ШАМАЛАРДЫ ӨЛШЕУ

2.1. Ток пен кернеуді өлшеу әдістері

Ток пен кернеу өлшеуді қажет ететін электрлік шамалардың ішінде ең көп таралған түрі болып табылады. Сондықтан оларды өлшеу аспатарының түрі өте көп. Оларды өлшеу асапатарын таңдау бірнеше факторларға байланысты жүргізілуі тиіс, мысалы өлшенетін ток немесе кернеу түріне, оның өзгеру аралығына, өлшеуді қаншалықты нақты жүргізі керектігі және эксперимент жүргізі шарттарына байланысты.

Кернеудің шамасын өлшеу әдетте тікелей өлшеу арқылы жүргізіледі, ал токты тікелей өлшеуден басқа да жанама өлшеу әдістері кеңінен қолданылады. Токты жанама өлшеудің бір түрі өлшенетін ток тізбегіне тізбектей жалғанған мәні белгілі кедергідегі кернеу түсуін анықтау арқылы өлшеу. Бұл кезде токтың мәні Ом заңына сәйкес анықталады.

Тұрақты және айнымалы токтың қуаты аз тізбектерінде кернеуді өлшеу үшін әдетте тікелей бағаланатын тілшелі немесе санды электронды вольтметрлер қолданылады. Ал токты жанама әдіспен өлшейді: кедергісі белгілі үлгілі резистордағы кернеуді өлшеумен. Ток пен кернеуді аса жоғары дәлдікте өлшеу қажет болғанда салыстыру әдісіне негізделген аспаптарды пайдаланған жөн.

2.2. Тұрақты токты өлшеу

Әртүрлі техника салаларында өлшеу кездестіретін тұрақты ток шамаларының диапазоны аса кең: 10^-17 А токтан ондаған және жүздеген мың амперге дейін. Сондықтан, әрине, олардың өлшеу құралдары мен әдістері әртүрлі.

10^-12 ¸ 10^-6 А нүктелерін сезімталдығы жоғары магнитті-электрлі айналы гальвонометрлер мен гальвонометрлі компенса-торлар арқылы тікелей өлшеуге болады.

Компенсаторлардыңбасты элементтері – фотокүшейткіш пен гальвонометр.

Магниттіэлектрлі амперметрлермен өлшеу. Тұрақты токты өлшеу үшін негізінен магниттіэлектрлі жүйедегі амперметрлерді қолданады, олардың өлшеу шектері аспаптың қозғалу бөлігін толық ауытқытуға қажетті токпен анықталады. Бұл ток көбінесе 20-50 мА-ден (оның максималды мәні 300 мА) аспайды. Микро- және миллиамперметрлердің өлшеу тізбектері болып механизмнің шегіғана бола алады.

Егер өлшенетін І тогы аспаптың қоғалу бөлігін толық ауытқытуға қажетті І_П тогынан асып кетсе, онда аспаптың рамкасына параллель, І _Ш токтың қалған бөлігі өткізілетін шунт (резистор) қосылады (сурет 2.1). Шунттың R_Ш кедергісінің шамасын есептеу үшін төмендегі шарт орындалуы қажет

I_ПR_П=I_ШR_Ш=I[R_ШR_П/(R_Ш+R_П)]=const, (2.1)

мұндағы R_П - аспаптың рамка тізбегінің кедергісі.

Егер

I/I_П = n,

Болса, мұндағы n – шунт коэффициенті, онда R_Ш=R_П/(n-1).

2.1 сурет. Шунтты микроамперметрдің схемасы

Шунттың кедергісінің шамасы 10^-2 ¸ 10^-4 Ом.

Тұрақты ток тізбегіндегі кернеуді өлшеу. Тұрақты ток тізбегіндегі кернеуді өлшеу тұрақты токта жұмыс істейтін кернеуді кез-келген өлшегішпен өлшеп орыдалуы мүмкін.

Кернеуді магниттіэлектрлі вольтметрлермен өлшеу. Магниттіэлектрлі вольтметрдің өлшеу тізбегі өзінше механизмнің рамкасы мен оған тізбектей қосылған қосымша кедергіден тұрады. Вольтметрдің өлшеу тізбегіндегі өлшенетін кернеуді механизмнің қозғалу бөлігін ауытқыту үшін қажет токқа түрлендіреді. U_V вольтметрдің өлшеу шегі толық ауытқу І_V тогы мен вольтметрдің R_Д ішкі кедергісіне тәуелді, яғни аспап рамкасының R_П кедергісі мен соңғысының ішінде орналасқан қосымша R_Д резисторының қосындысына тең: R_V = R_П + R_Д;

U_V = I_V(R_П + R_Д) = I_VR_V. (2.2)

R_Д = U_V/I_V – R_П. (2.3)

Магниттіэлектрлі вольтметрлердің толық ауытқу тогы шамамен 0,5 – 30 мА.

Айнымалы ток тізбектеріндегі ток күші мен кернеуді өлшеу құралдары

Өнеркәсіптік жиіліктің токтарын өлшеуді негізінен электрмагнитті жүйе аспаптары арқылы, ал жоғары дәлдікте – электродинамикалық жүйе аспаптары арқылы орындайды.

2.2 сурет. Амперметрді токтың өлшеу трансформаторына қосу схемасы

Электромагнитті жүйенің амперметрлерінің өлшеу шегін ұлғайту үшін шунтты пайдалану рационалды емес, өйткені ол аспатардың жеке тұтыну энергиясын қолайсыз үлкен етіп, қымбаттығын жоғарлатады. Өлшеу шектерін токтың өлшеу трансформаторлары арқылы ұлғайтады. Ток трансформаторының алғашқы орамасы І өлшенетін ток тізбегіне тікелей қосылып, ал екінші орамасының қысқыштарына А амперметр қосылады (2.2-сурет). Схемада: Tp_T – токтың өлшеу трансформаторы, Л₁, Л₂ – бірінші орама қысқыштары, И₁, И₂ – екінші орама қысқыштары.

Өлшенетін (алғашқы) І₁ токтың мәні белгілі және амперметр тізбегіндегі І₂ токтан едәуір үлкен болады. Ток трансформаторының екінші орамасы кернеуі 1 ¸ 10 В шамаға төмендейтін кедергісі аз (2 Омнан жоғары емес) өлшеу аспабына тұйықталады. Екінші орамадағы осы кернеудің төмендеуін теңестіретін индукциялы э.қ.к. Е₂ де аз, сәйкесінше

Магниттелетін Tp_Т күштің теңдеуінде

(2.4)

Әдетте шамасын қолданбайды, сонда

(2.5)

осыдан өлшенетін токты

(2.6)

амперметрдің І₂ көрсеткішін k_Iн номиналды трансформациялау коэффициентіне тікелей көбейту арқылы анықтайды. Токтың трансформаторының екінші орамасын 5А-ге, кейбір жағдайда 1А-ге есептейді. Екінші тізбектің кедергісін жоғарлату нормалы режимді бұзып, магниттелген ампер-витков жоғарлатады.

Өнеркәсіптік жиілікте кернеуді өлшеу 50 Гц жиілікте жұмыс істейтін кез-келген вольтметрлермен орындалуы мүмкін, бірақ өнеркәсіптік жиіліктегі кернеуді негізінен электромагнитті және элетродинамикалы жүйе аспатарымен өлшейді.

Электромагнитті вольтметрдің өлшеу тізбегі өзінше механизмнің катушкасы мен қосымша кедергіні тізбектй қосуды береді. Вольтметрдің толық ауытқу І_V тогы

I_V = U/z_V, (2.7)

мұндағы U – вольтметрге қойылғанкернеу; z_V – вольтметрдің механизм катушкасының толықкедергісі мен қосымша кедергінің қосындысына тең ішкі кедергісі

(L_К – катушаның индуктивтігі).

Вольтметр шкаласының теңдеуі

Вольтметрлердегі толық ауытқу тогы үлкен емес, 25 – 50 мА-ге тең; шаманың өлшеу шегін төмендеткенде ол жоғарлайды да, 15 ¸ 30 В кернеуде 100 ¸ 200 мА-ге жетеді. Қосымша кедергіні көпшекті вольтметрлерде пайдаланады, ең жоғары шегі тікелей өлшеу кезінде 600 В-ге жетеді. Вольтметрдің тұтынатын қуаты 3 ¸ 20 Вт аралықта ауытқиды. Вольтметрдің өлшеу шектері кернеудің өлшеу трансформаторлары арқылы ұлғайтылған. Кернеу трансформаторының алғашқы орамасын w₁ виток санымен U₁ кернеуі өлшенетін тізбекке параллель қосады да, ал екінші ораманы w₂ виток санымен U₂ кернеулі вольтметрге қосады.

Сурет 2.3-те: Tp_Т – кернеудің өлшеу трансформаторы; А, Х – алғашқы ораманың қысқыштары; а, х – екінші ораманың қысқыштары (екінші ораманы 100 В кернеуге есептейді).

2.3 сурет. Вольтметрді кернеудің өлшеу трасформаторы арқылы қосу схемасы

Вольтметрдің өлшеу тізбегіндегі, Tp_Т екіні орамаға қосылған ваттметр кернеуінің тізбегінің кедергісі қатысты үлкен, соның салдарынан Tp_Т сал жүру режиміне жақын режимде жұмыс істейді. Содан кейін трансформатор орамасындағы және кер-неулердің төмендеуі болдырмауға болады және былай қабылдауға болады.

және ал E₁/E₂ = w₁/w₂ =k_Uн, болса, онда U₁ өлшенетін кернеудің шамасы вольтметрмен көрсетілген U₂ кернеудің шамасын k_Iн номиналды трансформация коэффициентіне көбейткенге тең, яғни:

Екінші төмен кернеу жоғары алғашқы кернеудің кері фазасында орналасқан.

2.3. Электр қуатын өлшеу

Тұрақты және айнымалы ток тізбектеріндегі қуатты өлшеу

Тұрақты ток тізбектеріндегі қуат P = UI. Айнымалы ток тізбектеріндегі қуаттың лездік мәні P = ui.

Егер u кернеу мен і ток Т периодты уақыт функциясы болып табылса, онда қуаттың период юойынша орташа мәнін жай ғана қуат немесе активті қуат Р деп атайды, оның лездік мәні р мына формуламен байланысты

Бірфазалы синусоидалы ток тізбектерінде болғанда, P = UI cos j, мұндағы U, І – ток пен кернеудің әрекетті мәндері; j - фазалы өзгеру (жылжу).

Синусоидалы ток тізбектеріндегі активті қуатпен бірге сонымен қатар реактивті Q = UI sin j және толық S = UI қуаттарды есептейді.

Тұрақты және айнымалы бірфазалы токтың қуатын есептеу. Тұрақты ток қуатының P = UI теңдеуінен оны амперметр және волтметрмен жанама әдісімен өлшеуге болатынын көрініп тұр. Дегенмен бұл жағдайда екі аспап бойынша есептеу мен өлшеуді қиындататын және оның дәлдігін төмендететін есепті бірмезгілде жүргізу қажет.

Тұрақты және бірфазалы айнымалы ток тізбектеріндегі қуатты есептеу үшін ваттметрлер деп аталатын аспаптар пайдаланылады, оларға электродинамикалық және ферродинами-калық өлшеу механизмдерін қолданады. Электродинамикалық ваттметрлер жоғары дәлділік класты (0,1-0,5) тасымалдану аспаптары түрінде шығарылады және өнеркәсіптік пен жоғары жиіліктегі (5000 Гц-ке дейінгі) тұрақты мен айнымалы токтың қуатын дәл өлшеу үшін қолданылады.

Сурет 2.3.1, а-да электродинамикалық өлшеу механизмін ватметрді құру мен қуатты өлшеу үшін пайдалану мүмкіндігі көрсетілген.

2.3.1 сурет. Ваттметрді қосу схемасы (а) мен векторлық

диаграммасы (б)

Жүктеме тізбегіне тізбектей жалғанған қозғалмайтын катушка 1 ваттметрдің тізбекті деп аталады; жүктемеге параллель жалғанған қозғалатын катушка 2 (R_Д қосымша резисторлы) – параллель тізбек деп аталады.

Тұрақты токта жұмыс істейтін ваттметр үшін бұрылу бұрышының теңдеуін былай жазуға болады:

(2.3.1)

Ваттметрде біртекті шкала алу үшін тұрақтылығы қажет. Бұл катушканың түрін, өлшемін және бастапқы күйін таңдап алумен жүзеге асады. деп алсақ, онда (2.3.1) теңдеуді келесі түрінде жазамыз:

a = SUI = SP, (2.3.2)

мұндағы

Электродинамикалық ваттметрдің айнымалы токтағы жұмысын қарастырайық. 2.3.1, б – суреттегі векторлы диаграмма жүктеменің индуктивті сипаты үшін құралған. Параллель тізбектегі токтың I_U векторы U векторынан қозғалатын катушканың қандай да бір индуктивтігінің салдарынан g бұрышқа қалып қояды.

Қозғалатын бөліктің ауытқу бұрышы орамалардағы токтың әрекет мәндерін олардың арасындағы бұрышқа көбейту арқылы анықталады.

мұндағы d = j - g. Ваттметрдегі параллель тізбектегі ток

деп алсақ, онда

(2.2.3)

аламыз.

(2.2.3) теңдеуінен, ваттметр қуатты тек екі жағдайда ғана дұрыс өлшеп береді: g = 0 және g = j болғанда. g = 0 шартына параллель тізбекте кернеу резонансын тудырғанда жетеді, мысалы 2.3.1, а-суретте штрих сызығымен көрсетілген С конденсаторын сәйкес сиымдылықта қосу арқылы. Бірақ кернеу резонансы тек қандай да бір нақты жиілікте болады. Жиілікті өзгерткенде g = 0 шарты бұзылады.

g ¹ 0 болғанда ваттметр b_g қателігі бар қуатты өлшейді, ол бұрышты қателік деп аталады.

g бұрышының мәні кіші болғанда (әдетте g бұрышы 40-50-ден аспайды), яғни g» g, cos g» 1 болғанда қатысты қателік

(2.2.4)

болады. (2.2.4) теңдеуінен 90⁰-қа жақын j бұрышында бұрыштық қателік үлкен мәндерге жетуі мүмкін.

Ферродинамикалық ваттметрлерде бұрыштық қателік g мен q бұрыштарының аралығына тәуелді (сур, 2.2.1,б), мұндағы q - ток векторы І мен өзекше саңылауындағы магнитті ағын Ф₁ арасындағы бұрыш.

Дата добавления: 2015-04-30