Характеристика средств измерения электрических величин
Средства измерения электрических величин
Измерением называется процесс нахождения опытным путем значения физической величины с помощью специальных технических средств. Электроизмерительные приборы широко используются при наблюдении за работой электроустановок, при контроле за их состоянием и режимами работы, при учете расхода и качества электрической энергии, при ремонте и наладке электротехнического оборудования.
Электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами в форме, доступной для восприятия наблюдателем или автоматическим устройством.
Электроизмерительные приборы делятся:
- по виду получаемой информации на приборы для измерения электрических (ток, напряжение, мощность и др.) и неэлектрических (температура, давление и др.) величин;
- по методу измерения - на приборы непосредственной оценки (амперметр, вольтметр и др.) и приборы сравнения (измерительные мосты и компенсаторы);
- по способу представления измеряемой информации - на аналоговые и дискретные (цифровые).
Наибольшее распространение получили аналоговые приборы непосредственной оценки, которые классифицируются по признакам: род тока (постоянный или переменный), род измеряемой величины (ток, напряжение, мощность, сдвиг фаз), принцип действия (магнитоэлектрические, электромагнитные, электро- и ферродинамические), класс точности и условия эксплуатации.
Для расширения пределов измерения электрических приборов на постоянном токе используются шунты (для тока) и добавочные сопротивления Rd (для напряжения); на переменном токе трансформаторы тока (тт) и напряжения (тн).
Используемые приборы для измерения электрических величин.
Измерение напряжения осуществляется вольтметром (V), подключаемым непосредственно на зажимы исследуемого участка электрической цепи.
Измерение тока осуществляется амперметром (А), включаемым последовательно с элементами исследуемой цепи.
Измерение мощности (W) и сдвига фаз (
) в цепях переменного тока производится с помощью ваттметра и фазометра. Эти приборы имеют две обмотки: неподвижную токовую, которая включается последовательно, и подвижную обмотку напряжения, включаемую параллельно.
Для измерения частоты переменного тока (f) применяются частотометры.
Для измерения и учета электрической энергии - счетчики электрической энергии, подключаемые к измерительной цепи аналогично ваттметрам.
Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются: погрешность, вариации показаний, чувствительность, потребляемая мощность, время установления показаний и надежность.
Основными частями электромеханических приборов являются электроизмерительная цепь и измерительный механизм.
Измерительная цепь прибора является преобразователем и состоит из различных соединений активного и реактивного сопротивлений и других элементов в зависимости от характера преобразования. Измерительный механизм преобразует электромагнитную энергию в механическую, необходимую для углового перемещения его подвижной части относительно неподвижной. Угловые перемещения стрелки а функционально связано с крутящим и противодействующим моментом прибора уравнением преобразования вида:
где
к - конструктивная постоянная прибора;
- электрическая величина, под действием которой стрелка прибора отклоняется на угол 
На основании данного уравнения можно утверждать, что если:
- входная величина Х в первой степени (п=1), то а будет менять знак при изменении полярности, и на частотах, отличных от 0, прибор работать не может;
- n=2, то прибор может работать как на постоянном, так и на переменном токе;
- в уравнение входит не одна величина, то в качестве входной можно выбирать любую, оставляя остальные постоянными;
- две величины являются входными, то прибор можно использовать в качестве множительного преобразователя (ваттметр, счетчик) или делительного (фазометр, частотометр);
- при двух или более входных величинах на несинусоидальном токе прибор обладает свойством избирательности в том смысле, что отклонение подвижной части определяется величиной только одной частоты.
Общими элементами являются: отсчетное устройство, подвижная часть измерительного механизма, устройства для создания вращающего, противодействующего и успокаивающего моментов.
Отсчетное устройство имеет шкалу и указатель. Интервал между соседними метками шкалы называют делением.
Цена деления прибора представляет собой значение измеряемой величины, вызывающее отклонение стрелки прибора на одно деление и определяется зависимостями:
Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. Область между начальным и конечным значениями шкалы называют диапазоном показаний прибора.
Показания электроизмерительных приборов несколько отличаются от действительных значений измеряемых величин. Это вызвано трением в измерительной части механизма, влиянием внешних магнитных и электрических полей, изменением температуры окружающей среды и т.д. Разность между измеренным Аи и действительным Ад значениями контролируемой величины называется абсолютной погрешностью измерений:
Так как абсолютная погрешность не дает представления о степени точности измерений, то используют относительную погрешность:
Поскольку действительное значение измеряемой величины при измерении неизвестно, для определения 
и 
можно воспользоваться классом точности прибора.
Амперметры, вольтметры и ваттметры подразделяются на 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, обозначающая класс точности, определяет наибольшую положительную или отрицательную основную приведенную погрешность, которую имеет данный прибор. Например, для класса точности 0,5 приведенная погрешность составит ±0,5%.
| Наименование параметра | Амперметры Э47 | Вольтметры Э47 |
| Система | электромагнитная | электромагнитная |
| Способ вывода информации | аналоговый | аналоговый |
| Диапазон измерений | 0...3000 А | 0...600 В |
| Способ установки | на панель щита | на панель щита |
| Способ включения | <50 А- непосредственный, >100 А-через трансформатор тока с вторичным током 5 А | непосредственный |
| Класс точности | 1,5 | 1,5 |
| Предел допускаемой основной погрешности приборов, % | ±1,5 | ±1,5 |
| Номинальное рабочее напряжение, не более | 400 В | 600 В |
| Допустимая длительная перегрузка (не более 2 ч) | 120% от конечного значения диапазона измерений | 120% от конечного значения диапазона измерений |
| Средняя наработка до отказа, не менее, ч | 65000 | 65000 |
| Средний срок службы, не менее, лет | 8 | 8 |
| Температура окружающего воздуха, °С | 20±5 | 20±5 |
| Частота измеряемой величины, Гц | 45...65 | 45...65 |
| Положение монтажной плоскости | вертикальное | вертикальное |
| Габариты, мм | 72x72x73,5 96x96x73,5 | 72x72x73,5 96x96x73,5 |
Электроизмерительные приборы (амперметры и вольтметры) серии Э47
Применяются в низковольтных комплектных устройствах в распределительных электрических сетях жилых, коммерческих и производственных объектов.
Амперметры Э47 - аналоговые электромагнитные электроизмерительные приборы - предназначены для измерения силы тока в электрических цепях переменного тока.
Вольтметры Э47 - аналоговые электромагнитные электроизмерительные приборы - предназначены для измерения напряжения в электрических цепях переменного тока.
Широкий диапазон измерений: амперметры до 3000 А, вольтметры до 600 В. Класс точности 1.5.
Амперметры, рассчитанные на измерение токов выше 50 А подключают к измеряемой цепи через трансформатор тока с номинальным вторичным рабочим током 5 А.
Принцип действия амперметров и вольтметров серии Э47
Амперметры и вольтметры Э47 относятся к приборам с электромагнитной системой. В составе имеют круглую катушку с помещенными внутрь подвижным и неподвижным сердечниками. При протекании тока через витки катушки, создается магнитное поле, намагничивающее оба сердечника. Вследствие чего.
одноименные полюса сердечников отталкиваются, и подвижный сердечник поворачивает ось со стрелкой. Для защиты от негативного влияния внешних магнитных полей, катушка и сердечники защищены металлическим экраном.
Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии поля постоянного магнита и проводников с током, а электромагнитной - на втягивании стального сердечника в неподвижную катушку при существовании в ней тока. Электродинамическая система имеет две катушки. Одна из катушек, подвижная, укрепляется на оси и располагается внутри неподвижной катушки.
Принцип действия прибора, возможность его работы в тех или иных условиях, возможные предельные погрешности прибора могут быть установлены по условным обозначениям, нанесенным на циферблат прибора.
Например: (А) - амперметр; (~) - переменный ток в пределах от 0 до 50А; (
) - вертикального положения, класс точности 1,0 и т.д.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения имеют ферромагнитные магнитопроводы, на которых располагаются первичные и вторичные обмотки. Число витков вторичной обмотки всегда больше первичной.
Зажимы первичной обмотки трансформатора тока обозначают буквами Л1 и Л2 (линия), а вторичной - И1 и И2 (измерение). По правилам техники безопасности один из зажимов вторичной обмотки трансформатора тока, так же, как и трансформатора напряжения, заземляют, что делается на случай повреждения изоляции. Первичную обмотку трансформатора тока включают последовательно с объектом, у которого проводят измерения. Сопротивление первичной обмотки трансформатора тока мало по сравнению с сопротивлением потребителя. Вторичная обмотка замыкается на амперметр и токовые цепи приборов (ваттметр, счетчик и т. д.). Токовые обмотки ваттметров, счетчиков и реле рассчитывают на 5А, вольтметры, цепи напряжения ваттметров, счетчиков и обмоток реле - на 100 В.
Сопротивления амперметра и токовых цепей ваттметра невелики, поэтому трансформатор тока работает фактически в режиме короткого замыкания. Номинальный ток вторичной обмотки равен 5А. Коэффициент трансформации трансформатора тока равен отношению первичного тока к номинальному току вторичной обмотки, а у трансформатора напряжения - отношению первичного напряжения ко вторичному номинальному.
Сопротивление вольтметра и цепей напряжения измерительных приборов всегда велико и составляет не менее тысячи Ом. В связи с этим трансформатор напряжения работает в режиме холостого хода.
Показания приборов, включенных через трансформаторы тока и напряжения, необходимо умножать на коэффициент трансформации.
Трансформаторы тока ТТИ
Трансформаторы тока ТТИ предназначены: для применения в схемах учета электроэнергии при расчетах с потребителями; для применения в схемах коммерческого учета электроэнергии; для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам или устройствам защиты и управления. Корпус трансформатора выполнен неразборным и опломбирован наклейкой, что делает невозможным доступ ко вторичной обмотке. Клеммные зажимы вторичной обмотки закрываются прозрачной крышкой, что обеспечивает безопасность при эксплуатации. Кроме того, крышку можно опломбировать. Это особенно важно в схемах учета электроэнергии, так как позволяет исключить несанкционированный доступ к клеммным зажимам вторичной обмотки.
Встроенная медная луженая шина у модификации ТТИ-А - дает возможность подключения как медных, так и алюминиевых проводников.
Номинальное напряжениe - 660 В; номинальная частота сети - 50 Гц; класс точности трансформатора 0,5 и 0,5S; номинальный вторичный рабочий ток - 5А.
| Модификации трансформаторов | Номинальный первичный ток трансформатора, А |
| ТТИ-А | 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 80; 100; 120; 125; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600; 800; 1000 |
| ТТИ-30 | 150; 200; 250; 300 |
| ТТИ-40 | 300; 400; 500; 600 |
| ТТИ-60 | 600; 750; 800; 1000 |
| ТТИ-85 | 750; 800; 1000; 1200; 1500 |
| ТТИ-100 | 1500; 1600; 2000; 2500; 3000 |
| ТТИ-125 | 1500; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000 |
Электронные аналоговые приборы представляют собой сочетание различных электронных преобразователей и магнитоэлектрического прибора и служат для измерения электрических величин. Они обладают высоким входным сопротивлением (малым потреблением энергии от объекта измерения) и высокой чувствительностью. Используются для измерения в цепях повышенной и высокой частоты.
Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на преобразовании измеряемого непрерывного сигнала в электрический код, отображаемый в цифровой форме. Достоинствами являются малые погрешности измерения (0.1-0,01 %) в широком диапазоне измеряемых сигналов и высокое быстродействие от 2 до 500 измерений в секунду. Для подавления индустриальных помех они снабжены специальными фильтрами. Полярность выбирается автоматически и указывается на отсчетном устройстве. Содержат выход на цифропечатающее устройство. Используются как для измерения напряжения и тока, так и пассивных параметров - сопротивление, индуктивность, емкость. Позволяют измерять частоту и ее отклонение, интервал времени и число импульсов.