Электромонтер буровых установок - Электроизмерительные приборы

Глава VI
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
§ 1. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения

Электрические измерительные приборы служат для измерения различных электрических величин: силы тока, напряжения, сопротивления, мощности, энергии, а также многих неэлектрических величин, в том числе температуры, давления, влажности, скорости, уровня жидкости, толщины материала и др.
В связи с тем, что абсолютно точных приборов нет, показания электроизмерительных приборов несколько отличаются от действительного значения измеряемых величин.
Разность между измеренным и действительным значениями величины называется абсолютной погрешностью прибора. Если, например, в цепи сила тока I=10 А, а амперметр, включенный в эту цепь, показывает Iизм = 9,85А, то абсолютная погрешность показания прибора

Прибор, у которого класс точности выражен меньшим числом, позволяет выполнить измерение с большей точностью.
Зная класс точности прибора и наибольшее значение величины, которую можно измерить при данной шкале прибора, по (103) определяют наибольшую возможную абсолютную погрешность выполненного измерения

Чем ближе измеряемая величина к наибольшему значению, которое позволяет измерить прибор, тем меньшая получается относительная погрешность при прочих равных условиях. Это следует учитывать при выборе предела измерения прибора для выполнения измерения.
Электроизмерительные приборы классифицируются по роду измеряемой величины, принципу действия, степени точности, роду измеряемого тока и по эксплуатационным группам.
По роду измеряемой величины приборы делятся на амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры, счетчики, электротермометры и др.
По принципу действия измерительного механизма приборы могут быть следующих систем: электромагнитной, магнитоэлектрической, электродинамической, ферродинамической, индукционной, выпрямительной, термоэлектрической, электронной, вибрационной и электростатической.
В зависимости от рода тока, для измерения которого предназначены приборы, они делятся на приборы, измеряющие переменный ток, постоянный ток, и приборы, измеряющие переменный и постоянный токи.
Выпускают приборы трех основных эксплуатационных групп: А, Б и В, предназначенные для работы при различных температурах окружающего воздуха (в °С):

Рис. 80. Шкала вольтметра

Знак группы А на шкале прибора не наносится.
В табл. 18—22 приведены условные обозначения электроизмерительных приборов.
Таблица 18
Подроду измеряемой величины

Таблица 19

По принципу действия прибора

Таблица 20

По роду измеряемого тока

Таблица 21
По положению прибора при измерении

Таблица 22
Прочие обозначения

На шкале каждого электроизмерительного прибора условными знаками указаны необходимые сведения о конструкции и эксплуатации прибора. Например, на шкале вольтметра (рис. 80) указано: вольтметр (V) электромагнитной системы; предназначен для измерения переменного напряжения (∞) от 0 до 200 В; при измерениях напряжения прибор следует устанавливать вертикально; изоляция испытана напряжением 2кВ (); класс точности 1,5; заводской номер 2850; год выпуска 1978; эксплуатационная группа

К электроизмерительным приборам всех систем предъявляются следующие технические требования: точность и надежность в работе, низкая стоимость, потребление по возможности малой мощности, способность выдерживать возможно большую перегрузку, продолжительный срок службы без ухудшения своих качеств, надежная изоляция токоведущих частей от корпуса, показания практически не должны зависеть от влияния внешних факторов, стрелки приборов должны быстро устанавливаться у соответствующего деления.

Электромагнитные приборы

Работа приборов электромагнитной системы основана на действии магнитного поля катушки, по которой протекает ток, на сердечник из мягкого ферромагнитного материала (рис. 81).
Неподвижную часть измерительного механизма амперметров и вольтметров электромагнитной системы составляет каркас плоской рабочей катушки А, на который наматывается изолированная медная проволока или медная лента с сечением в зависимости от силы тока, либо вместо катушки ставится виток из медной шины (в амперметрах на ток свыше 200 А).
При прохождении измеряемого (постоянного или переменного) тока по рабочей катушке вокруг ее витков создается магнитное поле. Вне неподвижной катушки, перпендикулярно к ее оси, устанавливается на агатовых подшипниках ось подвижной части С, на которой эксцентрично укреплены против щели плоский железный сердечник В и указательная стрелка 5. При прохождении измеряемого тока по обмотке катушки сердечник В под воздействием возникающего магнитного потока втягивается в щель катушки и поворачивает ось С, а следовательно, и стрелку 5, конец которой перемещается по шкале К прибора.
Противодействие поворачиванию подвижной части прибора оказывает спиральная пружина. С осью С подвижной системы скреплен поршенек Е, который при движении подвижной части прибора перемещается в радиально согнутой камере воздушного успокоителя Д. Этим достигается успокоение стрелки прибора. У приборов новых конструкций применяются магнитные успокоители. Действие магнитных успокоителей основано на использовании вихревых токов. При перемещении алюминиевого сегмента-успокоителя между полюсами постоянного магнита в сегменте возникают вихревые токи. Взаимодействие магнитного поля постоянного магнита и вихревых токов создает согласно правилу Ленца необходимое торможение (успокоение) сегмента, а следовательно, и всей подвижной части прибора со стрелкой.

Рис. 81. Схема приборов электромагнитной системы

Рис. 82. Схема приборов магнитоэлектрической системы

Электромагнитные приборы пригодны для измерения тока и напряжения как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока, так как сердечник втягивается независимо от того, какой ток (постоянный или переменный) протекает по обмотке.

Магнитоэлектрические приборы

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Работа магнитоэлектрических приборов основана на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и измеряемого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки, помещенной в этом магнитном поле.
На рис. 82 показано схематическое устройство наиболее распространенного вида магнитоэлектрического прибора. Основными частями измерительного механизма являются: постоянный магнит N—S, магнитопровод из мягкой стали 1, полюсных наконечников 5, стального цилиндра 6 и легкой алюминиевой рамки 7, на которую намотана тонкая изолированная проволока. К рамке, установленной на двух полуосях, прикреплен стрелкодержатель 3 со стрелкой 2. Рамка связана с противодействующими пружинами 4. Для установки стрелки на нуль служит корректор.
На зажимах приборов магнитоэлектрической системы имеются обозначения " + " и "—", которые указывают, как надо включать прибор, чтобы стрелка отклонилась вдоль шкалы.
При прохождении тока через обмотку рамки возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате этого рамка поворачивается в ту или другую сторону (в зависимости от направления проходящего тока). Величина угла поворота будет зависеть от силы тока, проходящего по обмотке рамки.

Электродинамические приборы

Электродинамические измерительные приборы предназначаются для измерения силы тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты.
Обладая высокой точностью и большой чувствительностью, электродинамические приборы главным образом находят применение для контрольных измерений мощности переменного тока.
Действие приборов электродинамической системы основано на взаимодействии двух магнитных потоков, создаваемых то ком, протекающим по обмотке подвижной катушки, и током, проходящим по неподвижной катушке.
На рис. 83 показано схематическое устройство электродинамического прибора. Основными частями измерительного механизма являются: неподвижная катушка А, состоящая из двух половин, подвижная катушка В, ось С со спиральными пружинами, стрелка 5 и демпферное устройство М.
В подвижную катушку измеряемый ток подводится через спиральные пружины, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. При прохождении измеряемого тока по обмоткам подвижной и неподвижной катушек вследствие взаимодействия возникающих при этом магнитных полей подвижная катушка будет стремиться занять такое положение, чтобы направление ее магнитного поля совпало с направлением магнитного поля неподвижной катушки.
Для успокоения подвижной части прибора служит воздушный успокоитель, состоящий из пластинки М, укрепленной на подвижной части и перемещающейся в неподвижном закрытом кожухе. При движении подвижной части прибора пластинка тормозится сопротивлением воздуха.
Принцип действия электродинамических приборов мало отличается от принципа действия магнитоэлектрических приборов. Разница между ними состоит в том, что в электродинамическом приборе основное магнитное поле создается током, протекающим по неподвижной катушке, а у магнитоэлектрического прибора — постоянным магнитом.

Индукционные приборы

Электроизмерительные приборы индукционной системы пригодны для измерения только в цепях переменного тока одной определенной частоты. Главным образом индукционные измерительные приборы получили применение в качестве ваттметров и счетчиков электроэнергии.
Принцип действия приборов индукционной системы сводится к использованию вращающегося магнитного поля.
Основная часть счетчика или ваттметра (рис. 84) — магнитная система 1 с двумя обмотками. Одна обмотка включается в цепь последовательно, а другая — параллельно. Переменные токи, протекающие по каждой обмотке, возбуждают переменные магнитные потоки, которые образуют вращающееся магнитное поле.
Эти потоки пронизывают алюминиевый диск 2 и индуктируют в нем вихревые токи. Воздействие вращающегося магнитного поля, образованного потоками, на вихревые токи приводят диск во вращение.
Воздействие магнитного поля на вихревые токи пропорционально произведению мгновенных значений тока и напряжения, т. е. пропорционально мощности Р.

Рис. 83. Схема приборов электродинамической системы
Рис. 84. Схема приборов индукционной системы
Следовательно, на диск воздействует вращающий момент  где kвр — постоянный коэффициент.
Диск прибора при своем вращении проходит между полюсами постоянного тормозного магнита 3 и пересекает его магнитные линии. В результате этого постоянный магнит также индуктирует в диске вихревые токи. Взаимодействие магнитного поля постоянного магнита и вихревых токов создает необходимое торможение диска, пропорциональное частоте его вращения. Для определения показаний прибора служит счетчик 4.

Приборы термоэлектрической системы

Термоэлектрические измерительные приборы предназначаются для измерения силы тока в цепях переменного тока повышенной и высокой частоты и пригодны для измерения тока и напряжения и в цепях постоянного тока.
Термоэлектрические приборы состоят из измерительного прибора высокой чувствительности магнитоэлектрической системы и термопреобразователя, включающего термопару из железной и константановой проволоки.
Действие термоэлектрических приборов основано на использовании электродвижущей силы, возникающей в цепи, состоящей из разнородных проводников, если место соединения этих проводников имеет температуру, отличную от остальной части 

цепи. Схематически устройство термоэлектрического прибора показано на рис. 85.

Рис. 85. Схема приборов термоэлектрической системы

Измеряемый ток I, протекая через нить АВ термопреобразователя, нагревает спай С термопары, благодаря чему возникает термоэлектродвижущая сила, которая в свою очередь создает постоянный ток I, в цепи измерительного прибора G, соединенного с термопарой. Ввиду того, что сила термотока пропорциональна термоэлектродвижущей силе, а последняя пропорциональна измеряемому току, измерительный прибор градуируется на значения переменного тока, протекающего через термопреобразователь.

Измерение силы тока

Для измерения силы тока в электрических цепях служат амперметры, миллиамперметры и микроамперметры различных систем. Их включают в цепь последовательно, и через прибор проходит весь ток, протекающий в цепи.
При различных электрических измерениях весьма важно, чтобы измерительный прибор как можно меньше изменял электрический режим цепи, в которую его включают. По этой причине амперметр должен обладать незначительным сопротивлением по сравнению с сопротивлением цепи. В связи с этим присоединять амперметр к полюсам источника тока без нагрузки нельзя, иначе по его обмотке будет протекать большой ток и она может перегореть. По этой же причине нельзя включать амперметр параллельно нагрузке.
Если амперметр необходимо приспособить для измерения значительной силы тока — расширить пределы измерения, то он снабжается шунтом.
Шунт — это относительно малое, но точно известное сопротивление rш, присоединяемое параллельно измерительному механизму. Схема включения амперметра с шунтом показана на рис. 86, а.
При таком включении шунта из п частей тока, протекающего в цепи, через прибор проходит лишь одна его часть, а через шунт — остальные (n—1) частей. Это происходит потому, что сопротивление шунта меньше сопротивления амперметра в (n—1) раз. Число п показывает, во сколько раз нужно увеличить предел измерения амперметра. Таким образом, шунт служит для расширения пределов измерения прибора. Пусть амперметр позволяет измерять силу тока Iа=5 А, а в данном случае необходимо этим прибором измерить силу тока I = 30 А.

Рис. 86. Схема включения амперметра и вольтметра:
а — амперметр; б — вольтметр

Значит, предел измерения прибора нужно увеличить в n=30/5=6 раз.
Сопротивление шунта, который надо присоединить параллельно амперметру, чтобы обеспечить такое расширение предела измерения, можно определить по формуле
(104) где rа — сопротивление амперметра.
После присоединения шунта к прибору каждое деление шкалы прибора будет соответствовать величине в n раз большей, чем указана на ней. Шунт должен иметь четыре зажима, это необходимо для устранения влияния на сопротивление шунта переходных сопротивлений контактов. Шунты изготавливают из манганина — сплава, у которого температурный коэффициент сопротивления практически равен нулю.
Измерение напряжения
Для измерения напряжения служат вольтметры, милливольтметры и микровольтметры различных систем. Эти приборы включают параллельно нагрузке, а потому сопротивление их должно быть как можно больше. В связи с этим уменьшается потребляемая прибором энергия и увеличивается достоверность произведенного измерения.
Для расширения пределов измерения вольтметра к обмотке измерительного механизма последовательно присоединяют многоомное сопротивление, носящее название добавочного сопротивления rд. Схема включения вольтметра с добавочным сопротивлением приведена на рис. 86, б.
При такой схеме из п частей напряжения, подлежащего измерению, на обмотку прибора приходится лишь одна часть, а остальные (n—1) частей — на добавочное сопротивление. Это происходит потому, что сопротивление rд берется больше сопротивления вольтметра в (n—1) раз, а при последовательном соединении напряжение распределяется пропорционально величине сопротивления.
Добавочное сопротивление (105)
Общее измеренное напряжение равно сумме падения напряжения на этих сопротивлениях. Число п показывает, во сколько раз расширяется предел измерения вольтметра.
Добавочные сопротивления изготавливают чаще всего из манганина или константана. Оба эти материала имеют большое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления.
Шунты и добавочные сопротивления могут быть установлены внутри корпуса прибора или подключаться к его зажимам на время измерений.

Измерение мощности и энергии

Мощность постоянного тока, потребляемая данным участком электрической цепи, определяется произведением напряжения на силу тока. Для определения мощности согласно приведенному определению необходимо включить в цепь вольтметр и амперметр и показания приборов перемножить.
Мощность постоянного и переменного тока можно также измерить ваттметром электродинамической системы (рис. 88, а). Неподвижная обмотка ваттметра, имеющая малое сопротивление, включается в цепь последовательно (как амперметр), а подвижная обмотка, имеющая большое сопротивление — параллельно нагрузке (как вольтметр).

Рис. 88. Схема измерения мощности и электроэнергии: а, b, с — фазы; 1,2,3 — элементы счетчика
Показания электродинамического ваттметра при измерении мощности переменного тока пропорциональны произведению напряжения на силу тока и коэффициент мощности:

Схема включения счетчика энергии аналогична включению ваттметра.
На рис. 88, б представлены схемы включения счетчиков для измерения активной электроэнергии в трехпроводных цепях трехфазного тока частотой 50 Гц. На рис. 88, в представлены схемы включения трехфазных счетчиков реактивной энергии.
Правильная эксплуатация электроизмерительных приборов требует определенной периодичности проверки их, которая проводится органами комитета по делам мер и измерительных приборов. Периодическая проверка может производиться самим предприятием при наличии на нем органа надзора, имеющего соответствующее разрешение.