Испытание электрических машин - Характеристика электроизмерительных приборов

КРАТКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

В практике испытаний электрических машин наряду с аналоговыми электроизмерительными (ЭИ) приборами все шире используются электронные аналоговые и цифровые приборы, как радиотехнические, так и входящие в состав агрегатного комплекса средств электроизмерительной техники (АСЭТ), информационно-измерительные системы (ИИС) и измерительно-вычислительные комплексы (ИВК). Применение ИИС иИВК рассматривается в гл. 9.

Общие сведения об электроизмерительных приборах.

Основным стандартом, нормирующим метрологические характеристики ЭИ приборов, является ГОСТ 22261-82 (СТ СЭВ 3206-81) "Средства измерений электрических величин. Общие технические условия", который устанавливает общие для всех средств измерений общепромышленного назначения нормальные и рабочие условия применения; метрологические характеристики, методы их контроля и определения; требования к конструкции, надежности и безопасности; правила приемки, маркировки, упаковки, транспортировки и хранения; гарантии изготовителя.
Основными метрологическими характеристиками любого ЭИ прибора и устройства являются класс точности, или предел допускаемой основной погрешности, или предел допускаемой систематической составляющей и допускаемого отклонения случайной составляющей погрешности. Для большинства типов приборов в качестве основной характеристики (ГОСТ 8.401-80) устанавливается класс точности. Класс точности является обобщенной характеристикой ЭИ прибора, определяющей пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей.
Для измерений при испытаниях ЭМ применяются лабораторные и переносные ЭИ приборы с классами точности 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5 и 2.
Основная погрешность — это погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях эксплуатации: температуре окружающего воздуха (20 ± 0,5), (20 ± 1), (20 ± 2), (20 ± 5) °С; относительной влажности воздуха (65 ± 15)%; атмосферном давлении (100 ± 4) кПа, или (750 ± 30) мм рт. ст.; напряжении питающей сети (220 ± 4,4) В для сети с частотой 50 Гц, (220 ± 4,4) или (115 ± ± 2,5) В для сети с частотой 400 Гц; частоте питающей сети (50 ± ± 0,2) или (400 ±12) Гц.
К метрологическим характеристикам также относятся: предел допускаемой погрешности в интервале значений влияющей величины; предел дополнительной погрешности, обусловленный изменением влияющей величины или функции воздействия влияющих величин в пределах рабочей области. При линейной зависимости дополнительных погрешностей от изменения влияющей величины устанавливается
отношение приращения погрешности к изменению влияющей величины.
Пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей устанавливаются в виде абсолютных погрешностей Δ, выражаемых в тех же единицах, что и измеряемая величина; относительных погрешностей δ и приведенных погрешностей у в процентах.
Следует отметить, что измерительные приборы характеризуются постоянством абсолютной погрешности. Поэтому относительная погрешность тем больше, чем меньше измеряемая величина по сравнению с предельной.
Абсолютные, относительные и приведенные погрешности определяются соответственно по формулам:

где а, Ъ, с, d — постоянные размерные или безразмерные величины; X — модуль измеряемой или влияющей величины; Хк — конечное значение диапазона измерения; Χχ - нормирующее значение измеряемой величины.
Предел относительной допускаемой погрешности может быть выражен следующей формулой:

где >4 = 10 при измерении мощности и других энергетических величин; Л = 20 при измерении напряжения, тока и других силовых величин.
Нормирующее значение Х^ принимается равным:
конечному значению диапазона измерения, если нулевая отметка находится на краю шкалы или вне шкалы, и арифметической сумме конечных значений диапазона измерений, если нулевая отметка находится внутри шкалы - для приборов с равномерной или степенной шкалой;
номинальному значению — для приборов, предназначенных измерять такие величины, у которых установлено это номинальное значение;
диапазону показаний — для приборов с логарифмической, гиперболической или другой существенно неравномерной шкалой.
Важной характеристикой приборов являются вариации отсчетов и значения невозвращения указателя к нулевой отметке. Эти характеристики нормируются в зависимости от класса точности прибора. Для электромагнитных и ферродинамических приборов классов 0,05 и 0,1, самопишущих приборов с чернильной записью, приборов, устойчивых к механическим воздействиям, миниатюрных и малогабаритных приборов допускается полуторакратное значение основной погрешности. Для всех остальных приборов вариация не должна превышать абсолютного значения основной погрешности.
Невозвращение указателя к нулевой отметке от наиболее удаленной точки шкалы для приборов класса 0,05 и приборов, указанных выше, не должно превышать, мм,
А =0,01KL,
где К — численное значение класса точности прибора; L — длина диапазона показаний, мм.
Для остальных приборов допускается половина указанного значения.
К дополнительным погрешностям относятся: температурная погрешность, отклонение положения прибора от его рабочего положения, влияние внешнего магнитного или электрического полей. Изменения показаний отдельных видов приборов могут происходить под влиянием других факторов.
ГОСТ 8.009-84 "Государственная система единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений" устанавливает номенклатуру нормируемых метрологических характеристик средств измерений для оценки погрешностей измерений в известных рабочих условиях их эксплуатации. Стандарт определяет метрологические характеристики, способы их нормирования и формы представления, метрологические характеристики, подлежащие нормированию для средств измерений.
Маркировка приборов и вспомогательных частей выполняется по ГОСТ 23217-78 и СТ СЭВ 1052-78. Каждый прибор имеет на лицевой стороне, на корпусе или у зажимов следующие данные:
обозначения единицы измеряемой величины или наименование прибора (например, Л — ампер, V — вольт, W — ватт, Hz — герц и др.);
класс прибора;
знак государственного реестра;
обозначения рода тока и числа фаз (например,---------- — постоянный
ток, ~ - переменный однофазный ток, ^ — постоянный и переменный ток; S — трехфазный ток и т. п.);
обозначения системы прибора и вспомогательной части, с которой градуирован прибор (например,— магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой,— магнитоэлектрический логометр
с подвижной рамкой,— электромагнитный прибор,—
электродинамический прибор и др.); обозначения символов по МЭК-51;
обозначения степени защищенности от внешних электрических и магнитных полей (— электростатический экран,— магнитный экран);
обозначение рабочего положения, если это положение имеет значение (например,— вертикальное положение шкалы,— горизонтальное положение шкалы и др.);
обозначение испытательного напряжения изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу (например,— измерительная часть изолирована от корпуса и испытана напряжением 2 кВ,
прибор или вспомогательная часть под высоким напряжением и т. д.); товарный знак завода-поставщика; обозначение типа прибора; год выпуска и заводской номер.
Кроме перечисленных обозначений приборы и вспомогательные части могут иметь следующие обозначения: номинальную частоту, если она отличается от 50 Гц, или номинальную область частот; номинальный ток, напряжение или коэффициент мощности; ток или напряжение, соответствующие конечному значению шкалы; номинальные значения тока и падения напряжения на шунтах; сопротивления и номинальные токи добавочных сопротивлений; коэффициенты трансформации измерительных трансформаторов; схема подключения прибора или вспомогательной части.
1.7.2. Лабораторные и переносные приборы. Диапазоны измерений электрических величин лабораторными и переносными приборами составляют: напряжения постоянного тока 0,5 · 1СГ6 — 105 В; напряжения переменного тока 1 · 10“3— 103 В; постоянного тока 0,5 · 1СГ3 — 102 А; переменного тока 1 · 1СГ3 — 50 А; мощности однофазного переменного тока: напряжение 0,1—600 В, ток 0,01—10 А, при коэффициенте мощности cos φ ==0,1—1; мощности трехфазного переменного тока: напряжение 25—300 В, ток 0,075—10 А при cos φ = 1; сопротивления от 100 мкОм до 200 МОм; емкости 0,03—10 мкФ; частотные диапазоны отдельных приборов достигают десятков мегагерц.
В лабораторных и переносных приборах используются в основном измерительные механизмы следующих систем: магнитоэлектрической, электродинамической, ферродинамической, электромагнитной, электростатической, выпрямительной и термоэлектрической. Приборы выпрямительной и термоэлектрической систем строятся на основе измерительных механизмов магнитоэлектрической системы.

Приборы для измерения постоянного и переменного токов, напряжения и мощности.

Для измерения постоянного тока и напряжения используются приборы магнитоэлектрической системы, приборы электродинамической системы используются для измерений в цепях постоянного и переменного токов. В электродинамических системах различают две разновидности приборов: со сталью и без стали в измерительном механизме. Приборы без стали носят название электродинамических, а приборы со сталью — ферродинамических. Принцип действия этих систем одинаков, но применение стали позволило увеличить вращающий момент подвижной системы, то есть увеличить ее чувствительность. В дальнейшем термин "электродинамический" будет относиться к обеим разновидностям систем.
Измерительные механизмы амперметров и вольтметров принципиально не различаются. В зависимости от назначения прибора меняется его измерительная цепь. Амперметр включается в цепь непосредственно или при помощи шунта. В вольтметре последовательно с измерительным механизмом включается добавочный резистор. Собственное потребление мощности магнитоэлектрических приборов относительно невелико. Для вольтметров потребляемая мощность определяется по формуле

где /НОм — ток, соответствующий номинальному показанию вольтметра; UHом — номинальное напряжение вольтметра.
Таким образом, например, для вольтметра на 150 В при токе 0,01 А потребление мощности составляет 1,5 бт. Для амперметров потребляемая мощность определяется по формуле

где /НОм — номинальный ток; м — падение напряжения на зажимах прибора при номинальном токе.
Обычно UHом находится в пределах 45—75 мВ, следовательно потребляемая мощность в приборе с шунтом на 100 А составляет 4,5—7,5 Вт. Мощность, потребляемая электродинамическими приборами, относительно велика вследствие значительной МДС неподвижной катушки, необходимой для создания достаточного вращающего момента. Потребляемая мощность в амперметрах достигает примерно 5—10 Вт, а в вольтметрах с пределами измерения до 300 В примерно 7—15 Вт. Потребление мощности в приборе вместе с добавочным резистором или шунтом пропорционально при номинальном значении измеряемой величины номинальному напряжению вольтметра и номинальному току амперметра.
Амперметры непосредственного включения имеют встроенный внутри прибора шунт и позволяют измерять ток от долей микроампера до 100 А. Применение наружных шунтов значительно расширяет пределы измерения тока до 6 к А и более.
Вольтметры, включаемые в цепь непосредственно, имеют встроенные в прибор добавочные резисторы и позволяют измерять напряжение от 45 мВ до 600 В. С отдельными добавочными резисторами можно измерять напряжение 15 кВ и более.
Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного токов применяют ваттметры, в которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы. В приборах высокого класса точности 0,1—0,5 применяется электродинамическая система. Эти ваттметры используются для точных измерений мощности постоянного и переменного токов на промышленной и повышенной частотах до 5000 Гц.
Электронные аналоговые и цифровые ЭИ приборы потребляют очень малую мощность от измеряемой цепи и имеют еще ряд преимуществ. Рассмотрим некоторые типы приборов.

Вольтметр типа Ф5263 с приставкой типа Ф5051 — электронный вольтметр, предназначенный для измерений среднеквадратических значений напряжения (совместно с приставкой Ф5051) и токов в цепях переменного тока при синусоидальной и искаженной формах кривой. Вольтметры этого типа относятся к классу точности 0,5, за исключением тех, которые имеют пределы измерений 1 и 3 мВ; 0,1; 0,3 и 1 А. Эти вольтметры относятся к классу точности 1,0. Минимальное значение измеряемого напряжения 0,2 мВ, максимальное — 300 В; минимальное значение измеряемого тока 0,002 .мА, максимальное 1 А. Нормальная область частот от 50 Гц до 100 кГц, рабочая область от 10 Гц до 10 МГц. Изменение показаний прибора, вызванное изменением коэффициента амплитуды К от 1 до 6, приведено в табл. 1.3, а значение полного входного сопротивления вольтметра на частоте 20 Гц приведено в табл. 1.4.
Таблица 1.3

Падение напряжения на  входных зажимах при номинальном токе не превышает 20 мВ для предела 0,1 А и не более 100 мВ для пределов 0,3 и 1 А.
Микроваттметр типа Ф585. Однофазный электронный ваттметр Ф585 предназначен для измерения очень малых мощностей, от 1 нВт до 90 Вт, в цепях переменного тока с синусоидальной и искаженной формой кривой.
Прибор может быть использован для измерения мощности микромашин, определения качества магнитных материалов, определения добротности катушек индуктивности. Нормальная область частот ваттметра от 40 Гц до 20 кГц, рабочая область частот от 20 Гц до 40 кГц. Диапазон входных напряжений от 10 мВ до 300 В, входных токов от 0,1 мА до 3 А.
Входное сопротивление цепи измерения напряжения 10 МОм для диапазонов от 10 мВ до 3 В и более чем 100 МОм для остальных диапазонов. Входная емкость не более 50 пф. Падение напряжения на зажимах токовой цепи не превышает 30 мВ на всех диапазонах. При искаженной форме кривой входного сигнала гармонические составляющие не должны выходить за пределы рабочего частотного диапазона.
Электронный ваттметр типа Ф4860. Прибор предназначен для измерения активной мощности в однофазных цепях переменного тока. Диапазон измерений мощности от 40 мВ * А до 5000 В * А. Номинальный диапазон частот 45—60 Гц, рабочий диапазон частот 40— 450 Гц. Диапазон входных напряжений от 200 мВ до 1000 В при номинальных конечных значениях поддиапазонов 1;  10;     100 и 1000 В. Диапазон входных токов от 200 мА до 5 А при номинальных конечных значениях поддиапазонов 1 и 5 А. Диапазон коэффициента мощности от 0,6 до 1 при номинальном значении коэффициента мощности 1. Входное сопротивление цепи напряжения ваттметра не менее 100 кОм на поддиапазоне 10 В, не менее 1 МОм на поддиапазонах 1 и 100 В и не менее 10 МОм на поддиапазоне 1000 В. Входная емкость не более 200 пФ. Модуль полного сопротивления токовой цепи ваттметра на частоте (50 ±1) Гц не более 1,5 Ом на поддиапазоне 1 А и не более 0,3 Ом на поддиапазоне 5 А.

Предел допускаемой погрешности ваттметра при номинальных значениях коэффициента мощности, частоты и входного напряжения не более ± 0,5%, Прибор имеет цифровую индикацию с выводом числового значения измеренной мощности и информацию о коде поддиапазона.