^{ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТІРЛІГІ}

АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС ИНСТИТУТЫ

Ш.Ә. Бахтаев, Э.А. Иванов, С.Б. Әбдрешова

АҚПАРАТТЫ ӨЛШЕУ ТЕХНИКАСЫ

Оқу құралы

050718 – Электроэнергетика мамандықтарының барлық оқу түрлерінің студенттеріне арналған

Алматы 2008

Оқу құралында электроэнергетикада қолданылатын ақпараттық өлшеуіш техникасы, тура айтқанда электрлік шамаларды өлшеу қағидалары, әдістері мен тәсілдері, өлшеуіш құралдар мен аспаптар, өлшеуіш түрлендіргіштер қаралған.

Оқу құралы 050718 – Электроэнергетика мамандығының барлық оқу түрлерінің студенттеріне арналған.

Мазмұны

Кіріспе.............................................................................................................. 4

1 Ақпараттық өлшеу техникасының негіздері................................................. 5

1.1 Электрлік өлшеудің энергетикадағы орны................................................. 5

1.2 Электрлік өлшеудің әдістері мен тәсілдері................................................. 6

1.3 Электрлік өлшеудің қателіктері................................................................... 9

2 Электрлік өлшеуіш аспаптар........................................................................ 14

2.1 Аналогтық өлшеуіш аспаптардың метрологиялық сипаттамалары......... 14

2.2 Магнитоэлектрлік және электромагниттік жүйедегі өлшеуіш механизмдер 19

2.3 Электрлік өлшеуіш механизмдердің басқа түрлері................................... 22

3 Электрлік ток пен кернеуді өлшеу............................................................... 26

3.1 Тұрақты ток пен кернеуді өлшеу.............................................................. 26

3.2 Айнымалы ток пен кернеуді өлшеу.......................................................... 29

3.3 Тоқтық және кернеулік өлшеуіш трасформаторлар................................. 33

4 Электрлік тізбектердегі элементтердің параметрлерін өлшеу..................... 45

4.1 Электрлік кедергіні өлшеу........................................................................ 45

4.2 Реактивтік элементтердің параметрлерін өлшеу....................................... 50

5 Жиілік пен уақыт аралығын өлшеу.............................................................. 55

5.1 Кернеу мен тоқтың жиілік пен уақыттық параметрлерін өлшеу.............. 55

5.2 Цифрлық аспаптар.................................................................................... 59

6 Электрлік қуат пен энергияның шығынын өлшеу....................................... 63

6.1 Қуатты өлшеу............................................................................................ 63

6.2 Электрлік энергияның шығынын өлшеу.................................................. 66

Қолданған оқулықтар тізімі..................................................................................70

Кіріспе

Энергетика – шаруашылықтың энергетикалық қорды және әртүрлі энергияны өндіру, түрлендіру, жеткізу, пайдалану мәселелерін қамтитын саласы. Энергетиканың негізін энергетикалық жүйелер құрайды, ол - өзара және энергия тұтынушылармен электр энергиясын жеткізу желісі арқылы жалғасқан электр станцияларының жиынтығы (тобы). Оның құрамына: жылу электр станциясы, атом электр станциясы, су электр станциясы, электр энергиясын жеткізу желісі; қосалқы электр станциялар, жылу және электр желісі, жылу және электр энергиясын қабылдағыштар енеді. Энергетикалық жүйе әдетте бір орталықтан басқарылады. Бір жалпы оперативтік диспетчерлік пункттен басқарылатын бірнеше энергетикалық жүйелер біріккен энергетикалық жүйе құрайды.

Энергетиканың тағы бір негізіне энергетикалық машина жасау саласы жатады. Бұл сала төменгі айтылатын қондырғыларды және энергия жабдықтарын жасайды: бу, су, және газ турбиналы, іштен жану двигательдері, газ турбиналы айдағыштар, бу генераторлары, бу қазандары, атом электростанциялық реакторлар, гидронасостар, турбокомпрессорлар, турбожелдеткіштер т.б. түрлері. Энергия жабдықтарының айрықша тобына отынның жану және қазанға қорек беру процестерін, бу магистральдарындағы қысымдықты және қатты қызған бу температурасын, турбоагрегаттың айналыс санын, т.б. реттеп отыратын автоматтық аспаптар жатады.

Үлкен қалаларда жылу электр орталықтары салынады. Олар тұтынушыларды электр энергиясымен әрі жылумен қамтамасыз етеді. Қазіргі кезде жылу электр орталықтарында қуаты 50 – 100 Мвт бу турбогенераторлары қолданылады. Турбиналардан өндіріс орындарына жіберілетін будың қысымы 8 – 10 атм., ал тұрмыста пайданалатын будың қысымы 0,5 – 2,5 атм. шамасында реттеліп беріледі. Жылыту мақсатында пайдаланатын ыстық судың температурасы 55 – 150 °С шамасында болады. Жылу электр орталығы көмір, газ, жанар май т.б. отындар жаға алады. Егер жылу электр орталығы тек қана жылу беруге арналса, мұнда будың қысымы 130 атм., температурасы 565°С дейін көтеріледі.

Сонымен келтірілген мағлұматтарға байланысты «Ақпараттық өлшеуіш техника» пәнінің басты мақсаты болып электр энергиясын өндіргенде, түрлендіргенде не пайдалануға берілген кезінде керекті электрлік шамаларды өлшеу, реттеу не есептеу болып саналады. Ақпараттық өлшеуіш техника электрлік желілердегі кернеуді, тоқты не қуатты өлшеу мәселелерін және электрөлшеуіш аспаптардың жұмыс істеу принциптерін, қолданылатын өлшеу әдістері мен тәсілдерді қамтиды.

1 Ақпараттық өлшеу техникасының негіздері

1.1 Электрлік өлшеудің энергетикадағы орны

Энергетика шаруашылығы көп өндірістік кәсіпорындарының негізгі жүйесі болып саналады. Себебі, энергетиканың арқасында энергетикалық күрделі процестер және өндірістік технологиялық түрлендірулер жасалады. Энергетиканың басты және негізгі міндеті - кәсіпорындарды, түрлі шаруашылықтарды және мекемелерді, жеке тұрғындарды, оқу және ғылыми институттарын электр энергиясымен қамтамасыздандыру болып саналады. Сондықтан да энергетикалық есептеудің келесі мәселелерге мәні зор:

- энергоресурстарды шығындау мен өзіндік нарқын анықтау;

- кәсіпорын ішінде шаруашылық есеп жүргізу;

- шығындалған энергия үшін сыртқы мекемелермен есеп айырысу;

- энергетикалық бақылау мен энергетикалық баланс құру.

Энергоресурстарды есептеуге және санауға қажетті ақпараттарды алу үшін түрлі–түрлі әдістер мен тәсілдер, түрленгіштер мен құрылғылар қолданылады.Соның ішінде басты тәсіл болып электр параметрлерінің шамасын өлшеу болып саналады. Тек қана соларды өлшеу нәтижесінде энергоресурстарды есептеу, не бақылау және басқару үшін керекті ақпараттарды аламыз.

Өлшеу – физикалық құбылыстар мен процестердің шамалары туралы сандық ақпарат алудағы негізгі тәсіл. Жаңа машина және апаратты жасағанда, не қиын технологиялық өндірістік процестерді жүргізгенде көп физикалық шаманы өлшеуге тура келеді. Бұған көбісіне бейэлектрлік шамалар жатады, олар механикалық, жылулық, химиялық, оптикалық және акустикалық болып бөлінеді. Казіргі кезде бейэлектрлік шамаларды түрлендіру және өлшеу үшін электрлік әдістер мен тәсілдер, аспаптар мен құралдар көп қолданады. Себебі, олардың қолдануда келесі ерекшеліктері және оңтайлықтары бар:

1. Олардың сезімталдығын (чуствительность), не өлшеу ауқымын (диапазон) оңай өзгертуге болады.

2. Жиілік ауқымы кең болғандықтан олардың инерциясы аз болады.

3. Алыстан өлшеу, бірден көп не әртүрлі шамаларды өлшеу, топтастыру не орталықтан оңай басқару.

«Ақпарат» деп, мағынасы адамға түсінікті және қабылдайтын құрылғы оқи алатын бағыттағы нақты хабарды айтады. Автоматтандыру техникасында бұл шамалардың нақты мәні туралы әрі жеке процестердің сипаттамалары туралы хабар болады. Ақпарат жүйе ішінде дереу өңделу немесе есте сақтау құрылғысына алдын ала ендірілу қажеттілігіне қарай әртүрлі тасығыштар мен ақпаратты бейнелеу құралдары пайданылады. Ақпаратты беру және өңдеу үшін электр сигналдары қолданылады. Әртүрлі басқару құрылғылары мен есептеу техникасында ақпаратты сигналды түрлендіру арқылы өңдейді.

Ақпараттық өлшеу жүйелерінің (система) құрамына келесі блоктар мен құрылғылар жатады:

- ақпаратты алу мақсатында түрлендіргіш (датчиктер);

- күшейту, түрлендіру (преобразование) мен кодтау үшін күшейткіштер мен түрленгіштер, өлшеу құрылғылары мен құралдары;

- бағдарламалық немесе алгоритмдік математикалық және логикалық (қисындық) құрылғылар;

- автоматтық басқару, өзіндік бақылау, диагностика, коммутация құрылғылары.

Сонымен, ақпараттық өлшеу жүйелеріне (АӨЖ) тұтынушыға керекті ақпаратын қамтамасыз етіп отыратын, функционалды түрде ақпараттық арнаға біріктірілген, метрологиялық параметрлері алдын–ала анықталған өлшеу құралдары мен қосымша техникалық құралдар жатады. Демек, энергообъектілердің жұмыстық параметрлері әр уақытта бақыланып және керекті шамада сақталынып отыру керек. Сонымен, бақылау және энергообъектілерді басқару процестерін орындау тек қана ақпараттық өлшеу жүйелерінің негізгі міндеті болып саналады.

Өлшеуіш ақпарат – өлшейтін объект және өлшеу процестері туралы өлшеу арқылы алынған дербес хабар. Алғашқы ақпараттың негізінде өлшеу процесі орын алады.

Өлшеу – зерттейтін параметрдің мөлшерін табудағы метрологиялық оператордың жұмысы. Бұл параметрлерді физикалық шама (ФШ) деп атайды.

Өлшейтін шама бір – біріне сәйкес келетін әдістер мен өлшеуіш құралдардың арқасында өлшем бірлігімен (ӨБ) салыстырылады. Өлшем бірлігі халықаралық келісіммен әр физикалық шамаға тұрақты өлшемде белгіленген және оның сандық мәні бірге тең. Физикалық шаманы өлшегенде соған сәйкес өлшем бірлігімен салыстырамыз. Өлшенген ФШ ның өлшем бірлігіндегі үлесін, не одан қанша есе аз не көп екенін білу үшін милли, микро, кило, мега және т.б. деген қосымша жұрнақ қолданылады.

Өлшеу процесінің ғылыми негізі болып метрология саналады. Метрология – өлшеу туралы ғылым, оның техникасы және өлшеуіш құралдарды қолдану, онан кейін, өлшемдердің біркелкілігін ұйымдастырып, заң жүзінде сақтау.

ҚР «Өлшемдердің біркелкілігі туралы» заңы өлшеу процестердің сапалылығын көздейді: оның тұрақтылығын және әр өлшеу нәтижесі бір біріне сәйкес келуін сақтайды. Сонымен, өлшеу процестердің басқы әдістері және тәсілдері метрологиялық жұмыстың іргесін қалайды. Әдетте, метрологиялық жұмыс халықаралық түрде стандартталған. Ол үшін мынандай ұйымдар бар:

МКТИ – техникалық өлшеуден халықаралық конференция; МОЗМ – заңды метрологиядан халықаралық ұйым. Осы ұйымдардың кепілдемелерінің қоятын басты мақсаты: өлшеу нәтижелері өлшем бірлігімен белгіленуі керек және өлшеу қателіктерінің мәні де көрсетілуі керек.

1.2 Электрлік өлшеудің әдістері мен тәсілдері

Ақпараттық өлшеу техникасы метрологияның тәжірибелік және қолданбалы түріне жатады. Ақпараттық өлшеу техникасының (АӨТ) басты міндеті болып өлшеуді жүргізу және оны бағалау, өлшеудің тәсілдері мен құралдарын практикалық қолдану болып саналады. АӨТ екі топқа бөлінеді: бірінші, жұмыстық (өндірістік) өлшеу техникасы, екінші, үлгілі (нақты, лабораториялық) өлшеу техникасы. Сөйтіп, ақпараттық өлшеу техникасы өлшеу процесіне қатысты барлық теориялық және тәжірибелік мәселелерді тегіс қамтиды.

Өлшеу процесі оператормен (бақылаушымен) келесі функциялық сұлбамен жүгізіледі.

1.1 Сурет – Өлшеу процесінің функциялық сұлбасы

Көрсетілген әрекеттердің (операциялардың) неге керек екенін және неге жататынын көрсетейік.

Өлшейтін объект – электростанция, қосалқы станция, таралу құралғылары, генераторлар (өндіргіш), қозғалтқыштар (двигательдер).

Өлшенетін физикалық шама – электр тоғы, кернеу, қуат, электр энергиясының шығыны, жиілік.

Өлшеудің әдісі – белгілі кепілдеме жүзінде, қолдану тәжірибесіне және оператордың тәжірибесіне сәйкес алынады.

Өлшеу құралы – қолданылатын әдіске байланысты, құралдың табылуына және өлшеу жағдайына сәйкес алынады.

Өлшеу қателігі – теориялық және тәжірибелік есептеу әдістеріне байланысты.

Өлшеу нәтижесі – халықаралық стандарттармен салыстырылады. ФШ өлшеу кең ауқымда (диапазон) өзгереді. Мысалы, энергетика объектілеріне кездесетін электр кедергісі Омның мыңнан бір бөлігінен тераОмға дейін өзгеруі мүмкін. Ең көп тараған өлшеу әдісі – тікелей өлшеу әдісі болып табылады. Келесі суретте өлшеу әдістері көрсетілген.

1.2 Сурет – Өлшеу әдістері сұлбасы

Тікелей өлшеу әдісін қолданғанда физикалық шама бірден өлшеуіш құралдың көрсеткішінен өлшенеді. Салыстырмалы әдісте: физикалық шаманың мәні белгілі өлшеммен салыстырылады. Көпке белгілі салыстырмалы әдіс – нөлдік әдіс.

Өлшеу құралдары мына түрлерге бөлінеді:

1. Өлшемдік құралдар – бұл физикалық шаманы бірден табатын құралдар.

2. Өлшеу құралдар, аспаптар – олар аналогтік, цифрлық, өзі жазатын, интегралдық болады. Бұлар өлшеу нәтижесін бірден береді, оны, оператор бірден байқайды.

3. Өлшеуіш түрлендіргіштер – масштабтық, бір ФШ екіншіге айландырады. Бұл құралдар ФШ-лардың шығыс параметрін кіріс параметрлеріне пропорционал жасайды.

4. Өлшеуіш қондырғылар – алдын ала белгіленген өлшеу әдістерімен өлшеу құралдарының жыйнағы.

Басқарылатын не өлшейтін объекті мен өлшеуіш жүйелердің шығыстық құрылғылары арасында әрқашан физикалық шама – электр сигналы тектес өлшеуіш түрлендіргіштер болады. Осындай түрленгіштерді түрлендіргіш датчиктер деп атайды.

Электрондық есептеу машинасын пайдаланатын автоматтық жүйелерде ақпаратты беру және өңдеу негізінен «1» және «0» электр сигналдарының комбинациясының дискретті жиынтығы түрінде өтеді. Бұл жағдайда алдымен физикалық шама электр кернеуіне, содан кейінгі кезеңде сигналдардың дискретті жиынтығына түрленеді. Сонымен, түрлендіргіш датчиктер физикалық шаманы бір мәнді байланысқан электр (не басқа) сигналына түрлендіреді.Олардың мынандай түрлері болады: механикалық (күштік, сығу-созу); электрлік; магниттік; электромагниттік (сәулелену); гравитациялық; жылулық.

Барлық түрлендіргіш датчиктер қызмет принципі бойынша параметрлік не генераторлық деп екі топқа бөлуге болады. Бірінші топқа өлшенетін шаманың мәні электр тізбегінің параметрлеріне, яғни кедергіге, индуктивтікке, сыйымдылыққа түрленетін түрлендіргіш датчиктер жатады. Бұл жағдайда қосымша қоректендіру көзі қажет. Генераторлық түрлендіргіш датчиктерде әртүрлі энергия тікелей электр энергиясына түрленеді.

Түрлендіргіш датчиктердің статикалық сипаттамасы деп, өлшенетін (х) шамамен түрлендіргіш датчиктің шығысындағы сигналдың (у) арасындағы у=f(x) функционалдық тәуелділікті айтады. F(x) функциясын түрлендіру функциясы деп те атайды. Шығыстық у шамасының аз өсімшесінің кірістік х шамасының аз өсімшесіне қатынасын түрлендіргіш датчиктің сезімталдығы деп атайды: S=Δу/Δх. Түрлендіргіш датчиктің сезгіштік деңгейі деп, оның шығысында сигналдың өзгерісі (Δу) пайда болуына сәйкес келетін түрлендіргіш датчиктің кірісіндегі шаманың (Δх) аздаған өзгерісін айтады. Сигналдың деңгейлік өзгерісі деп (Δу), шығыстық сигналдың керекті аспаптар арқылы тіркеуге жарайтын ең кіші мәнін айтады. Түрлендіргіш датчиктің деңгейлік сезімталдығы сигналды өңдейтін электр түрленгіштердің не тіркеуіш аппараттардың техникалық сипаттамаларына сәйкес болуы керек.

1.3 Электрлік өлшеудің қателіктері

Өлшеу еш уақытта дәл болмайды. өлшеудің дәлдігінің ықтималдығы нөлге тең. Метрология өлшеу қателіктерінің келесі топтау үлгісін береді.

1.3 Сурет – Өлшеу қателіктерін топтау үлгісі

Жалпы айтқанда өлшеудің қателігі – алған өлшемнің нәтижесінің дұрыс болмауы. Өлшеу қателігі физикалық шаманы өлшегенде болатын қателіктердің барлық құрамын қамтиды, сонан кейін алынған нәтиженің шын не нақты мәндерден ауытқуын көрсетеді. Мысалы, физикалық шаманың өлшенген мәні Х десек, ал оның шындық мәнін Х_ш деп белгілесек, сонда ауытқу (отклонение) мынаған тең

. (1.1)

Физикалық шаманың шындық мәні дегеніміз өлшеу қателігі жоқ деген сөз. Бұл сөз идеалдық түрде айтылған сөз. Тәжірибе жүзінде ФШ шындық мәнін алуға болмайды. Сондықтан практикада ФШ шын мәнінің Хш орнына оның нақты Хн мәнін қолданады. ФШ-ның нақты мәнін табу үшін ерекше әдістерді және үлгілі өлшеуіш құралдарды қолданады.Сонда былай жазуға болады

. (1.2)

Бұл алгебралық айырмашылық таңбасын өзгерту мүмкіндігінен мұны өлшеудің абсолюттік қателігі деп атайды. Сондықтан өлшеудің дұрыс нәтижесі

. (1.3)

Кей кезде түзелу коэффициентін қолданады

. (1.4)

Сонда өлшеудің дұрыс мәні былайша жазылады

. (1.5)

Белгілі ғылыми деректерге негізделе отырып өлшеу қателіктерін үш топқа бөлуге болады: тұрпайы, жүйелілік және кездейсоқтық қателіктер. Тұрпайы қателіктерге электрөлшеуіш аспаптың көрсеткішін дұрыс бағаламау жатады. Оған аспаптың шкаласының бөліктерін қате бағалау, немесе көпшкалалы аспаптың еселеу коэффициенттерін дұрыс қолданбау жатады. Немесе, көрсеткішті қарағанда тіл мен шкаланың арасында болатын параллаксты елемеу. Сыртқы ортаның өлшеуіш аспапқа күшті әсері, оның бұзылуымен және кездейсоқ кедергілер өлшеудің тұрпайы қателіктеріне әкеліп соғады.

Абсолюттік мәні және таңбасы белгілі қателіктерді жүйелі қателіктер деп атайды. Егер өлшеу процесі тұрақты жағдайда өткізілсе, оларда тұрақты мәнде болады. Егер өлшеу жағдайы заңды түрде өзгерсе, жиелі қателіктер не өзгермейді, не өзгерсе заңды түрде өзгереді.

Жүйелі қателіктерге қандай өлшеу қателіктері жатады? Олар: электрөлшеуіш аспаптың қателігі, қолданылған өлшеу әдістемесінің қателігі, өлшеуіш құралдың қателігі, аз мәнді елемегендіктің қатесі және сыртқы ортаның әсерінен қателік. Осы қателіктерді жеке-жеке қарастырайық.

Электрөлшеуіш аспаптың жүйелі қателігіне үш топ қателіктер жатады: аддитивті, пропорционалды және шкаланы бөлу қателіктері. Егер өлшеуіш аспаптың тілі бастапқы кезде шкаланың нолінде тұрмаса аддитивтік қателік пайда болады. Бұл қателікті, егер аспаптың шкаласы бірқалыпты болса, алгебралық қосумен түзетуге болады. Пропорционалдық қателіктер көрсетуші аспаптарда қолданатын қосымша кедергілер мен шунттардың өз мәнінен ауытқуына байланысты.Егер бұл ауытқулардың мәндері белгілі болса, алынған өлшеудің нәтижесін түзеу коэффициентіне көбейтіп, пропорционалдық қателіктерді түзеуге болады. Шкаланы бөлу қателіктерін әр өлшеуіш аспапқа қосымша түзету кестесін жасап жоюға болады. Ол кестелерді жасағанда өлшеуіш аспаптарға қарағанда өлшеу дәлдігі жоғары өлшеуіш құралдар қолданылуы қерек. Қолданылған өлшеу әдістемесі мен өлшеуіш құралдың қателіктері кернеу көзінің электр қозғалыс күшін (э.қ.к.-эдс) өлшейтін вольтметрдің ішкі кедергісінің әсерінен пайда болады. Аз мәнді елемегендіктің қатесі өлшеу әдістемесі мен өлшеуіш құралдың қателіктеріне жақын. Ол қатені өлшеу кезінде де, өлшегеннен кейінде табуға болмайды. Себебі, оның неден пайда болатын факторларды да табу не білу қиын.

Егер сыртқы ортаның әсеріне келсек, ол температураның, атмосфералық қысымдықтың және ауаның ылғалдылығына байланысты. Осы жағдайлар өлшеуіш аспаптың көрсетуінің туралығына әсерін тигізеді. Және сыртқы электр не магнит өрістерінің өзгеруі де өлшеу нәтижесіне қосымша қателік кіргізеді.

Практикалық өлшеулерде жүйелі қателіктерді құрал-сайманмен және әдістемелік қателіктердің алгебралық қосындысы деп санайды

. (1.6)

Әр уақытта жүйелік қателікпен бірге кездейсоқ қателіктер болады. Сондықтан өлшеудің абсолюттік қателігі мынаған тең

. (1.7)

Мұнда Δ_қ.с. – кездейсоқтық қателік. Осы қателіктің екі құраушылардың әсерімен бір физикалық шама көп рет қайталап өлшегенде, мысалы n рет, статистикалық қатар пайда болады

. (1.8)

Мұндай қатарға орташа арифметикалық мән (значение) аламыз

. (1.9)

Әр өлшемнің орташа арифметикалық мәннен ауытқуы орташа квадраттық ауытқумен (ОКА) табылады

. (1.10)

Орташа арифметикалық мән мен орташа квадраттық ауытқу келесі көрсетілетін үлестірімнің қалыпты (нормальное) заңының (Гаусс заңы) сипаттамалары болып есептеледі

. (1.11)

Мұнда Р(х)-әр физикалық шаманың болу ықтималдығының тығыздығы. Бұл аналитикалық мағынаны ықтималдық тығыздықтың қисығымен көрсетуге болады

1.4 Сурет – Ықтималдық тығыздықтың қисығы

Бұл суретте көрсетілгендей ықтималдық тығыздықтың қисығында ең үлкен ординат болып өлшемдердің орташа мәні саналады, яғни өлшеу нәтижелерінің орталық топтасуы болады. Егер Х жүйелік қатеге жатса, ОКА осы нәтижелердің орталық топтасудан ауытқуларын көрсетеді. Ықтималдық теорияда және математикалық статистикада үш сигманың (3_x)ережесі бекітілген. Сонда кез келген өлшемнің нәтижесі Р_с=0.9973 сенімділік ықтималмен 3_xекі арада жатады, демек

(1.12)

мұнда Р_с=0.997.

Электроэнергетикада сенімділік ықтимал Р_с=0.95 мәнінде алынған, сонда екі ара кішірейеді

(1.13)

P_c=0.95

Бұл мағынаны жалпы түрде былайша жазуға болады

(1.14)

мұнда t = 1,2,3…

Практикалық кезде өлшеу процесін көп уақытқа созуға болмайды. Ең көп болғанда өлшеуді 5 не 8 реттен қайталауға болады. Бұл жағдайда орташа арифметикалық мәннің растылығы артады.

Сондықтан аз рет өлшегенде орташа арифметикалық мәннің орташа квадраттық ауытқымасы былайша табылады

. (1.15)

Сонда орташа арифметикалық мәннің сенімділік арасы мынаған тең

(1.16)

мұнда P_c=0.95, t_p,n– Стьюденттің коэффициенті, оны әдетте келесі кестеден табады:

Кесте 1.1

n	3	4	5	6	8	10	20	50	200
t_0,95,n	4,3	3,2	2,8	2,6	2,4	2,3	2,1	2	1,96

Кейбір кезде физикалық шаманы тура табуға болмайды, ол басқа шамалармен математикалық тәуелділік формулалармен байланысты болады. Мысалы бұл функционалдық байланысты жалпы түрде былай жазуға болады

A=f(x) (1.17)

егер х өлшегенде dx орташа абсолюттік қате жіберсек, онда

A+dA=f(х+dх). (1.18)

Дифференциалдың қасиетіне сәйкес

. (1.19)

Сонда салыстырмалы қателік

. (1.20)

Мұны натурал логарифмның дифференциалы ретінде жазуға болады

. (1.21)

Сонымен, кез келген бір айнымалы (ауыспалы) функцияның f(x) қатысын табу үшін, ең алдымен, оның дербестік туындысын табу керек, одан кейін, оны х-тың абсолюттік қатесіне көбейту керек (1.19).

Осы ережені қолданып, еге қателіктер бір-бірінен тәуелсіз және кездейсоқтық түрде болса, бірнеше айнымалы (ауыспалы) функцияның қателігін табуға болады. Мысалы, f(x, у) айқындалмаған функция берілген болсын. Ондағы х пен у тің өлшенген қателіктері және ке тең дейік. Сонда, қателіктің жалпы формуласы келесі түрде жазылады

. (1.22)

Бұл формуланың арқасында жанама өлшеу кезінде көп функциялы электрлік шамалардың қатесін бірден табуға болады.

Сөздік

Ақпараттық өлшеуіш техника – информационно-измерительная техника.

Электрлік өлшеудің әдістері мен тәсілдері – методы и способы электрического измерения.

Электрлік өлшеуіш аспаптар, түрлендіргіштер және құралдар – электрические измерительные приборы, преобразователи и средства.

Аспаптардың сезімталдығы, өлшеу ауқымы және дәлдік класы – чувствительность, диапазон измерения и класс точности приборов.

Физикалық шаманың мәнін табу – определить значение физической величины.

Өлшем бірлігі, өлшеу дәлдігі және қателіктері – единица меры, точность и погрешности измерения.

Тұрпайы, жүйелік және кездейсоқтық қателіктер – грубая, систематическая и случайная погрешности.

2 Электрлік өлшеуіш аспаптар

2.1 Аналогтық өлшеуіш аспаптардың метрологиялық сипаттамалары

Электрөлшеу аспаптарына (ЭӨА) электр шамаларын өлшейтін қүралғылар жатады. 2.1 суретте ЭӨА жұмыс әрекетінің сұлбасы келтірілген.

өлшенетін ток айналу бұрышы α

шама

2.1 Сурет – ЭӨА-ның функционалдық сұлбасы

Өлшеуіш сұлба жалпы айтқанда масштабтық түрлендіргіш болып саналады. Оның құрамына шунттар, қосымша кедергілер, кернеуді күшейткіштер не физикалық шаманы тұрақты токқа түрленгіштер кіреді.

Өлшеуіш механизм тұрақты токты ЭӨАның жылжымалы тетігінің (тілі) айналу бұрышына түрлендіру міндетін атқарады.

Санағыш құрал өлшейтін шаманы нақтылы өлшеу бірлігінде табу үшін арналған. 2.2 суретте өндіріске кең қолданатын ЭӨАтарының сыртқы пішіні келтірілген.

2.2 Сурет – Доғалық шкалалы өлшеуіш аспаптар:

а – төртбұрышты панельді және дөңгелек тубусты қалқанды аспап

б- төртбұрышты қалқанды аспап

Әр ЭӨАтың төменде келтірілген метрологиялық сипаттамалары болады:

1. Өлшеу ауқымы, α ө (физикалық шаманың (ФШ) өлшем бірлігі).

2. Көрсету ауқымы, α к (ФШ өлшем бірлігі).

3. Бөліс саны; α (бөліс).

4. Бөлістің шамасы, С (ФШ өлшем бірлігі / бөліс) не сезімталдығы

S=1/С (бөліс / ФШ өлшем бірлігі).

5. Кіріс кедергісі, Rк (Ом).

6. Дәлдік класы, γ (%).

Физикалық және техникалық шамаларды өлшеу үшін халықаралық өлшеу жүйесімен сәйкестендірілген пропорционалдық шкалалар қолданылады. Өлшеу құрылғысының бір тетігі болып шкала саналады, оның арқасында өлшейтін шаманың мәні табылады. Өлшеу кезінде өлшейтін шаманың мәні шкаладағы индикаторлық белгілер арқылы саналады. Шкалада өлшем белгілері де болу керек. Өлшеу аспабын өлшемдеу (градуировка) кезінде шкалаға штрихтер, нүктелер не болмаса басқа таңбалар қойылады. Шкаланың бөлісінің шамасы (таңбалар-дың бір-бірінен алшақтығы) өлшемдеу кезінде анықталады. Шкаладағы басты өлшем белгілері тағыда майда бөлімдерге бөлінуі мүмкін. Өлшем белгілерін қою әдісіне қарай аспаптың шкаласы аналогтық, цифрлық және құрамалық болып бөлінеді. Шкалалар аспапта көруге оңтайлы жерде орналасу керек. Оларды алыстан қарап анықтауға не жақыннан дәл санауға оңтайлы болу керек. Шкалада өлшем бөлістерінен басқа қандай аспап екендігі және оның не үшін қолданылатындығы туралы таңбалар болу керек.

Аналогтық шкала – мұндай шкалада өлшем белгілері штрихпен не нүктемен көрсетіледі. Бұл шкала аналогтық мәндерді бірдей көрсетеді. Өлшемдік белгілер шкаланың бетінде басты сызықтың үстіне орналасады. Өлшем белгілері шкаланың басқы және соңғы мәнін, нольдік таңбаны, не өлшеудің басқы және аяққы ауқымын көрсетеді. Шкалалардың басты түрлері стандартталған. Аспаптың шкаласының өлшемдік белгілері біргелкі орналасуы мүмкін, не олар біркелкі орналаспайды. Кей кезде аналогтық шкалада тек қана өлшемдік белгі беріледі, не нақтылық мән, не шеткі мән, не нольдік мәндер көрсетіледі.

2.3 Сурет – Аналогтық шкала (сұлба түрінде)

а – шкаланың ауқымы не көрсеткіштің ауқымы (өлшенетін шаманың өлшем бірлігімен беріледі), шкаланың ұзындығы (ұзындықтың бірлігі); б – өлшеудің ауқымы не өлшемдердің аралығы (өлшенетін шаманың өлшем бірлігі); в – шкаланың бөлісі не өлшемдік белгілердің арасы (ұзындық бірлігінде), шкаланың бір бөлісінің мәні (өлшенетін шаманың бірлігі); г – шкаланың бастапқы белгісі; д – шкаланың нольдік белгісі; е - өлшеу ауқымының басқы мәні; з – өлшемдік белгілердің санды мәні; ж – өлшемдік белгілердің сансыз мәні; з – өлшемдік белгілердің санды мәні; и – өлшеу ауқымының соңғы мәні; к – шкаланың соңғы мәні; л – шкаланың санды мәндері; м – шкаладағы басты сызық.

Шкаланың бір бөлінісі деп аналогтық шкаладағы екі өлшемдік белгілердің арасын айтады. Сонда, шкаланың бір бөлісі өлшейтін шаманың бір бірлігі болып саналады. Өлшенген шама бірден табылады, не шкаланың бір бөлісін көрсетілген бөліс санына көбейту керек.

Мысалы. Өлшенген шама

А = α С (2.1)

мұнда α – шкаланың бөліс саны;

С – шкаланың тұрақты коэффициенті,ол С = Ан / α н тең, мұнда Ан – аспаптың нақты мәні;

α н – шкаланың нақты бөліс саны. 2.1 кестеде көрсеткішті қалай есептеудің 3 мысалы келтірілген.

2.1 кесте – Бөлістің санын, әр бөлістің мәнін, шкаланың тұрақты коэффициентін табу

Шкалалардың мынандай түрлері бар:

1. Өлшемсіз шкала – бұл аналогтық шкалада бөлістердің мәні қатар сандар ретінде беріледі, не тіпті берілмейді. Бұл жағдайда біз тек бөлістің санын білеміз, не оған сәйкес қатар сандардың мәнін білеміз.Өлшенетін шама әр бөлістің мәні арқылы, не шкаланың тұрақты коэффициентін білу арқылы табылады. Мұндай шкалалар әдетте құрамалық аспаптарда (тестер) қолда-нылады. Өлшемсіз шкалада қатар сандық мәндер болмаса өлшенетін шаманы табу қиын. Бұл шкалалар номиналды не шеткі мәні көрсетілген сынаушы аспаптарда, не индикаторда қолданылады.

2. Жанама мәндер шкаласы. Мұндай өлшеуіш аспаптардың шкалалары

жанама әдіспен өлшенген мәндердің шамасына сәйкес өлшемдік белгілермен көрсетілген. Бұл жағдайда өлшеуіш аспаптың кірісіне өлшейтін шама белгілі тәуелділікпен түрлендірген соң сигнал ретінде беріледі. Бірақ оның шкаласы өлшейтін шаманың мәндерімен белгіленген.

3. Құрамалық шкала – бұл шкалалар аналогтық және сандық көрсеткіштерімен жабдықталған. Құрамалық шкалаларда, сандық шкалада жоғарғы разрядтық сандар сатылы өзгерсе, ал кіші разрядты сандар аналогтық шкаладағыдан жай біркелкі өзгереді. 2.4 суретте көрсетілгендей, үйде қолданатын индукциялық электр санағыштары осылай жұмыс істейді.

2.4 Сурет – Құрамалық шкала

4. Біргелкі емес шкалалар. Бұл аналогтық шкалаларда бөлістердің ара қашықтықтары және оларға берілген мәндері біргелкі емес әртүрлі болады.

2.5 суретте өлшеу аумағы көрсетілген біргелкі емес шкалалар көрсетілген.

б)

2.5 Сурет – Біргелкі емес шкалалар

Мұнда өлшемдік белгілердің орналасуы шкаланың сызықтық емес теңдеуіне сәйкес болады, және шкалада оның атын жазады, мысалы, квадраттық не логарифмдік шкала деп. Шкаланың басқы бөлістері белгілі математикалық функциямен не эмпирикалық заңмен белгіленеді және олардың сандық мәндері біргелкі не біргелкі емес сандық қатардан алынады. Көбінесе шкаланың бөлінісі және олардың сандық мәндері біргелкі сызық шкалаға жақындатуға тырысады. Біргелкі емес шкалалардың өлшеу ауқымы өлшеу көрсеткішінің ауқымынан көбіне өзгеше болады, сондықтан шкалада нүкте көрсетіледі. Егер шкаланың үлкен біргелкі еместігі болса, оны 1, 2 және 5 еселік өлшемдіктермен белгілейді. Әр шкаланың өзіндік өлшемдік қасиеттері бар:

Өлшемдік қасиеттер – аналогтық шкалаға өлшемдік белгілерін бір заңды түрде қою. Шкаланың бөліс бірлігінінің шамасына қарай өлшемдік белгілер 1,2 және 5 еселік болуы мүмкін. Егер негізіне 1 алса өлшемдік кезінде шкаланың бір бөліс шамасы 1 не 1·10 ⁿ-ге тең, n = 0, әр 5 не 10, не 20 сандық белгілер шкалада сандық мәнмен көрсетіледі.

Әр электрөлшегіш аспаптың басқы метрологиялық сипаттамасы болып оның дәлдік класы болып саналады, оны келтірілген қателік арқылы табуға болады

γ_х=Δ_х/ Х_N*100% (2.2)

мұнда Δ_х – абсолюттік қателіктің максимальдық өзгеріс ауқымы Х_N – шкаланың түріне байланысты мөлшерлеу мәні (нормир) γ_х – келтірілген қателік.

Егер нөлдік белгі шкаланың сол жағында болса (2.3а сурет) мөлшерлеу мән аспаптың номиналдық қатесінің мәніне тең

Х_N=Δ_H. (2.3)

Егер нөлдік белгі шкаланың ортасында болса

Х_N=2Δ_H. (2.4)

Барлық мемлекеттер үшін аспаптардың дәлдік класы бір мәнде бекітілген және олар аспаптың шкаласында, құжаттарда көрсетілген.

2.2 кесте – Дәлдік класының халықаралық мәндері

Өлшеуіш аспаптар	Дәлдік класы
Өлшеуіш аспаптар	өлшеуіш аспап	қосымша құрылғылар
дәл және үлгілі	0,05	0,02
	0,1	0,05
	0,2	0,1
	(0,3)	0,1
	0,5	0,2
жұмыстық	1	0,5
	1,5	0,5
	2,5	1
	(4)	1
	5	1

Егер аспап бағдылы жағдайда (23°С) қолданылатын болса дәлдік класы өлшеу қателігі (процентпен) кепілді шекарадан шықпайтындығын көрсетеді. Мысалы, аспаптың дәлдік класы 1 болса, онда оның қателігі 1% болады. Егер аспаптың өлшеу ауқымының ең соңғы мәні 100В болса, онда өлшеу қателігі 1В болады. Температура 10°С мен 30°С арасында өзгерген кезде де аспаптың өлшеу қателігі 1% аспауы керек. Аспаптың дәлдік класы оның рұқсат етілген басқы қателігімен сәйкестендіріп ГОСТ 8.401-80 пен қалыптасады. Аспап қолданылатын бағдылы жағдай өзгергенде пайда болатын қосымша қателік рұқсат етілген басқы қателіктің бөлісі не еселеу мәндерінде нормаланады. Мысалы, аспаптың дәлдік класы G болса, қосымша қателік басқы қателіктің жартысынан аспауы керек, сонда жалпы қателік болып G+0,5G саналады. Сөйтіп аспаптың жалпы қателігі оның дәлдік класының мәнінен көп болуы мүмкін.

Электрөлшеуіш аспаптарды не өлшеуіш құралғыларды қолданғанда олардың уақыты өтпеген таңбалары болу керек.

Таңбалау.Әр өлшеуіш құралғыға арнайы таңба салынады. Ол өлшеуіш аспаптың тексеруден өткендігінің және оны қолдануға болатындығының әйгегі.

Арнайы таңба салу мемлекеттік тексеру зертханасының жұмысы, аспапты тексергеннен кейін таңба салынады не арнайы құжат беріледі. Бұл таңбалы аспаптың өлшеу қателігі бекіткен шекарадан аспайды, оның құрылыс тетіктерінің ақауы жоқ және оны қолдана беруге болады деген сөз. Арнайы таңбаның күші тек бекітілген уақытқа ғана жарайды, одан кейін аспапты тағыда тексеруден өткізу керек.

Әртүрлі электр шамаларын өлшеу үшін магнитоэлектрлік, электромагниттік, электрдинамикалық, ферродинамикалық және электростатикалық жүйелерде істейтін өлшеуіш механизмдер (ӨМ) қолданады. 2.6 суретте ӨМ жүйелерінің шартты белгілері келтірілген.

а) б) в) г) д)

2.6 Сурет – Өлшеуіш механизм жүйелерінің шартты белгілері

Бұл суретте солдан оңға қарай: магнитоэлектрлік (а), электромагниттік (б), электродинамикалық (в), ферродинамикалық( г) және электростатикалық (д) жүйелер.

2.2 Магнитоэлектрлік және электромагниттік жүйедегі өлшеуіш механизмдер

Магнитоэлектрлік жүйе. Бұл жүйелік аспаптар тұрақты магниттің магнит өрісімен тоғы бар орауыштың өзара электрмагниттік әрекетіне байланысты жұмыс істейді. Оның конструкциясы 2.7 суретте келтірілген.

2.7 Сурет – Магнитоэлектрлік жүйедегі өлшеуіш механизмнің конструкциясы, суретте келтірілген белгілер: 1– В индукциялы тұрақты магнит NS; 2 – магнитжүргізгіш; 3 – полюстік ұштықтар; 4 – өлшеуіш орауыш: оралым саны, оның өлшемі b*h, 5 – өзекше; 6 – серіппе; 7 – аспаптың тілі; 8 – нөлдік түзеткіш; а – дөңгелек, б – жалпақ магнитпен

Өлшейтін ток қарсылық серіппе арқылы, орауыш арқылы өткен кезде аспаптың тілі мына заңмен шкаланың бірер шама бөлістерін көрсетеді

(2.5)

мұнда В – индукция;

W – серіппенің меншікті қарсылық моменты;

S – ӨМ-ның сезімталдығы;

w – оралым саны.

1.1 теңдеуден аспаптың шкаласы біркелкі екендігін және тұрақты токты өлшеуге болатындығын білеміз (2.8 сурет).

2.8 Сурет – Магнитоэлектрлік аспаптың шкалаларының түрлері:

а – тұрақты ток;

б, в – айнымалы ток 1 және 2.5 В шектелген

Айнымалы токты өлшегенде айнымалы токты тұрақты токқа айналдыратын түрленгіштер қолданады. Магнитоэлектрлік аспаптың артықшылықтары: сезімталдығы, аз мөлшерлі токты өлшегенде айналым моменттің жеткіліктігі, сыртқы магнит өрістердің әсері аздығы, энергияны аз пайдалану және өлшейтін объектіге әсері аздығы.

Оның кемшіліктері: конструкциясының қиындығы, сондықтан қымбаттығы, өлшейтін токтың мөлшерінің аздығы, ең көп болғанда 500мА.

Магнитоэлектрлік аспаптар тұрақты токты өлшейтін амперметр не вольтметр ретінде көп қолданылады. Олардың дәлдік кластары 0.1; 0.2; 0.5 шамада.

Электромагниттік жүйедегі өлшеуіш аспаптардың өлшеуіш механизмі

2.9 суретте келтірілген.

2.9 Сурет – Электромагниттік жүйенің өлшеуіш механизмі: 1 – тұрақты орауыш; 2 – тұрақты магнитті жұмсақ өзекше; 3 – жылжымалы магнитті жұмсақ өзекше; 4 – тыныштандырғыш ауа камерасы; 5 – нөлдік түзеткіш; 6 – қайтарғыш серіппе

а) – жылжымалы өзекпен; б) жылжымалы және тұрақты өзекпен

Электромагниттік жүйенің өлшеуіш механизмінің жұмысын өлшейтін ток тұрақты орауыштан өткенде пайда болатын магниттік өрістің жылжымалы ферромагниттік тіліктің (пластина) арасындағы электромагниттік әсерге негізделген. Аспапты ток тізбегіне қосқанда өзек орауыштың ішкі кеңістігіне тартылады. Теңбе теңдікті сақтауға серіппе қолданылады.

. (2.6)

Аспаптың шкаласының тәуелділік теңдеуі: Мұндағы L – орауыштың индуктивтігі. Электромагниттік аспаптардың шкалалары біркелкі болып орналаспаған. Олар тұрақты токты да өлшейді. Көбінесе олар айнымалы токты өлшеуіш амперметрлер мен вольтметрлер болып саналады. Олардың шкалаларының өлшем бірліктері токтың не кернеудің әрекеттік мәнінде белгіленеді. Бірақ оладың шкаласының 5 тен 1-і жұмыс істемейді (2.10 сурет).

2.10 Сурет – Электромагниттік амперметрдің шкаласы (I_H=SA)

Электромагниттік аспаптың артықшылықтары: тұрақты және айнымалы токтарды өлшеуге болатындығы, өлшеу аумағының кеңдігі, токтар 200А дейін, кернеулерді 600В өлшейді. Дәлдік класы 1,0; 1,5 дейін.

Оның кемшіліктері: шкаласы біркелкі емес, сезімталдығы төмен (әсіресе шкаланың басында), энергияны көп пайдалануы (сондықтан, электромагниттік милливольтметрлер жоқ), сыртқы магниттік өрістердің әсері бар.

2.3 Электрлік өлшеуіш механизмдердің басқа түрлері

Электродинамикалық жүйелі өлшеуіш механизмі 2.11 суретте көрсетілген.

2.11 Сурет – Электродинамикалық өлшеуіш механизм (магнитсіз):

а) сұлбалы суреттемесі;

б) екі дөңгелекті орауыш конструкциясы;

в) жалпақ орауышты конструкция;

г) сұлбалардағы аспаптың шартты белгілері.

4.6 суретте құрама бөлшектер былайша белгіленген: 1 – магнит өрісін пайда қылатын тұрақты орауыш; 2 – жылжымалы орауыш (рамка); 3 – ауа камералық тыныштандырғыш; 4 – Шиыршықты (спираль) серіппе – ол қайтару тетігі болып және жылжымалы орауышқа ток әкелу міндетін орындайды.

Электродинамикалық өлшеуіш механизмның жұмыс істеу принципі магнитоэлектрлік механизммен бірдей, бірақ бір айырмашылығы бар, ол егер магнитоэлектрлік механизмде магнит өрісі тұрақты магнит арқылы пайда болса, ал электродинамикалық механизмде өлшейтін ток тұрақты орауышты өткенде пайда болады. Бұл механизмде магниттік материалдар қолданылмайды, сондықтан қалдық, магниттелудің, гистерезистің, және құйын токтың өлшеу қателіктеріне әсері жоқ. Конструкцияның тетіктері және бекіту ұйықтары (узел) күйіктастан (керамика) жасалады. Тұрақты жалпақ жұмысшы орауыштың ішіне жылжымалы орауыш орналастырылған. Екеуінен де ток жүргенде айландыру моменті пайда болады, сол арқылы көрсету мәнін білеміз. Шиыршықты серіппе арқылы жылжымалы орауышқа ток әкелінеді және оның арқасында механикалық тепе – теңдік (қайтару) моменті пайда болады. Аспаптың көрсеткіш тілшігі ауакамералық демпфер арқылы тыныштандырылады.

Аспаптың шкаласының теңдеуі мына түрде берілген

(2.7)

мұнда I_m,I_ж – тұрақты және жылжымалы орауыштардағы токтар;

М – екі орауыштың арасындағы өзара индуктивтігі;

φ-екі токтың фазаларының айырмашылықтары.

2.12 Сурет – Электродинамикалық амперметр мен вольтметрлердің өлшеу тізбектерінің сұлбасы

Миллиамперметрдің өлшеу тізбегі (2.12а) орауыштарды бірінен кейін біреуін қосқандықтан тұрады, сондықтан

I_m=I_ж=I, (2.8)

. (2.9)

Бұл аспаптың шкаласы практикалық жүзде біркелкі, бірақ шкаланың басталарында 10 – 12% і жұмысқа жарамсыз.

Вольтметрдің өлшеу тізбегі (2.12б) тағыда қосымша кедергіден тұрады

I=I_m=I_ж=U₁/ R₁. (2.10)

Сонда аспаптың көрсетуі

. (2.11)

Электродинамикалық аспаптардың басқалардан өзгешілігі, оның тұрақты және айнымалы токтарды өлшеуге болатындығы, жоғары деңгейдегі өлшеу дәлдігі (дәлдік кластары 0,5;1.0 және 1,5) және оның көрсеткіштерінің уақытты тұрақтылығы.

Оның кемшіліктері: кіші деңгейдегі сезімталдығы, шкаласының біргелкі еместігі және энергияны көп пайдалануы (милливольтметрлер жоқ).

Бұл аспаптардың қолданылу өзгешеліктерінің бірі оның токтың бағытымен мәнінің өзгеруіне сезімталдығы. Сондықтан олар ваттметр, частотомер және фазометр ретінде қолданылады. Әдетте ваттметрдің шкаласы біркелкі болып келеді.

Ферродинамикалық жүйедегі өлшеуіш механизмнің конструкциясы 2.13 суретте көрсетілген.

2.13 Сурет – Ферродинамикалық өлшеуіш механизм:

1 – тұрақты орауыш; 2 – жылжымалы орауыш; 3 – серппе; 4 – тыныштандырғыш; 5 – шихталанған магнитөткізгіш

Ферродинамикалық өлшеуіш механизм электрдинамикалық өлшеуіш механизмнің бір түрі болып саналады, онда жұмысшы ағын (магнит өрісі) жеке магнитөткізгіште жиналған. Жұмысшы ағынды пайда қылатын орауыш магниттік өзекшеге орналасады. Бұл жағдай өлшеуіш механизмінің бекем болуына және айналма моменттің жоғары деңгейде болуына әкеп соғады.

Жылжымалы орауыш өзінің магниттік өзекшесіне орналасады. Мұндай конструкция өзекшедегі құйын токтарға кететін шығын аз болатынын көрсетеді. Шығыршықты серппе арқылы жылжымалы орауышқа ток әкелінеді және механикалық қарама-қарсылық момент пайда болады. Тынышталу ауа арқылы не индукциялық тәсілмен жасалынады. Ферродинамикалық өлшеуіш механизмнің шкаласы токты не кернеуді өлшегенде квадраттық болып келеді, ал қуатты өлшегенде біркелкі болады. Казіргі кезде бұл механизм айнымалы токтың қуатын өлшеуге қолданылады.

Бұл өлшеуіш механизмдердің ерекшеліктері: үлкен айналдырма моменті, өзіндік күшті магнит өрісі, сыртқы магнит өрісінің әсері жоқ, электр энергиясының шығындауы электродинамикалық механизмдерге қарағанда аз.

Үлкен айналдырма моментінің барлығына сәйкес бұл механизмдерді қолданып түрлі ауқымда істейтін өздігінен жазатын ваттметрлер жасалған (2.14 сурет).

2.14 Сурет – Өздігінен жазатын аспаптың құрылысы

1 – өлшеуіш механизм (магнитоэлектрлік тұрақты токта және ферродинамикалық айнымалы токта);

2 – шкала, қаламсап және диаграммалық қағаз;

3 – қағазды жүргізгіш.

Электрстатикалық өлшеуіш механизмдер тек қана үлкен тұрақты не айнымалы токтың кернеулерін өлшеуге арналған(2.15 сурет).

2.15 Сурет – Электростатикалық өлшеуіш механизмінің құрылысы:

1 – жылжымалы пластина (тілікше); 2 – тұрақты пластина

Бұл аспаптардың жұмысы зарядталған екі пластиналардың бір-біріне электрлік әсеріне негізделген. Оның шкаласының теңдеуі:

(2.13)

мұнда dc / dα – өлшеуіш механизмінің кіріс сыйымдылығының өзгеруі.

Басты ерекшеліктері: кіріс кедергісінің үлкендігі, синусоидал емес кернеудің әрекет мәнін өлшеуге болатындығы.

Сөздік

Электрлік өлшеуіш аспаптар – электрические измерительные приборы.

Өлшейтін шаманың шын және нақты мәндері – истинное и действительное значения измеряемой величины.

Аспаптың өлшеу ауқымы, бөлістің саны және шамасы, кіріс кедергісі – диапазон измерения, количество и цена деления, входное сопротивление прибора.

Өлшемсіз, жанама мәндер, құрамалық және біргелкі емес шкалалар – безразмерная, косвенных значений, комбинированная и неравномерная шкалы.

Өлшеуіш механизм жүйелерінің шартты белгілері – условные обозначения систем измерительных механизмов.

3 Электрлік тоқ пен кернеуді өлшеу

3.1 Тұрақты ток пен кернеуді өлшеу

Экономикалық құндылықты арттыру үшін және энергетикалық объектілердің жұмысын оңтайлату үшін үлкен токтарды не жоғары кернеулерді өлшеу дәлдігі үлкен дәрежеде болу қажет. Қазіргі кезде бұл шамаларды өлшеу қателігі көбінесе 2,5% не одан артық болып келеді. Электроэнергияның сапасын арттыру үшін өлшеу құралдарының қателігі 0,5-1,0% аспау керек. Бұл жағдайды орындау үшін келесі себептерді еске алу керек: үлкен ток болғандықтан ток жүргізуші сымдарда үлкен болады; олардың электромагниттік әсері күшті; өлшеу құралдарын жоғары кернеулі тізбектерде жақсы оқшаулама (изоляция) жасау керек.

Үлкен тұрақты токтарды, мысалы 200-500 кА, өлшеу аллюминдерді электролиздеу құралғыларында қолданады. Жоғары тұрақты кернеуді (800...3000В) өлшеу жылжымалы электр көліктерінің қосалқы станцияларына қажет.

Үлкен токтарды не жоғары кернеулерді өлшеу өлшемдік кедергілердің (шунттар, қосымша кедергілер не кернеуді бөлгіштер) арқасында масштабтық түрлендіру әдістерімен шешіледі.

Үлкен токтарды өлшеу өлшенетін токтың өлшемдік кедергіден өткенде кернеудің түсу шамасын өлшеуге негізделген. Бұл жағдайда өлшемдік кедергілер манганиннен жасалған шунттар түрінде жұмыс істейді (5.1 сурет).

3.1 суретте көрсетілген: а) шунтпен токты өлшеу сұлбасы; б) шунттың электр сұлбасы.

Мұндай сұлбаны өлшейтін токтың тізбегіне Т₁ және Т₂ токтық қыспақ арқылы қосылады, ал кернеудің түсуі П₁ және П₂ потенциалдық қыспақтар арқылы өлшенеді.

а) б)

3.1 Сурет – Шунтты қосу сұлбасы

Шунттың метрологиялық параметрлері:

1. Шунттың номинальдық тоғы – I_шн (1А....7.5кА).

2. Шунттан I_шн тоғы өткенде кернеудің номинальдық түсуі U_шн (50, 60, 75, 100 мВ).

3. Шунттың дәлдік класы (0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5).

= (R_шд-R_шн )*100/ R_шн (3.1)

мұнда R_шд– жасалып шыққаннан кейінгі шунттың кедергісі.

Шунттың кедергісі номиналдық мәндер арқылы табылады

R_шн=U_шн/I_шн. (3.2)

Өлшеуіш механизм ретінде магнитоэлектрлік аспап қолданылады, оның номинальдық токтары I_ан=1мА,...,100мА, ал ішкі кедергісі R_а. Сондықтан шунттың кедергісі мына формуламен табылады

R_ш=R_a/ (n-1) (3.3)

мұнда n=I/I_ан – шунтталу коэффициенті. Сонда өлшенетін токтың шамасы:

I= (1+ R_a/ R_ш )* I_ан. (3.4)

Егер токтың күші 7,5 кА асса оны өлшеу үшін шунттарды параллельдік қосу әдісі қолданады (3.2 сурет).

Бұл сұлба үшін

. (3.5)

3.2 Сурет – Шунттарды паралельді қосу

Жоғары мәнді кернеу қосымша резистор арқылы өлшенеді (3.5 сурет).

3.3 Сурет – Кернеуді өлшеудің сұлбасы

Қосымша резисторлар мангазиннен жасалады және олардың формасы әртүрлі болады: өзек түрлі, таспа, қиықша, орауыш, шығыршық түрде.

Олар қорғауыш қорабқа орналасады.

Олар үшін келесі метрологиялық сипаттамалар бекітілген:

1. Номиналдық кернеу, U_RH, (300-3000)В.

2. Номиналдық ток, I_RH, (3...30мА).

3. Дәлдік классы, γ (0,1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5%).

Қосымша резистордың мәнін табу үшін мына формуланы қолданады

R_қ=R_a(m-1) (3.6)

мұнда m=U /U_ан=U/I_анR_а – бөлу коэффициенті.

Қосымша резисторы бар және 220 В жоғары кернеуді өлшейтін вольтметрлердің қорабы қызыл түспен боялады, онан кейін оператордан алыс жерге орналастырады.

Токты амперметрмен не кернеуді вольтметрмен өлшегенде әдістемелік қателіктер болуы мүмкін.

a) б)

3.4 Сурет – Токты өлшегендегі әдістемелік қателіктер

3.4 а суретінде көрсетілген электр тізбегіндегі ток күшінің шын мәні Ом заңымен табылады

I=U/R. (3.7)

Бұл тізбекке амперметрді қосқан токтың мәні өзгереді

I₁=U /(R+R_a). (3.8)

Бұл жағдай әдістемелік қателік пайда болуға әкеліп соғады:

а) абсолюттік – Δ_әқ=U/(R+R_a )-U/R=-(UR_a)/R(R+R_a);

ә) салыстырмалы – δ_әқ=Δ_эқ/(U/R)=-R_a/(R+R_a)=-1/ (1+R/R_a).

Мысал. R=10 Ом,

R_a=0.1 Ом.

δ_эқ=-[1/(1+100)]*100=-0.99=-1%;

Жалпы қарастырғанда былайша жасаймыз:

а) Егер R/R_a>1 деп алсақ (5.10) арқасында рауалды (допустимая) қателікті табуға болады

_қр<|R_a/R|;

2) Рауалды қателік амперметрдің дәлдік класына қарағанда 10 есе аз болу керек:

δ_қр<0,1γ_а.

Мысал. Егер γ_а=1%; егер R=10 Ом, сонда R_a=δ_әқр*R=0,1*10^-2*10=0,01 Ом.

Кернеуді өлшегенде де вольтметрдің ішкі кедергісінің әсерімен өлшеу қателігі пайда болады (3.5 сурет).

a) б)

3.5 Сурет – Кернеуді өлшегендегі әдістемелік қателіктер

Вольтметрдің ішкі кедергісінен электр тізбегіндегі токтың шын мәні (I=U/R) – өзгереді

. (3.9)

Сондықтан әдістемелік қателік пайда болады:

а) абсолюттік – Δ_әқ=U(R+R_в)/RR_в-U/R=U/R_в;

ә) салыстырмалы – δ_әқ=Δ_әқ*R/U=R/R_в

R_в–үлкен болған сайын қателік азаяды.

Рауалды қателік вольтметрдің дәлдік класынан (γ_в) 10 есе аз болуы керек.

Мысал. γ_в=1%, δ_әқр=0,1%,

R=10кОм.

Сонда R_в=R/ δ_әқр=(10*100)/0.1=10кОм.

3.2 Айнымалы ток пен кернеуді өлшеу

Аз мәнді айнымалы ток пен кернеуді өлшейтін өлшеуіш механизмдер (ӨМ) жоқ деп айтуға болады. Кейбір электромагниттік не электромеханикалық жүйедегі ӨМ-дерді миллиамперметр ретінде қолдануға болар еді, бірақ олардың жиілік жағынан істе»тін ауқымы көп емес (400 Гц-ке дейін). Сондықтан, айнымалы ток пен кернеуді өлшеу үшін айнымалы токты тұрақты тоққа түрлендіргіші бар магнитоэлектрлік жүйедегі ӨМ-дер қолданылады (3.6 сурет).

3.6 Сурет – Құрама аспаптың блок-сұлбасы

Түрлендіргіш ретінде түзеткіш диодтар мен термоэлектрлік элементтер қолданылады. Егер токтар не кернеулер өте аз шамада болса интегралдық микросұлбадан жасалған дифференциалдық күшейткіштер арқылы өлшенеді.

Бірполярлық түзетілген кернеу (ток) болса (3.7 сурет) магнитоэлектрлік жүйедегі ӨМ-ны оның тек қана орта түзетілген мәнін көрсете алады.

3.7 Сурет – Бірполярлық түзетілген кернеудің кескіні

Егер ток 0 ден Т/2 уақыт аралығында синусоидалдық түрде өзгеретін болса, мысалы , онда оның ортатүзетілген мәнін келесі формуламен табуға болады

. (3.10)

Айнымалы синусоидалдық кернеудің не тоқтың мұндай түрін детектор – түзеткіштер арқылы алуға болады. Орта түзетілген мәнді алуға арналған түрлендіргіштердің сұлбалары 3.8 суретте келтірілген.

3.8 Сурет – Ортатүзетілген мәннің түрлендіргіштері

3.8 а суреттегі құрылғы екіжартыпериодтық көпірлік түзеткіштің сұлбасымен жасалған. Түзеткіші бар аспаптарда көп қолданатын құрылғы 3.8 б суретте көрсетілген, мұнда екі диод екі кедергіге алмастырылған. 3.8 в суретте ортанүктелі екіжартыпериодтық сұлба келтірілген.

Барлық үш сұлбада да кіріс кернеуді түзетілген кернеуге түрлендіру принципі қолданылады. Сонда түзетілген кернеу әруақытта жүктемелік кедергі арқылы өтеді, мүмкін оның орнына ӨМ қолдануға да болады. 3.9 суретте көрсетілгендей, ортатүзетілген мәннің түрлендіргіштерінің өлшеуіш тізбекке қалай қосылуына байланысты өлшеуіш аспаптың функционалдық арналуыда әртүрлі болады.

3.9 Сурет – Түзеткіштік жүйедегі амперметр мен вольтметр:

а) – кіші; б) – үлкен токқа;

в) – төмен; г) – жоғары кернеуге;

Магнитоэлектрлік жүйедегі ӨМ өзі интегралдық құрылғы болып саналады, сондықтан ол импульстық тоқтың тек қана тұрақты құраушысын ғана көрсете алады, немесе (2.5) және (3.9) негізінде.

(3.11)

Егер, әрекеттік мәнді қолданатын болсақ (3.11) былайша өзгереді.

(3.12)

Мұндағы өрнегі синусоидалдық кернеудің формалық коэффициентіне (К_Ф) кері шама, сондықтан

. (3.13)

3.7 суретте көрсетілгендей токтың түрі синусоида болса, онда К_Ф=1.11 тең. Ол санды (3.13) өрнектен алып тастау үшін (3.13) 1.11ге көбейту керек

. (3.14)

Бұл көбейту түзеткіштік жүйедегі аспаптардың шкаласын өлшемдегенде қолданылады.

3.10 Сурет – Магнитоэлектірлік аспаптың шкалалары:

а – тұрақты токқа; б – айнымалы токқа, шегі 1 және 2,5 В дейін

Сонымен, түзеткіштік жүйедегі аспаптар өлшенетін кернеудің (токтың) әрекеттік мәнін көрсетеді. Олардың шкалалары 50 периодтық синусоидалдық кернеудің (токтың) әрекеттік мәніне өлшемденеді.

Мысал 1. Екіжартыпериодты детекторы бар магнитоэлектрлік жүйедегі ӨМ келесі айнымалы тоқтың тізбегіне қосылған.

, мА

Аспаптың не көрсетуін табу керек.

Шешімі:

Сонда аспаптың тілшігі

көрсетеді.

Мысал 2. Түзеткіші бар аспап көрсетті. Сонда өлшенген тоқтың амплитудалық мәнін табу керек.

Шешімі:

3.3 Тоқтық және кернеулік өлшеуіш трансформаторлар

Кернеуі 600В асатын айнымалы токтың желілеріндегі токтың шамасын өлшеу үшін арнайы жасалған масштабтық түрлендіргіштер қолданады. Оның бірі токты өлшеуіш трансформаторлар.(ТТ) Кернеуі 3кВ асатын айнымалы токтың кернеуін өлшейтін түрлендіргішке арнайы жасалған кернеуді өлшеуіш трансформаторлар жатады (КТ).

Кернеу мен токты өлшеуіш трансформаторлардың күшті токты техникада энергияжабдықтауда қолданудың екі себебі бар. Біріншіден; оны жай есептеумеуде түсінуге болады. Мысалы, кернеуі 150 кВ электр желісін 500В арналған электрмагниттік аспаппен бақылау керек дейік. Егер бұл аспаптың өзінің номиналдық кернеуінде пайдаланатын тоғы 10мА болса және қосымша кедергінің пайдаланатын қуаты 1,5кВА болады екен. Бұл өлшеу тәсілінің пайдаланудағы құнсыздығынан басқа тағы бір жағдай ыңғайсыздық туғызады. Ол өлшеу кезінде пайда болатын жылулық. Егер өлшеуіш аспаптар тарату қалқанда тығыз орналасса бұл жылулық өсе өсе өртке айналып кетуі мүмкін. Сондықтан өлшеуіш трансформаторлар қолданылады. Олардың шығыны аз, КПД-сі 100 жетеді. Екінші себебі, өлшеуіш трансформатор өлшеуіш аспапты басқы электржелісінен гальваникалық дарақтайды, жұмысшы операторларға қауіпсіздік туғызады.

Токты өлшеуіш трансформаторлар айнымалы токтың тарату құрылғыларында мына төменгі аспаптардың токтық тізбектерін жабдықтау үшін қолданылады: амперметрлерді, ваттметрлерді, фазаметрлерді және қуатты түрлендіргіштерді.

Токтық трансформатрлар (ТТ) электромагниттік электр аппараты болып саналады. Олар бірінші токты I₁ екінші токқа I₂ біркелкі (бір сызықпен) түрлендіру үшін қолданады. Оның екінші тоғы I₂ стандартты шамада 5А болады. 3.11 суретте ТТ-ның конструкциясы және оны қосу сұлбасы келтірілген.

ТТ-ның токты түрлендіру әрекеті номиналдық трансформациялау коэффициенті арқылы көрсетіледі

(3.15)

мұндағы W₁ – бірінші орамадағы орамның саны (1, 2,...п);

W₂ – екінші орамадағы орамның саны;

I_1ном – бірінші номиналдық ток (10; 15; 20; ... 40000А);

I_2ном – екінші номинальдық ток (1, 2, 5А).

а)

3.11 Сурет – Бірорамдық өлшеуіш ТТ:

а) құралу принципі: 1 – электр желісі, бірінші орама; 2 – оқшаулатқыш; 3 – өзекше; 4 – екінші орама

б) қосу сұлбасы: Л₁, Л₂ – бірінші қысқыштар; И1, И2 – екінші қысқыштар; РА – жұмысшы амперметр

ТТның қателіктері нормаланғандықтан оларды өлшеуіш трансформаторлар деп атайды:

а) токтық қателігі ₁ = (I₂K_тн – I₁) I₁100% ; (3.16)

ә) бұрыштық қателік Ө₁ (3.12 сурет), (рад; град).

3.12 Сурет – Бұрыштық қателік

Осы қателіктердің деңгейіне қарай ТТ әртүрлі дәлдік кластарға бөлінеді: 0,2; 0,2S; 0,5 и 0,5S (3.1. кесте)

Номинальдық жүктеме деп екінші тізбектегі барлық кедергіні айтады, онда сosθ = 0,8 болу керек.

Дәлдік класс жүктеменің шамасы 25 тен 100% дейін өзгергенде рұқсат етілген қатенің пайызын көрсетеді (3.1 кесте).

3.1 кесте – Тоқтық трансформатордың рұқсат етілген қателіктері

Дәлдік класы	Бірінші ток, I_ном қанша %	Рұқсат етілген қателіктер шегі			Екінші жүктеменің шегі, номиналдан қанша %
		Токтық %	Бұрыштық
			град.	рад
0,5	5 20 100-120	1,5 0,75 0,5	90 45 30	2,7 1,35 0,9	25-100
0,5S	1 5 20 100-120	1,5 0,75 0,5 0,5	90 45 30 30	2,7 1,35 0,9 0,9	25-100

Токтық қателіктер кей кезде қисық сызықтар түрде беріледі (3.13 сурет).

3.13 Сурет – Нормаланған токтық қателіктердің шектері

мұндағы 1-1¹–класс 0,2; 2-2¹ –класс 0,5; 3-3¹ – класс 1.

Токтық трансформаторға өлшеуіш аспаптарды бірінен кейін бірін қосуға болады, бірақ бұл кезде екінші орамдағы токтың шамасы көп өзгермеу керек. Қосқан өлшеуіш аспаптың саны көп болуы мүмкін, бірақ олардың қосынды жүктемесі завод көрсеткен трансформатордың номиналдық жүктемесінен артпау керек.

Токтық трансформатордың жүктемесі деп оның екінші орамасына қосылған барлық кедергілердің қосындысын айтады. Оған токты алып келетін сымдардыңда кедергілері кіреді. Трансформатордың жүктемесі Ом арқылы көрсетіледі және қуаттың коэффициенті де беріледі. Сүйтіп токтың трансформаторға қосылған аспаптардың жалпы кедергісі оның номиналдық жүктемесінен аспау керек. Егер бірінші орамада токтың күші өзгермесе, екінші орамада да токтың күші онша өзгермейді. Бұл кезде басты қателіктің шамасы дәлдік кластың шамасынан аспауы керек. Бұл жағдай тек қана токтық трансформатордың қысқа тұйықталу режимде істегенде ғана болады. Трансформатор бұл режимде істегенде бірінші орамдағы токтың күшінен пайда болған өзекшедегі магнит өрісі қарама-қарсы бағытталған екінші орамдағы токтан пайда болған магнит өрісі мен тепе-тең. Тек қана аз шамалы магнит өрістерінің айырмашылығы қалады, бірақ оның шамасы екінші магнит өрістен ең болмағанда 100 есе аз. Өзекшенің көлемі осы магнит өрістерінің айырмашылығына сәйкес алынады.

Егер трансформатордың екінші орамының ұштары еш нәрсеге қосылмай ашық болса, бірінші токтан пайда болған барлық магниттік өріс өзекшені жүктемелейді. Сондықтан өзекше қатты қызады, трансформатор жұмыстан шығып қалуы мүмкін. Трансформатордың екінші орамасында трансформациялық коэффицентке сәйкес өмірге қауіпті жоғары кернеу пайда болады. Сондықтан өлшеуіш аспаптар тіркелген тізбекті тек қана 2 жағдайда ажыратуға болады, олар: қашан трансформатордың екінші орамасы қысқа тұйықталған, не трансформатордың бірінші орамында ток жоқ. Осы себептен трансформатордың екінші орамына сақтандырғыш қойылмайды.

Кернеуді өлшеуіш трансформаторлар (КТ) бір болат өзекшеге оралған 2 орамадан тұрады, олар бір-бірінен және өзекшеден жақсы оқшаулатылған. Бірінші ораманың қыспақтарын А, Х деп, ал екінші ораманың қыспақтарын а,х деп белгілейді (3.14 сурет).

Вольтметрге, вольтметр мен

санағыштардың параллелдік

орамаларына

3.14 Сурет – Кернеулік трансформаторды қосу сұлбасы

КТ трансформациялық коэффициенті мынаған тең:

К_кн = U_1н/ U_2н = W/₁ W₂. (3.17)

мұндағы W₁, W₂ – бірінші және екінші орамалардағы орамның саны. Стандарт бойынша трансформатордың К_кн мәні бірінші орамада номиналдық кернеу болған кезде екінші орамада 100 В болуын қамтамасыз ету керек.

КТ метрологиялық сипаттамасы:

1. Бірінші номиналдық кернеу U _1ном (0,4; 0,66; 1,0; 3,0; 6; 10; 15; 20; 35 кв).

2. Екінші номиналдық кернеу U _2ном (100 не 100/ В).

3. Номиналдық екінші қуат Cos = 0,8 кезінде S_2ном Вт.

4. Дәлдік класы, К_дкн (0,2; 0,5; 1,0%).

Дәлдік класс 0,2 қуатты генераторларда және жүйеаралық электр берілісінде қолданатын есептеу санағыштардың кернеу трансформаторларына керек. Басқа қосылыстардағы есептеу санағыштар үшін 1 не 1,5 дәлдік кластардағы өлшеуіш аспаптар үшін кернеулік трансформаторлардың дәлдік класы 0,5 болу керек.

Дәлдік класс арқылы кернеуді өлшегендегі салыстырмалы қателік (, %) және бұрыштық қателіктер (Ө_тн мин, град) табылады (3.2 кесте).

3.2 Кесте – КТ-ның рұқсат етілген қателіктердің шегі

Дәлдік класс, _н %

Р.е. қателіктердің шегі

кернеулік %

бұрыштық, мин.

0,2

0,5

0,2

0,5

3 фазалық симметриялық электр желілерінде кернеуді өлшеу үшін 3 не 2 КТ қосылған сұлбалар қолданылады (3.15 сурет).

3.15 Сурет – 3 фазалы кернеулік трансформаторлар:

а) -3х3 нол; б) -2х3 нол

3.15а суретте көрсетілген жұлдыз-жұлдыз сұлбасымен қосылған 3 бірфазалық трансформаторлар 0,5-10 кв электр қондырғыларында оқшаулату мәнін өлшеу үшін қолданатын өлшеу аспаптарын, санағыштарды және вольметрді қоректендіру үшін қажет.

3.15б суретте көрсетілген ашық үшбұрыш сұлбасымен жиналған 2 бірфазалық трансформаторлар фазалардың аралығындағы кернеулерді өлшейтін аспаптарды, санағыштарды және релелерді қоректендіру үшін қолданады. Бұл 2 трансформатордан тұратын топтың қуаты толық үшбұрыш сұлбасымен жиналған 3 трансформатордың тобынан есе аз. Сондықтан, ашық үшбұрыш сұлбасымен жиналған топты 3 фазалы қуаты

S = U_н I_н = S_н тең, ал толық үшбұрыш үшін қуат: S = 3 S_н тең.

3.16 суретте КТ қателіктерінің өлшеуіш құралдардың қуатына тәуелділігі келтірілген.

3.16 Сурет – КТ қателіктері

Кернеулік (γ_н) және бұрыштық (б_н) қателіктер: а, б – екінші орамадағы жүктемеден; в, г – қуаттың коэффициентінен

3.3 кесте – КТ параметрлері

Tun

U₁ kB

S₂_Н BA

S_2m, BA

ВН

НН

0,2

0,5

НОМ -10

3 НОЛ-10

НТМИ

6-10

0,1

0,1/

120

640

960

Токты не кернеуді өлшегендегі қателіктер амперметрдің, токтық не кернеулік трансформатордың, вольтметрдің құрал-саймандық қателіктеріне байланысты. Бұл қателіктер салыстырмалы қателіктер арқылы табылады

(3.18)

(3.19)

мұнда ₁, _U – ТТ және КТ токтық және кернеулік қателіктері;

g_I, g_U -амперметр мен вольтметрдің дәлдік кластары;

I_H, U_H – амперметр мен вольтметрдің номиналдық мәндері;

I, U – амперметр мен вольтметрдің көрсету мәні.

Мысал. Электр желісіндегі ток трансформация коэффициенті 10 тең токтық трансформатормен өлшенген. Қолданылған амперметрдің дәлдік класы 0.5. Электр желісіндегі токты және өлшеу қателігін табу керек, егер амперметр 2,5 А көрсетсе, оның номиналдық тоғы 7,5 А тең.

Желідегі ток I_ж = IK_тн = 2,5*10 = 25A.

Өлшеудің салыстырмалы қателігі

Абсолюттік қате

Өлшеудің нәтижесі I_ж = (25 ± 0,5) A.

3.4 Жоғары жиіліктегі ток пен кернеуді өлшеу

Кіріс кернеудің табалдырықтық мәні 0.5 В болса ортатүзеткіштік жүйедегі аспаптардың сызықты емес өлшеу қателіктері 2% деңгейден аспайды. Егер кремнийден жасалған диодтарды қолдансақ онда да өлшейтін жиілік ауқым 40 кГц-ке дейін ғана болады. Ал бұрынғы қаралған аспаптарды тек қана радиотехникалық тізбектердегі дыбыстық жиілікті, мысалы 20 кГц-ке дейін, өлшеуге қолдануға болады.

Жоғары жиіліктегі кернеуді не токты өлшеу үшін термотүрлендіргіші бар аспаптар қолданылады. Термотүрлендіргіш өлшенетін токтың күшімен қыздырғыштағы бөлінетін жылуды термопараның арқасында термо-Э.Қ.К.-не түрлендіреді. Термо-Э.Қ.К. термопара және ӨМ арқылы ток жүргізеді, оның шамасы өлшенетін токтың қыздырғышты қыздыру күшіне тікелей байланысты.

3.17 суретте термоаспаптың екі түрі көрсетілген. Бірінде термопараның дәнекер жапсары қыздырғышпен бірден түйіскен, екіншісіне термопара қыздырғыштан фарфордан не шыныдан жасалған түймешектер арқылы оқшаулатылған.

3.17 Сурет – Термоаспаптың құрылғысы: а – түйіскен; б – түйіспеген

Термоаспап қыздырғыштан, термопарадан және ӨМ тұрады. Қыздырғыш платинадан, константаннан и вольфрамнан жасалған сым, пластина не түтік түрінде болады. Ал термопара мыс-константан не платина платинародийдан жасалады.

Өлшенетін ток қыздырғыш арқылы өткен кезінде термопараның ыстықтық дәнекер жапсары онымен түйіскен жерінде жылулық пайда болады. Оның шамасы өлшенетін токтың квадратына () тура пропорционалды болып келеді. Сонымен ӨМ тізбегіндегі ток тең

, (3.20)

мұндағы Е_Т – Э.Қ.К.; R₀ – ӨМ ішкі кедергісі; R_Т – термопараның кедергісі; I – өлшенетін ток; К – түрлендіру коэффициенті. Сонда ӨМ-ның тілшігінің ауытқуы мынаған тең

, (3.21)

мұндағы – термоаспаптың сезімталдығы. Шкаланың теңдеуі (3.21) аспаптың көрсету мәні токтың әрекеттік мәніне пропорционал екендігін дәлелдейді. 3.18 суретте термоаспаптың өлшеуіш сұлбасы келтірілген.

3.18 Сурет – Термоэлектрлік миллиамперметрдің сұлбасы

Резистор R_П1 термотүрлендіргіштің кедергісін, ал резистор R_П2 ӨМ-ның ішкі кедергісін икемдетуге қолданады. Сыртқы ортаның температурасының өзгеруі параллелдік тізбек құратын мәні аз кедергі R_М (мыс сым) мен терморезистор ТК арқылы қарымталанады.

Термотүрлендіргіштің түйіскен түрінде (3.17 а сурет) жоғары жиіліктегі өлшенетін токтың бір бөлшегі термопараның ыстықтық дәнекер жапсары арқылы және зыянды сыйымдылық аспап-жер арқылы шығындалады. Ал термотүрлендіргіштің түйіспеген түрінде термопараның ыстықтық дәнекер жапсары мен қыздырғыш бір-бірінен оқшаулатылған, сондықтан мұнда жылыстау тоғы өте аз болады.

Термоэлектрлік вольтметрдің жұмыс істейтін жиілік ауқымы оншақты герцтен оншақты мегагерцтің (30-40 МГц) арасында жатады. Зыянды сыйымдылық (аспан-жер) арқылы өтетін жылыстау тоғының әсерін төмендету үшін миллиамперметрді сұлбаның жерленген нүктесіне жақын орналастырады.

Барлық термотүрлендіргіштердің бір кемшілігі олардың асқын жүктемелігі аздығы. Себебі жүктеме өскен сайын қыздырғыштың температурасы токтың квадратына пропорционалды өсе бастайды. Бұл жағдай қыздырғыштың балқып кетуіне әкеп соғады.

Өзінің тұрақтылық қасиетімен басқалардан өзгеше болып түтікше қыздырғышы бар түйіспеген термотүрлендіргіш саналады. Оның сыртқы түрі 3.19 суретте көрсетілген.

3.19 Сурет – Ауалық термотүрлендіргіштің құрылысы

Термоэлектрлік вольтметрлердің шкаласы квадраттық және өлшейтін кернеудің әрекеттік мәніне градуирленген. Бұл вольтметрдің ең жоғары дәлдік класы 1.0 болады. Термовольтметрлер көбінесе әртүрлі формалы кернеулердің әрекеттік мәнін өлшегенде қолданылады, себебі олардың көрсеткіштері кернеудің формасына байланысты емес.

Сонымен қатар, олар дыбыстық не жоғары жиілікте басқа жүйедегі вольтметрлерді градуирлеуге де қолданылады.

Өнеркәсіп кернеу мен токты өлшеу үшін түрлі-түрлі термоэлектрлік аспаптар шығарады. Олардың түрлері Т131, ....Т133. Т131 аспаптың кернеуді өлшейтін ауқымы 75-1500 мВ, жиілігі 20 Гц-1 мГц, пайдаланатын тоғы 0.1 мА. Т133 аспап 100-1000 мкА ауқымда токты өлшейді, жұмыс істеу жиілік ауқымы 20 Гц-0.5 МГц.

Термоэлектрлік аспаптардың өлшеу шегін кеңейту үшін жоғары жиіліктік токтық трансформаторлар (ТТ) қолданылады (3.20 сурет).

3.20 Сурет – Токтық трансформаторды ӨМ өлшеу тізбегіне қосу сұлбасы

Өлшейтін ток I ТТ-дың бірінші орамасы арқылы өтеді, оның екінші орамасына ӨМ мен термотүрлендіргіш қосылған. Орамалар бір-бірімен индуктивтік ретінде сақина тәрізді өзекше арқылы байланысады. Өзекше электротехникалық болаттан (20 кГц дейін), пермаллойдан (200 кГц дейін) не ферриттен (200 кГц жоғары) жасалуы мүмкін.

Өзара индуктивтіктен екінші орамада Э.Қ.К. пайда болады, ол тең

, (3.22)

мұндағы I – бірінші орамадағы өлшенетін ток,

w – токтың айналма жиілігі,

М – екі орамалардың өзара индуктивтігі.

Екінші орамадағы ток, немесе қыздырғыш арқылы өтетін ток тең

, (3.23)

мұндағы R₂ – екінші орама мен қыздырғыштың кедергілерінің жалпы қосындысы, L₂ – екінші орамның индуктивтігі.

Трансформациялау коэффициенті тең

. (3.24)

Бұл коэффициент жиіліктің мәніне тәуелсіз болады, егер:

1. <<, (3.25)

мұндағы токты өлшеген кездегі ең төменгі жиілік;

2. <, (3.26)

Мұндағы – ең жоғарғы жиілік, – екінші орамның өзіндік резонанстық жиілігі;

3. егер екі орамның арасында сыйымдылық байланыс болмаса.

Егер (3.25) жағдай орындалса

сонда практикалық жүзде болғанында жеткілікті. Сонымен токты өлшеуге болатын ең төменгі жиілікті табамыз

Екінші орамның өзіндік резонанстық жиілігі тең

мұндағы C_L2 – екінші орамның өзіндік сыйымдылығы.

Сонымен (3.26) қолдана отырып және жиіліктік қателікті 4% тен астырмай, ең жоғары жиілікті табамыз

немесе .

Өлшенетін токтың мәні термоаспаптың көрсеткен мәнін трансформациялау коэффициентіне (n) көбейтумен табылады.

Сөздік

Өлшеудің жанама, нөлдік және салыстырмалы әдістері – методы косвенного, нулевого и сравнительного измерения.

Электрлік кедергіні өлшеудің тізбектеп және параллелдік қосу сұлбалары – схемы последовательного и параллельного включения для измерения электрического сопротивления.

Даралық және қоскөпірлік сұлбалары – схемы одинарного и двойного мостов.

Айнымалы токтың өлшеуіш көпірлік сұлбалары – схемы измерительных мостов для переменного тока.

Сыйымдылықты, индуктивті және шығындық бұрышты өлшеу – измерение емкости, индуктивности и угла потери (шығындану коэффициенті).

Көпір сұлбасының тепе-теңдік теңдеуі – уравнение равновесия мостовой схемы.

Электрлік түрлендіргіштер – электрические преобразователи.

Бірполярлық түзетілген кернеу – однополярное выпрямленное напряжение.

Ортатүзетілген мән – средневыпрямленное значение.

Номиналдық жүктеме – номинальная нагрузка.

Термотүрлендіргіштер мен термоаспаптар – термопреобразователи и термоприборы.

Термопараның ыстықтық дәнекер жапсары – горячий спай термопары.

Қыздырғыштағы бөлінетін жылу – тепловыделяемое нагревателем.

Сыртқы ортаның температурасы қырымталады – компенсируертся температура внешней среды.

Өздік индуктивтік және сыйымдылық – собственная индуктивность и емкость.

Жылыстау тоғы – ток утечки.

4 Электрлік тізбектердегі элементтердің параметрлерін өлшеу

4.1 Электрлік кедергіні өлшеу

Электрлік кедергіні өлшеудің көп тараған бір түрі – тұрақты токтың кедергісін өлшеу. Ары қарай «кедергіні өлшеу» терминін қолданамыз. І_С жүзінде өлшейтін кедергінің шамасы Омның өте майда бөлшектерінен бастап ондаған тераОм болуы мүмкін. Кедергіні өлшеуде пайдаланатын әдістер: 1. Бірден санақты қосалқы әдістері; 2. Нольдік санақты салыстырмалы әдістер. Осы өлшеу әдістеріне байланысты өлшеуіш аспаптар тізбекті не параллелді омметрлер деп аталады.

Шамасы жоғары кедергілерді өлшегенде олар өлшеуіш механизммен және кернеудің көзімен бір тізбекке қосылады. Екі қыспақ ашық тұрған кезде (R_x) ток жүрмейді сондықтан өлшеуіш механизмнің көрсеткіші механикалық 0 де тұрады (4.1 сурет).

4.1 Сурет –Тізбектеп қосылған кедергіні өлшеуіш

а – жеңілдетілген сұлба; б – шкаланың көрінісі; в – шкаланы белгілеу

Өлшеуіш механизм кедергінің шамасымен белгіленеді. Өлшеу кезінде өлшенетін объект R(x) ішкі кедергісі R_n өлшеуіш механизм мен кернеу көзімен бір тізбекке қосылады. Сондағы токтың шамасы

I_AX = E/(R_X + R_n + R_Д) (4.1)

мұнда Е – кернеу көзінің кернеуі; R_n – өлшеуіш аспаптың ішкі кедергісі; – қосымша кедергі.

Егер екі қыспақ жабық болса (R_X = 0) ток аспаптың номиналдық тоғына тең I_A =I_Н

I_A = I_Н = E /( R_n + ). (4.2)

Өлшеуіш аспаптың көрсеткен тоғының өлшенген кедергінің мәніне сәйкестігі осы (4.1) және (4.2) формулалар арқылы есептелінеді екі токтың қатынасы

(4.3)

мұндағы R_O – омметрдің ішкі кедергісі, _х – өлшенетін кедергінің қатынасты мәні.

Егер R_X= R_O, онда _x = 1, ал = ½ тең.

Бұл жағдайда аспаптың тілшігі шкаланың жарым ортасын көрсетеді. Шкаланың өлшеу ауқымын -ны R_o, 2R_o, 3R_o … деп, алып өзгертуге болады. Кедергіні бір тізбектеп өлшеуіш құралмалы аспаптарда қолданады. Бұлардың өлшеу ауқымы 10 Омнан 1 мОмға дейін болады.

Шамасы аз кедергілерді өлшегенде параллель қосылған кедергі өлшеуіштер қолданады. 4.2 суретте кедергі өлшеуіштің параллельдік қосылу сұлбасы көрсетілген.

4.2 Сурет – Кедергі өлшеуіштің параллельдік қосылу сұлбасы

Екі қыспақ ашық кезінде (R_X = ) өлшеуіш аспап арқылы максималдық ток жүреді I_A = I_М Егер екі қыспақ жабық болса (R_X = O) өлшеуіш механизмінің көрсеткіші механикалық нолде тұрады. Өлшейтін кедергіні қосқан кезде тізбектегі ток екіге бөлінеді, сондықтан өлшеуіш аспаптың корсеткіші төмендейді. Бұл жағдайда кедергі өлшеуіштің шкаласы кедергіні дұрыс көрсеткенімен, шкаланың барлық ауқымы біргелкі болмайды (нолдік көрсеткіш сол жақта).

Өлшеу ауқымы өлшеуіш аспаптың ішкі кедергісіне R_П байланысты болғандықтан, бұл кедергіні өзгерту үшін қосымша кедергіні R_Д параллель не тізбектей қосады. Бұл Омметрдің өлшеу ауқымы 10-150 Ом.

Олардың шкаласының біркелкі еместігінен, дәлдік кластары былай табылады.

r =L/L_Н*100 (4.4)

мұнда ΔL – миллиметр арқылы белгілеген Омметрдің шкаласының абсолюттік қателігі; L_Н – миллиметр арқылы берілген шкаланың шегі. Бұл миллиметрді Омға аудару үшін аспаптың сезімталдық қасиетін қолданады S (мм/Oм). Омметрдің дәлдік класы әдейі жасалған таңбаның үстінде көрсетіледі, мысалы; 1,5 не 4.

Қаралған Омметрлер әдейі тестерлерге арналған, олар тек қана кедергінің белгілі ауқымын өлшеуге жарайды. Дәлдік өлшеу кезінде тұрақты токты көпірлік сұлбаны қолданады. Жасауға оңай және өлшеуге жеңіл болып даралық көпірлік сұлбасы жатады, ол барлық белгілі өлшеуіш көпір сұлбаларының негізі болып саналады. Көпірлік сұлбада салыстыру әдісі қолданады. Салыстыру әдісі, нольдік әдіс, дифференциалдық өлшеу әдісі өлшеу кезінде өлшенетін шама мен белгілі мәннің шамасының айырмашылығы нолге тең болу керек. Салыстыру әдіс компенсаторларда, өлшеуіш көпірлік сұлбаларда не оның өзгертілген түрі «іздеуші салыстырмалы әдісі» деген атпен автоматтық аспаптарда қолданады.

4.3 суретте тепе-теңдік кезінде көпірлік сұлба көрсетілген, мұнда гальванометрдің қосылымында ток нольге тең (I=0), ал көпірлік сұлбаның иықтарындағы кедергі үшін мынандай қарым-қатынас заңды

R_X/R₂ = R₃/R₄. (4.5)

Шынын айтқанда, гальванометр қосылымындағы ток нольге дейін төмендей алмайды, себебі гальванометр қанша сезімтал болсада, аз токты сезе алмайды. Сондықтан мынандай сұрақ туады: гальванометр Rx қанша шамаға өзгергенін сезе алады? Бұл гальванометрдің сезімталдығына байланысты.

R_X – өлшейтін кедергі; R₃ – өзгеретін үлгілі кедергі; R₃, R₄ – тұрақты үлгілі кедергілер; R₅ – гальванометрдің ішкі кедергісі, R_i – кернеудің көзінің ішкі кедергісі: E – кернеудің көзі

4.3 Сурет – Даралық көпір сұлбасы

Гальванометрдің өлшейтін ең кіші мәні болып

_min=R_X/R_X/min (4.6)

саналады.

Мұнда R_Х – кедергінің өлшейтін мәні; R_Х – осы кедергінің өзгеру шамасы.

Метрологияда бекітілген, бұл мән гальванометр арқылы өтетін токқа тең, егер ол гальванометрдің тілшігін бір бөлістің 1/10 үлесіне бұра алса

I_5min=C_i/10 (4.7)

мұнда C₁ – бір бөліс (нольден не оң жақта, не сол жақта). 4.5 теңдеуден белгісіз кедергіні табуға болады

R_X=R₂ R₃/R₄. (4.8)

Көпірлік сұлбаның ең қолайлы сезімталдығының мәні қандай болу керек, соны қарастырайық.

Мысалы салыстырмалы дәлдік шегі 10^-3 болса, онда _min 10^-6ға дейін төмендетудің ешқандай қажеті жоқ. _min R₂, R₃жәнеR₄ мәндерінің қателіктерінен пайда болатын салыстырмалы қателіктен 10 есе аз болу керек.

Салыстырмалы қателіктер

сонда

(4.9)

Гальванометр қолданатын даралық өлшеуіш көпір сұлбаларының өлшеу аумағы: 0,1Омнан 10⁶ Омға дейін.

Практикада реохордтық және декадалық дара көпір сұлбалары қолданады.

Реохордтық өлшеуіш көпір сұлбаларының иықтарында үлгілі кедергімен реохорд қолданады. Бұл кезде үлгілі кедергі әруақытта тұрақты мәнде болады. Көпір сұлбасының екі иығындағы R₃ және R₄ кедергілер біркелкі кедергілі сымнан жасалады. Индикатордың бір қыспағы көпір сұлбасының теңдігін жасау үшін кедергілі сымның үстімен қозғалып отырады.

Қозғалғыш қыспақтың орны өлшеуіш көпірлік сұлбаның иықтарының қатынасын көрсетеді.

. (4.10)

Белгісіз кедергінің мәні Rx осы қатынасымен үлгілі кедергінің мәнін көбейткенде табылады: R_X=bR_N.

Декадалық өлшеуіш көпір сұлбасының иықтарындағы кедергілердің қатынасы әр уақытта тұрақты болады, көпірлік сұлбасын теңдік жағдайға келтіру үшін декадалық кедергілер қолданылады. Бұл жағдайда өлшеу кезінде в=R₃/R₄ – әр уақытта тұрақты болады. Өлшеу ауқымын үлкен санды декадаларды өзгертіп таңдап алуға болады, ал көпір сұлбасы теңдеуі үшін R_N – кедергісін өзгертіп индикатор ноль көрсетеді (4.4 сурет).

4.4 Сурет – Декадалық көпір сұлбасы

Үлгілі кедергі декадалық кедергіден тұрса, белгісіз кедергінің мәнін R_X=bR_N сан түрінде алуға болады.

Өте аз шамадағы кедергіні (R_X0,1Ом) өлшеуге дара көпірлік сұлбалар жарамайды. Бұл кезде контактардың сымдарының кедергілері әсерін береді. (4.5 сурет).

4.5 Сурет – Аз шамадағы кедергіні өлшегендегі қателіктер

1 – контактардың өткінші кедергілері; 2 – қосатын сымдардың бөлімдерінің белгісіз кедергілері

Қосымша өлшеудегі қателік екі R_X және R₃ резисторларды қосатын сымдардан болуы ықтимал, себебі олардың кедергілерінің мәні R_Х шамада болуы мүмкін. Қосатын сымдардың өлшеу нәтижесіне әсерін тигізбеу үшін R_Х пен R₃ жалғастырғанда потенциалдық қыспақтар қолданылады. Бұлар қоскөпір сұлбасында қолданады (4.6 сурет).

4.6 Сурет – Қоскөпірлік сұлба

В мен С нүктелердің арасындағы кернеудің түсуін R₂¹жәнеR₄¹ қосымша резисторлардың арқасында, А мен Д нүктелерінің арасындағы R₂ мен R₄ кернеудің түсуіндегі сәйкестендірілу болады. Мысалы

R₂¹/R₄¹= R₂/ R₄. (4.10)

Сонда қоскөпірлік сұлбаның теңдігі, дара көпірлік сұлбаға сәйкес келеді.

R_X/R₂=R₃/R₄ (4.11)

Қоскөпірлік сұлбалар егер үлгілі кедергілер болса, 10^-6Омға дейін өлшей алады, сонда өлшеу қателігі 0,1% шамада болады.

Өте үлкен дәлдікпен өлшеу үшін, R₃ және R_X кедергілердің қыспақтары да потенциалдық айырмашылықтары үлкен болу керек. Бұл үшін 100А ток жіберуге тура келеді, бірақ кедергі қызып кетуі мүмкін.

Бұл өлшеудің қателіктерін термоЭҚК арқылы көбейтуі мүмкін. Сондықтан, қоскөпірлік сұлбада кернеу көзін ауыстырып қосқыш болу керек. Сонда токты екі бағытта өлшеп, кейін кедергінің екі өлшеу нәтижесінің арифметикалық ортасын есептеп шығарады.

4.2 Реактивтік элементтердің параметрлерін өлшеу

Электроэнергетикада электр желілерінің реактивтік кедергілерін, индуктивтік орауыштың және сыйымдылықтың (конденсатордың) параметрлерін білу әруақытта қажет. Мысалы индуктивтік орауыш қысқа тұйықталу тоғының әсерін төмендетеді. Жоғары вольтты конденсаторлар үлестіру құралғысы РУ10кВ-та реактивтік қуатты қарымталау үшін қолданады. Мұның бәрі электр сүзгілерде қолданады, ал ол оперативтік байланыс не жоғары вольтты желілерді басқару үшін керек.

РУ10кВ-та қолданатын конденсатордың басқы сыйпаттамасы: оның сыйымдылығы мен диэлектриктегі шығындық кедергілік (4.7 сурет).

Бір тізбектік сұлба үшін шығындық бұрыштың тангенсі

. (4.12)

а) б)

в)

4.7 Сурет – Конденсатордың эквиваленттік орнын басу сұлбасы (а), векторлық диаграмма (б), кедергілер үшбұрышы (в)

Индуктивтік орауышта осындай эквиваленттік орнын басу сұлбасымен суреттеледі. Оның индуктивтік кедергісі

(4.13)

ал сапалылығы

. (4.14)

Конденсатордың не индуктивтік орауыштың параметрлері айнымалы токтың көпірлік сұлбасымен өлшенеді.

Айнымалы токтың өлшеуіш көпірлік сұлбасын әруақытта тұрақты токтың көпірлік сұлбасына келтіруге болады. Сонда екі сұлбаның да тепе-теңдігі , сезімталдығы және өлшеу дәлдігі бір есептеу қатынасымен табылады, тек қана айнымалы токтың көпірлік сұлбасында кернеу мен токтың амплитудасымен қатар олардың фазалық қатынасында еске алу керек (4.8 сурет).

4.8 Сурет – Айнымалы токтың көпірлік сұлбасы

Көпірлік сұлбаның тепе-теңдік кезінде ноль-өлшегішпен ток жүрмейді. Бұл теңдік былайша жазылады:

. (4.15)

Толық кедергіні ашып жазсақ:

. (4.16)

Бұл теңдік мына жағдайда тура болады

Z₁Z₄=Z₂Z₃,

φ₁+φ₄=φ₂+φ₃. (4.17)

Бұл теңдеулер айнымалы токтың көпірлік сұлбасының амплитуда және фаза жағынанда тең болуын камтамасыз етеді. Сыйымдылықты өлшеу көпір сұлбасы тек қана сыйымдылықты өлшеу үшін жаратылған. Бұл көпір сұлбалары сыйымдылықты, шығындық коэффициентті (конденсатордың) және басқы параметрлерді өлшеуге арналған. Айнымалы токтың өлшеуіш көпір сұлбасы ретінде Вина мен Шерингтің өлшеуіш сұлбалары қолданылады.

Винаның сұлбасында өлшейтін объект (C_x, tgδ_c) пен салыстыру сұлбасы бір тізбекте орналасады, сонан кейін оларға параллель түрде кернеуді бөлгіш ретінде R₃ және R₄екі кедергі жалғастырылады (4.9 сурет).

4.9 Сурет – Винаның өлшеуіш көпір сұлбасы:

а) бір тізбекті шығынды қарымталау;

б) параллелдік шығынды қарымталау

Көпірлік сұлбаның бір иығында шығыны аз үлгілі конденсатор C_N мен фаза деңгейлейтін кедергі R_N орналасады.

Екі сұлбада жиілікке байланыссыз сыйымдылық және конденсатордың шығындық кедергісін табамыз

; . (4.18)

Егер кернеудің жиілігі белгілі болса шығындану коэффициентін табамыз: бір тізбектік орын басу сұлбасы үшін

tgδ_c=ωC_NR_N (4.19)

параллелдік орын басу сұлбасы үшін

tgδ_c=1/( ωC_NR_N). (4.20)

Жұмыс істейтін аспаптарда омдық (активтік) кернеу бөлгіштері реохорд не потенциометр түрінде жасалады. Өлшеудің дәлдігін көбейту үшін бір кедергі тұрақты не декадалық болып жасалады, ал екінші кедергі прецизиондық, азсатылық өзгеретіндей болып жасалады. Орауыштың өз индуктивін және сапалығының, индуктивті байланыс электр тізбектерінің өзаралық индуктивтігін және байланыс коэффинциентің өлшеу үшін индуктивтік өлшеу көпірлер сұлбасы қолданады. Оның бірі Максвеллдің өлшеуіш сұлбасы. Максвелдің өлшеуіш сұлбасы төменгі және орташа жиілікте істейтін айнымалы токтың өлшеуіш көпірлер сұлбасы. Ол орауыштың индуктивтігін және сапалылығының, не өзаралық индуктивтікті өлшеуге арналған. Өлшеу кезінде индуктивтігі L_x және шығындық кедергісі R_W орауыш шығындық кедергісі R_ph үлгілі индуктивтікпен L_N салыстырылады, сонымен қатар бұл сұлбада фаза жағынан да тепе-теңдік жасауға болатын болу керек. Барлық жағынан тепе-теңдік жасау үшін активтік кернеу бөлгіш қолданылады. Ол не сымнан жасалған потенциометрден тұрады не реактивсіз резисторларды (R₃ және R₄) қолданады (4.10 сурет).

а – орауыштың индуктивтігін өлшеу сұлбасы;

б – өзаралық индуктивтікті өлшеу сұлбасы.

4.10 Сурет – Максвеллдің өлшеуіш көпір сұлбасы

Сұлбаның тепе-теңдік кезінде мына теңдеулер әділ болады:

L_x=L_N*(R₃/R₄); R_W=R_ph(R₃/R₄); tgδ_L=(ωL_N)/(R_ph). (4.21)

Өзаралық индуктивтікті өлшеу үшін екі орауыш бір-біріне қарсы жалғастырылады және олар өлшеуіш сұлбаның жоғарғы тізбегіне орналасады (4.10 б – сурет).

Айнымалы ток кернеу көзінен ең алдымен L₂ орауыштың орамасынан өтеді. Өзаралық индуктивтік арқасында L₁ орауыштың орамасында кернеу индукцияланады. Егер L₁ орауыштың өз индустивтігі белгілі болса (егер L₁M) онда өзаралық индуктивтік былай табылады

. (4.22)

Максвелл-Вина өлшеуіш көпір сұлбасы Максвелл мен Винаның сұлбаларының құрамасы болып саналады (4.11 сурет)

4.11 Сурет – Максвелл-Вина өлшеуіш көпір сұлбасы

Бұл өлшеуіш сұлба орауыш пен конденсатордың параметрлерін, кей кезде активтік кедергілерді өлшеуге арналған. Жалпы алғанда бұл сұлба үшін тепе-теңдік жағдай былайша жазылады.

және . (4.23)

Орауыштың параметрін өлшеу үшін Х1 және Х2 ұяларға оны жалғастырады (L=L_X және R₁=R_w).

Ал Х3 және Х4 ұяларына өлшеуіш конденсатор С_N=C және R₄ кедергісі жалғанады. R₃ және R₄ кедергілердің арқасында сұлбаның тепе-теңдігін орнатады, содан кейін орауыштың белгісіз параметрлерін табуға болады

L_x=C_N R₂ R₃, R_w=, tg d_L=. (4.24)

Конденсатордың параметрін өлшеу үшін Х3 және Х4 ұяларына жалғастырады (орын басар сұлба бойынша С=C_x және R₄=R_V). Ал ХI және Х2 ұяларына өлшеуіш орауыш L_n=L мен R₁ кедергі жалғанады. R₃ ті өзгертумен сұлбада тепе-теңдік пайда болады. Сонда конденсатордың белгісіз параметрлері былайша табылады

C₂=, R_V = . (4.25)

Сөздік

Дірілдегіш өлшеуіш механизмдер, резонанстық және салыстырмалы әдістер, электрондық санағыштар – вибрационный измерительный механизм, резонансные и сравнительные методы, электронные счетчики.

Жиілік өлшеуіштің сұлбасында санау уақытын белгілеу – определить время счета в схеме частотометра.

Генератордың тіректі жиілігі – опорная частота генератора.

Цифрлық өлшеуіш аспаптар – цифровой измерительный прибор.

Уақытпен кванттау және деңгеймен дискреттеу – квантование по времени и дискретизация по уровню.

Кернеуді уақыт аралығына түрлендіргіш аспап – прибор для преобразования напряжения в интервал времени.

5 Жиілік пен уақыт аралығын өлшеу

5.1 Кернеу мен токтың жиілік пен уақыттық параметрлерін өлшеу

Жиілікті өлшеу дегеніміз айнымалы токтың не кернеудің 1 секундтағы периодының санын табу. Жиілікті өлшеу үшін дірілдегіш (вибрациялық) өлшеуіш механизмдер, резонанстық әдіс, жиіліктерді салыстыру әдісі, электрондық санағыштар не көпірлік сұлбалар қолданылады. Резонанстық жиілікөлшеуіш – дірілдегіш өлшеуіш механизмдердің бір түрі (5.1 сурет).

5

.1 Сурет – Резонанстық жиілік өлшеуіш: а) құрылғы: 1 – қыздырғыш орама (электрмагнит); 2 – металдан жасалған якорь (өзекше); 3 – болаттан жасалған тілшіктердің қатары; 4 – конструкцияның ұстап тұрғыш элементі; б) аспаптың шкаласы

Тілшіктер қатары мен магниттен жасалған өзекше бір табанға бекітілген. Сондықтан өзекше электрмагнитке анда-санда тартылғанда бұл импульс табан арқылы тілшіктерге беріледі. Ал тілшіктер әртүрлі қатаңдығы бар болаттан жасалған тіліктерге орналасқан, сондықтан импульстың жиілігіне байланысты резонансқа түсіп кернеудің не токтың жиілігін көрсетеді. Мұндай жиілік өлшеуіштер мотор-генераторлық қондырғыларда қолданылады.

Тарату құрылғыларында (РУ) жиілік электромагниттік жүйеде істейтін логометрлер арқылы өлшенеді (5.2 сурет).

5.2 Сурет – Электрмагниттік жүйедегі жиілік өлшеуіш:

а) өлшеуіш сұлба; б) аспаптың орауыштарындағы токтар

Логометрдің көрсеткіші токтардың бір-біріне қатынасымен табылады

α=f(I₂/I₁). (5.1)

Бір параллелдік тізбекке қосылған конденсатор мен индуктивтік орауыш резонанстық тізбек құрады. Екінші параллелдік тізбекке кедергі мен индуктивтік орауыш қосылған. Аспаптың екі параллельдік тізбектері екі түрлі болғандықтан (біреуі кедергі-индуктивтік, екіншісі сыйымдылық- индуктивтік), олардағы токтар, бір жағынан олардың толық кедергілеріне кері пропорционал болса, екінші жағынан, олардың жиілікке тәуелдігі әртүрлі. Сондықтан логометрдің тізбектегі орауыштардың параметрлерін қалап алып, токтардың тоғысқан жерінде оның көрсеткіші 50 Гц болуын қамтамасыз етеді. Мұндай қалқандық жиілікөлшеуіштердің басты қателігі 2,5%-дан аспайды. Электржабдықтау жүйесінде электрэнергияның сапасы жиілік арқылы стандартталған , сонда жиіліктің ауытқуы %(1 Гц) дан аспауы керек (не жиілігі тербелуі 0,2 Гц/с аспауы керек).

Айнымалы токтың не кернеудің жиілігін не периодын білу үшін абсолюттік әдіс қолданылады. Бұл әдіс электрон-цифрлық принципке негізделген. Осы принципті 5.3 суретте көрсетілген кернеудің уақыттық диаграммасына сүйене отырып қарастырайық.

5.3 Сурет – Кернеудің жиілік өлшеуіштегі уақыттық диаграммалары

Жиілікөлшеуіштің сұлбасында басты мәселе санау уақытын белгілеу. Сонда осы уақытта толтырылға импульстердің саны

N=T_cy/T_x=T_cyf_x. (5.2)

Осыдан белгісіз жиілікті табамыз

f_x=N/T_cy.(5.3)

Жиілікті өлшеудің салыстырмалы қателігін (12.3) өрнекті логарифмдеу мен дифференциалдау арқылы табамыз

. (5.4)

Мұндағы – абсолюттік қателік, Гц;

– жиілітің өлшенген мәні, Гц;

– дискреттеудің абсолюттік қателігі, с.

Есептеуге оңтайлы болу үшін максималдық салыстырмалы қателіктің формуласын қолданады

. (5.5)

(12.2) ескерсек

. (5.6)

Мұнда δ_с=(2…5)(10^-7…10^-9) – санау уақытының салыстырмалы тұрақсыздығы (нестабильность).

(12.5) өрнектен абсолюттік қателіктің формуласын алуға болады

. (5.7)

Жиілігі f_x=50 Гц өлшегенде (12.5) және (12.6) формулалардың 1 мүшелері 2 мүшелеріне қарағанда аз болғандықтан, оларды елемеуге болады

, (5.8)

. (5.9)

Жиіліктің 0,2 Гц-тей тербелісін өлшеу үшін санау уақытын максимальдық түрде алу керек

(5.10)

Егер Т_су=10 с алсақ, онда Δ_max=0,1 Гц болады. Бірақ, бұл жағдайда өлшейтін уақыт созылады, сондықтан жиіліктің 1 с тербелуін бақылау қиын.

Енді айнымалы токтың периодын өлшеу мәселесін қарастырайық. 5.4 суретте периодометрдің уақтылық диаграммасы көрсетілген.

5.4 Сурет – Периодометрдің уақыттық диаграммалары

Периодометрде де жиілікөлшеуіш сияқты кернеудің уақыттық өзгеруі импульстер қатарына түрлендіріледі. Мұндағы айырмашылық санау уақыт Т_су іздейтін периодқа Т_х тең болады. Осы уақыт аралық импульстік қоздырғыштан қысқа импульстермен толтырылады. Бұл импульстер тактілік жиілікпен (толтыру жиілігі) беріледі. Кей кезде оларды уақыттық таңбалар деп атайды.

Импульстердің саны мынаған тең

N=T_x/T_тж. (5.11)

(5.11) өрнектен өлшеудің максимальдық салыстырмалы қателігін табуға болады

(5.12)

және максимальдық абсолюттік қателік

(5.13)

әдетте, қысқарылған өрнектерді қолданады

, (5.14)

. (5.15)

Тіректі жиіліктің генераторы төртбұрышты периодикалық импульстер шығарады, олардың жиіліктері f_ТЖ=1МГц. Сондықтан уақыт таңба Т_УТ=Т_ТЖ=1мкс тең. Бұл жағдайда периодты өлшеудің абсолюттік қателігі аспауы керек. 50 Гц жиілікті өлшегенде саналатын импульстердің санын табуға болады; егер Т_х=0,02с

N=(0.02/10^-6)=20000 имп.

Дешифратор бұл санды уақытқа айналдырып дисплейді өлшейтін бірлікте береді

20.000мс

децимальдық нүкте

Көбінесе электроэнергетикада периодты емес жиілік көрсететін аспаптар қолданады: 50.000 Гц. Бұл арифметика-логикалық түрлендіргіш арқылы жасалады. 5.5 суретте периодометрдің негізінде жасалған жиілікті өлшейтін аспаптың жалпы сұлбасы келтірілген.

5.5 Сурет – Жиілікті өлшейтін аспаптың сұлбасы

1. КҚ – кіріспе құрылғы.

2. ҚҚ – қалыптастыру құрылғысы.

3. ЭК – электрондық кілт.

4. ИГ – импульстер генераторы.

5. ИС – импульстарды санағыш.

6. АЛҚ – арифметика-логикалық құрылғы.

7. СИҚ – санды индикациялау құрылғысы (дисплей).

5.2 Цифрлық аспаптар

Цифрлық өлшеуіш аспаптар (ЦӨА) деп өлшеудің нәтижесі сан түрінде берілетін аспаптарды айтады. Олардың көп түрлілігіне қарамай негізгі құрылыстары бірдей болып келеді (5.6 сурет).

КҚ – кіру құрылғысы; Тр₁, Тр₂, Тр₃ – бір шаманы басқа шамаға түрленгіштер; АСТ – аналог-сандық түрлендіргіш; ИС – импульсті санағыш; СИ – сандық индикация (дисплей); БҚ – басқару құрылғысы.

5.6 Сурет – Цифрлық аспаптың функциялық сұлбасы

Кіру құрылғысы кернеуді не токты өлшеу шегін кеңітуге арналған. Ол ішіне кіру құрылғысы қосымша резисторлар мен шунттардың жиынтығын қолданады. Цифрлық өлшеуіш аспап басты сигнал көп рет келгеннен кейін өлшей бастайды. Бұл аспаптардың өлшейтін сигналдарды түрлендіретін бөлшектерін өлшеуіш түрлендіргіштер деп атайды. Егер аналогтық сигнал басқа аналогтық сигналға өзгерсе, онда өлшеуіш түрлендіргіш аналогтық деп атайды, егер аналогтық сигналды сандық түрге не керісінше өзгертсе, өлшеуіш түрлендіргішті аналог-сандық не сандық – аналогтық деп атайды.

Егер ақпараттық параметр бірнеше бекітілген шамада болса, бұл сигналды дискреттелген не квантталған деп атайды. Квантталу Тр₁ – түрлендіргіштің арқасында жасалады, сонда өлшейтін сигнал t уақыт аралығында әртүрлі деңгейде дискреттеледі (5.7 сурет).

5.7 Сурет – Уақытпен кванттау және деңгеймен дискреттеу

5.7 суретте көрсетілгендей аналогтық сигнал U(t) уақыт бойынша бірінен кейін бірі болатын дискреттелген шамалармен U_i (t_i) ауыстырылады. Цифрлық өлшеуіш аспап ақпаратты тек қана дискреттелген уақыт кезінде сезе алады. Бұл уақыттың кезі басқару құрылғысы арқылы белгіленеді. Енді алынған дискретті сигналды (тұрақты кернеу) аралық (промежуточный) параметрге түрлендіру керек. Бұл параметр ретінде Т_жа уақыт аралығы алынған, мұны жүйелік, аралық деп атайды. Бұл аралыққа қоятын міндет, ол әр уақытта өлшейтін кернеуге пропорционал болу керек.

Бұл түрлендіру кернеу-уақыт аралығы (санайтын уақыт) Тр₂ екінші түрлендіргіште жасалады. Санайтын аралық уақыт, салыстырмалы әдіспен, өлшейтін кернеуді уақытпен біркелкі (пропорционал) өсетін тіректі (калибрленген) кернеумен салыстыру арқылы табылады (5.8 сурет).

Салыстыру құрылғысы

СҚ

а) жұмыс істеу сұлбасы

б) кернеулердің уақыттық диаграммасы

5.8 Сурет – Кернеуді уақыт аралығына түрлендіргіш аспаптың сұлбасы

Тіректі кернеу G1 генератормен жасалады. Бұл генератордың шығыс кернеуі U₀ (t) сызықшамен біркелкі өседі. Ара тәрізді кернеу уақытпен біркелкі өседі, оның басқы бұрышы . Түрлендіру процесі басқару құрылғының (БҚ) арқасында бір уақытта t₁ басталады. Егер U =U₀ болса, салыстыру құрылғы t₂ уақытында сигнал береді. Осыдан кейін екі күйі бар триггер U_тр строб (тіректі) импульс жасайды, оның уақыт ұзындығы санайтын уақытқа тең

Т_си = t₂ – t₁.

Уақыттық диаграммадағы үшбұрыштан табатынымыз.

Т_си = U tga (5.16)

егер = const болса, онда tg = C₁, сондықтан

T_си = C₁ U. (5.17)

Үшінші түрлендіргіш ТР₃ Тси уақыт аралығын N санды импульстерге түрлендіреді. Бұл үшін электрондық жүйелі әдіс қолданады. Бұл әдіс бойынша өзгеріп тұратын санайтын уақыт (Т_си) үлгілі генератордан G₂ алынған үлкен жиілікті төртбұрышты импульстермен толтырылады. (5.9 сурет).

5.9 Сурет – Кернеуді түрлендірудің жұмыс істеу сұлбасы

а) түрлендірудің жұмыс істеу сұлбасы;

б) кернеулердің уақыттық диаграммасы

ЦӨА 220В электр желісіне қосқанда жиілігі 1мГц үлгілі генератор жұмыс істей бастайды. Генератордың импульстері электрондық кілтке келеді, оның ашық уақыты Т_си. Импульсті санағыш ИС импульстерді санап, олардың бір-бірін қоса бастайды

N = Т_си / Т_го. (5.18)

(5.17) өрнекті қолдансақ

U = NТ_го / С₁(5.19)

егер Т_го = сonst, онда Т_го/С₁ = С₂

U = C₂ N. (5.20)

Сөйтіп, өлшейтін кернеу импульстің санына пропорционал болады. Бұл импульстердің ИС тағы жиынтығы кодтарды түрлендіргіште түрлендіріп эпидтық-кристалдық, алфавиттік-сандық индикаторға кіреді, сонда өлшеу нәтижесін сан жүзінде көреміз.

6 Электрлік қуат пен энергияның шығынын өлшеу

6.1 Қуатты өлшеу

Қуатты өлшеу дегеніміз электр қуатының мәнін табу. Қуатты өлшегенде оның бірнеше құраушыдан тұратындығын ұмытпау керек: активтік, реактивтік және толық қуат. Кей кезде қуатты өлшеуге оның коэффициентін өлшегенді жатқызады. Тұрақты токтың қуатын өлшеу дегеніміз тұрақты токтың тізбегіндегі электрлік активтік қуатты өлшеу деген. Егер қосалқы әдіспен қуатты өлшесек, онда кернеу мен токты табу керек. Шынында, электр қуат ток пен кернеудің көбейтіндісіне тең. Егер токты және кернеуді өлшеп, олардың мәнін тапсақ, онда тұрақты токтың активтік қуаты

P₌ = U₌ I ₌. (6.1)

Айнымалы кернеу мен токтың тиімді мәнін (эфф. знач) өлшеу арқылы толық қуатты табуға болады. Ол

S = U_w I_w. (6.2)

Токты және кернеуді (айнымалы) түзеткіш сұлба арқылы өлшеуге болады. Қуатты тапқан кезде оның кернеудің көзінің қуаты ма, не жүктеменің алған қуаты ма, соны ажырата білу керек. Кез келген өлшеуіш құрал өзінің пайдалану қуаты болады, сондықтан қуаттың аз шамасын өлшеген кезде осы жағдайды еске алу керек. Ол ескертпе: U_, I – кернеу мен токтың өлшенген мәндері; P_B – вольтметрдің пайдаланған қуаты; R_B – оның ішкі кедергісі. P_I=I² R_I – амперметрдің пайдаланған қуаты; R_I – оның ішкі кедергісі.

Тұрақты токты және кернеуді өлшеу үшін шунтты не қосымша кедергісі бар магнитоэлектрлік жүйедегі аспаптар қолданады. Ал, айнымалы ток пен кернеуді өлшеу үшін электромагниттік және электродинамикалық жүйелердегі аспаптар қолданады. Қуатты өлшеудің ең оңайы электродинамикалық өлшеуіш механизмнің негізінде жасалған ваттметрмен өлшеу (6.1 сурет).

6.1 Сурет – Ваттметрді қосу сұлбасы

Қуатты өлшегенде ваттметрдің шкаласының теңдеуі мына түрде болады: -тұрақты ток үшін

(6.3)

– айнымалы токта

(6.4)

мұндағы пропорциялық коэффициент.

Дәлдік класы 0,5 Д539 ваттметрдің шкаласы біркелкі, 150 бөлісі бар ол 150 В арналған; Сонда паралелдік тізбектегі номиналдық ток 3 мА, біртізбекке қосылған орауыштың шыдайтын тоғы 5А, ал кедергісі: R_а = 0,002 Ом. Кейде ваттметрді косинустық депте атайды, себебі ол кезінде өлшемденеді. Ваттметрдің тұрақтылық коэффициенті

. (6.5)

Мұндағы I_H, U_H- номиналдық ток пен кернеу;

– номиналдық бөліс саны.

Айнымалы токтың желісіндегі қуатты өлшеу үшін әртүрлі әдістер қолданады. Оңай әдіс-бір ваттметрдің әдісі. Бұл әдіспен активтік қуатты бірден табуға болады. Активтік қуат-электрлік пайдалы қуат. Бұл қуат әдетте әрекет жасайтын активтік қуат, қыздырады, механикалық әсер береді, электр-құрылғыларын қимылдатады. Тұрақты токтың тізбегінде не айнымалы токтың активтік жүктемесінде (сos=1) активтік қуат болады P=UI. Айнымалы токтың тізбегіндегі кез келген жүктемеде, тек қана токтың активтік құрамы ғана жұмыс істейді, тек сол ғана пайдалы

. (6.6)

Бір ваттметр әдісі екіжелілі тұрақты токтың қуатын өлшеуге, бірфазалық айнымалы токтың активтік қуатын өлшеуге арналған. Симметриялық жүктелген 3 фазалық 3 не 4 сымды жүйелердің активті қуатын өлшеу 10.2 суретте келтірілген.

6.2 Сурет – Бір ваттметрлік әдіс. Симметриялық жүктелген желілердің активтік қуатын өлшеу: а) 3 фазалы 4 сымды электр желісі, б) 3 фазалы 3 сымды электр желісі

Симметриялық жүктелген кезде қуат барлық фазаларда бірдей, сондықтан, көбінесе қуатты бір фазада өлшеп алады да, одан кейін алынған нәтижені 3-ке көбейтеді. Не 3-ке көбейту аспаптың шкаласын өлшемдеу кезінде ескеріледі. 3 сымды жүйеде ваттметрдің кернеулік тізбегін қосымша кедергі R₀ арқылы қосу үшін әдейі жасанды нөлдік нүкте жасалады (6.2 б сурет).

Жүктеменің толық не жартылай ассиметриялық қосылу кезінде қуатты өлшеу үшін 3 ваттметрлік әдіс қолданады. Бұл әдіс симметриялы не симметриясыз жүктелген 3 фазалық желілерде активтік қуатты өлшеу үшін арналған.

3 фазалық желілердің толық активтік қуаты 3 фазаның қуаттарының қосындысына тең

. (6.6)

Бұл қуатты табу үшін әр фазада қуатты 3 ваттметрмен бір кезде өлшейді (10.3 сурет). Бұл жағдайда ваттметрлерді бірден, не жартылай жанамалы не толық жанамалы ретінде қосуға болады.

6.3 Сурет – 3 ваттметрлік әдіс. Қалай болса солай жүктемеленген электр тораптарының активтік қуатын өлшеу

6.3 а суретте көрсетілгендей, 4 сымды жүйелерде ваттметрлер қосымша кедергі арқылы нөлдік сымға қосылады. 3 сымды жүйелерде үш кернеудің тізбектері қосымша кедергілер арқылы жасанды нөлдік нүктемен қосылады. 3-10кВ тың айнымалы токтың электротораптарында қуатты өлшеу үшін кең тараған екі аспаптың әдісі – Аронның сұлбасы қолданады.

6.4 Сурет – Арон сұлбасы: а) 2ваттметрлік әдіспен активтік қуатты өлшеу; б) қуаттық коэффициенттің өлшенген қуаттарға қатысы P₁/P₂

Активтік қуат былай табылады.

. (6.7)

Мұндағы ₁ – PW₁ ваттметрдің көрсеткіші (бөліс саны);

₂ – PW₂ ваттметрдің көрсеткіші (бөліс). Егер ток пен кернеудің фазаларының айырмашылығы 60-тан асса (cos0,5 ) онда бір ваттметрдің көрсеткіші теріс бағытқа ауытқиды. Сондықтан ол ваттметрдің екі қыспағын орын ауыстырып, оның көрсеткішін оң бағытқа ауыстырады, оның көрсеткішінен екінші ваттметрдің көрсеткішін алып тастайды.

Симметриялық жүктелген торапта Арон сұлбасы арқылы активтік екі қуатты өлшегеннен кейін, қуаттың коэффициентін табуға болады

(6.8)

не 6.4 б-дағы диаграмма арқылы табылады. Барлық кезде Р₁ и Р₂ таңбаларын ескеру керек.

Кернеудің датчигі үлгілі кедергімен токты бөлуден тұрады. Токтың датчигі токты кернеуге түрлендіргіш электрондық трансформатордан тұрады. Одан кейін бұл сигналдардың мәні көбейтіліп бір-біріне лездік қуат табылады. Бұл қуат интегралдық «қуат-жиілік» түрлендіргішке келеді. Бұл түрлендіргіштер ресейдің өндірістерінде шығарылады.

Егер электрондық сағыныштың оңай түрін алсақ, тек қана импульстарды санау керек болса, не ақпаратты дисплейге шығару керек болса, не авария болған кезде қорғау керек болса бұл жүйе MOTOROLA ФИРМАСЫНЫҢ МС68НС05К11 микроконтроллерінің арқасында жасауға болады.

6.2 Электрлік энергияның шығынын өлшеу

Энергияның шығыны деп электр пайдаланушыларға белгілі бір уақытта (сағ., сөтке, ай, жыл,) берілген қосынды қуатты айтады. Ол былайша жазылады

. (6.9)

Электрэнергияның шығынын әлбетте электрсанағыш арқылы өлшейді. Олар электрмеханикалық, электрондық не сандық түрде болады.

Электрмеханикалық санағыш интегралдық аспап болып индукциялық жүйеге жатады. Ол жылжымалы және жылжымалы емес бөліктерден тұрады. Оның жылжымалы емес бөлігі екі электрмагниттен тұрады: біреуі токтық, біреуі айналдырма момент алуға арналған кернеулік. Тұрақты магнит қарама-қарсы момент алу үшін қолданады. Санағыштың жылжымалы бөлігі алюминийден жасалған дөңгелектен тұрады. Ол дөңгелектің диаметрі 90 мм, қалыңдығы 1,2-1,5 мм, дөңгелек алюминийден жасалған оське бекітіледі.

Электрмагниттер – орамасы бар электротехникалық болаттан тұратын магниттік жүйелер. Токтық ораманың сымдары санағыштың номиналдық тоғына байланысты жуандау келеді. Оның орам саны да аз, электр желісімен бір тізбекке қосылады. Кернеулік орама диаметрі 0,08-0,12 мм жіңішке сымдардан жасалады, оның орамының саны 8-12 мыңнан асады және ол электр желісіне параллелдік түрде қосылады.

Электрмагниттерден пайда болған магниттік ағындар және дөңгелекті тесіп өтіп, онда жасанды токтарды тудырады. Бұл токтармен айнымалы магниттік ағындар әсерлескенде дөңгелекте айналдырма момент пайда болады

(6.10)

мұндағы К_а – конструкциялық коэффициент.

Тежеуіш момент тұрақты магниттен пайда болады

(6.11)

мұндағы – конструкциялық коэффициент;

– тұрақты магниттің ағыны;

n – дөңгелектік жылдамдығы.

Орнықты болған кезде, энергияның шығынын былайша жазуға болады

(6.12)

мұндағы N – дөңгелектің толық айналу саны;

С_Н – санағыштың номиналдық тұрақтысы, Вт.С/айналым. Санағыштың номиналдық тұрақтысы С_z беріліс санымен табылады. Беріліс сан С_zэлектрлік санағыштың дөңгелегінің өлшем бірлігіне тең айналым саны. Әр электр санағыштың бетінде "1кВт·сағ = С_zайналым" деген жазу бар. Ол С_z 1кВт·сағ кететін айналым саны деген, тағы да айтқанда, көрсеткіштің 1кВт·сағ өзгергендегі айналымның саны. Санағыштың номинальдық тұрақтысының мәнін нормалағанда сандық қатардың мүшелерін, не ондық; не еселік бөліктерін алады. Мысалы: 120,150; 187,5, 240; 300; 375,480; 600; 750; 960 сияқты С_zбілгеннен кейін С_Н табуға болады

. (6.13)

Санағыштарға келесі метрологиялық сипаттамалар бекітілген: номиналдық кернеу – бұл кернеу санағыштың параметрлерін нормалағандағы басты кернеу. Ол 1 фазалық санағыштарға 127 және 220В тең, ал 3 фазалық санағыштарға 127,220,380 В тең. Кей кезде, ол 100 В тең, егер кернеулік орамаға өлшеуіш трансформаторды қоссақ; номиналдық ток - бұл ток санағыштың параметрлерін нормалаудың негізі болып саналады. Ол 1 не 3 фазалық санағыштарда 5 не 10А тең; басты қателік – белгілі жүктемеде санағыштың электр энергиясын өлшегендегі салыстырмалы қателігі

_W = (6.14)

мұнда - шындық тұрақты, оны ваттметр мен секундомермен өлшейді

= . (6.15)

Мұндағы: – t cек. уақытында санағыштың дөңгелегінің айналымының бүтін саны;

– ваттметр көрсеткіші, Вт.

Санағыштың дөңгелегінің айналым санын оның шетіне салынған қара таңба арқылы білеміз. Ол таңба санағыштың қаптамасындағы орналасқан көрсету әйнегінде көрінеді. Аспаптың қалқаншасы көрсету әйнегіне жақын орналасады, онда санағыштың дөңгелегі мен санауыш механизмінің санды барабаны көрінеді. Қалқаншаға санағыштың паспорттық белгілері жазылған: беріліс саны, ГОС-тың номері, зауыттың номері, жасалған жылы т.б. Санағыштың қаптамасының төменгі жағында оны электр желісіне қосуға арналған қыспақтар орналасқан (6.5 сурет).

6.5 Сурет – Санағыштың жалпы көрінісі

Рұқсат берілген салыстырмалы қателікке байланысты электрсанағыштар әртүрлі дәлдік класпен шығарылады. Мысалы 1 фазалық СО – 5И индукциялық санағыш 2,5 дәлдік класына жатады, ГОСТ 65 70-60 оның сезімталдығы номиналдық токтың -нан кем емес. Оның санауының дәлдігі өлшейтін токтың шамасымен номиналдық токтан асқанда да сақталады.

Санағыштарды жеке жасалған сұлбалар арқылы қосады (6.6 сурет).

6.6 Сурет – Санағышты қосудың электрлік сұлбасы

3 фазалық электр тізбектеріндегі электр энергиясын есепке алу үшін 2 не 3 элементті санағыштарды қолданады. Бұл санағыштар екі не үш 1 фазалық механизмдердің жинағы болып саналады. Олардың айналдыру моменті бір жылжымалы бөлікке әсер етеді. Жалпы айналдыру момент бөлек элементтердің айналдыру моменттерінің қосындысы болып саналады. Конструкция жағынан 2 элементті санағыштар 1 не 2 дөңгелекті болып жасалуы мүмкін (6.7 сурет).

6.7 Сурет – 3 фазалық санағышты қосу сұлбасы

РУ-8-10 кВ та электр энергиясының шығынын өлшеу үшін дәлдік класы 1,0 санағыштар қолданады, бірақ олар желіге өлшеуіш трансформатор арқылы қосылады (6.8 сурет).

6.8 Сурет – 3 фазалық санағышты жоғары кернеулі РУ қосу

Қазіргі кезде электр энергиясының шығынын өлшеу үшін электрондық санағыштар қолданады. Соның бірі көпфункциялық микропроцессорлық электрондық санағыш "Альфа".

Олар келесі жағдайларды қамтамасыз етеді:

а) 0,2 және 0,5 дәлдік класпен 4 нарықтық зонада эл. шығынын өлшеу;

б) Активтік және реактивтік энергиялар мен қуаттарды екі бағытта өлшеу;

в) Ертеңгі және кешкі сағаттардағы қуаттың максималдық шамасын өлшеу;

г) Жүктеменің графигін жазу және санағыштың жанында сақтау;

д) Өлшеудің нәтижелерін сандық байланыс каналдарға жіберу.

Егер элементтік базаны және ақпаратты өңдеу алгоритмін керекті түрде алса электрондық санағыштардың дәлдік класы өте жоғары болуы мүмкін. Олардың арқасында статистикалық зерттеулер жүргізуге болады: жүктеменің пайдаланатын орташа қуатын және оның дисперсиясына жиналған энергия туралы ақпаратты сақтау. Олар электрмеханикалық санағыштарға қарағанда жеңіл, көлемі аз, онан кейін сандық дисплейді қолданғанда көрсеткішті байқау пайдаланушыларға оңтайлы (6.9 сурет).

6.9 Сурет – Электрондық санағыштың жалпы көрінісі

Қолданған оқулықтар тізімі:

1. Аманқулова М.У., Иванов Э.А. Электроэнергетикадағы ақпараттық өлшеу техникасы. – Алматы,: АЭЖБИ, 1998. – 70 б.

2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин.- М.: Высшая школа, 1989.

3. Туричин А.М. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. – Л.: Энергия, 1975. – 576 с.

4. Әміров Ж. Қ., Иванов Э. А., Жанғозин Ә. Ж., Рысбаев М. Т. Метрология, стандарттау және сапамен меңгеру. – Алматы.: ҚР ІІМА, 2000. – 190 б.

5. Шишмарёв В. Ю., Шанин В. И. Электрорадиоизмерения. – М.: АСАDEMA, 2004. – 336с.

6. Основы метрологии и электрических измерений. Под ред. Е.М. Душина. – М.: Энергоатомиздат, 1987.