Масштабные преобразователи электрических величин

Характерными особенностями электрорадиоизмерений являются многообразие измеряемых величин, большие пределы измеряемых величин (от микровольта до сотен киловольт), широкий диапазон частот от постоянного тока до десятков гигагерц, многообразие форм измеряемых сигналов.

Применение электроизмерительных приборов в схемах измерения неэлектрических величин, а также электрических величин, очень малых или очень больших по значению, стало возможным благодаря применению электроизмерительных преобразователей (ЭПр).

По виду измеряемых сигналов ЭПр можно разделить на три основные группы: 

• преобразователи электрических величин, 
  
• преобразователи магнитных величин,
  
• преобразователи неэлектрических величин.
  

Электроизмерительные преобразователи электрических величин условно разделяют на две основные группы: 

• масштабные преобразователи,
  
• электромеханические преобразователи.
  

Масштабными называют преобразователи, служащие для усиления или ослабления входного сигнала. К масштабным ЭПр относят:

• шунты;
  
• делители напряжения;
  
• усилители;
  
• измерительные трансформаторы тока;
  
• измерительные трансформаторы напряжения.

Шунты

Шунтирование это давно известный способ изменения проводимости параллельных ветвей одной цепи. Из электротехники мы знаем, что при параллельном соединении двух сопротивлений, ток распределяется по ветвям обратно пропорционально сопротивлению ветвей.

Если к токовой катушке амперметра параллельно включить резистор с известным сопротивлением, то ток в катушке амперметра можно уменьшить до нужного значения.

Требование к измерительным шунтам очень высоки, в плане воспроизведения заданного сопротивления. Изготавливают такие шунты из манганина, это сплав меди марганца и никеля. Манганин обладает стабильным сопротивлением в области комнатных температур, поэтому температурная погрешность такого преобразователь очень незначительна.

Исходя из уровня измеряемых величин, шунты могут располагаться внутри измерительного прибора, а могут и представлять собой отдельное устройство, включающее в себя магазин сопротивлений и переключатель.

На измерительных приборах, с несколькими диапазонами измерений, присутствует переключатель пределов, который как раз и включает в цепь шунт нужной величины. Шунтирование, как правило, применяется в приборах с магнитоэлектрической измерительной системой.

Дело в том, что такая система является наиболее чувствительной, и для измерений небольших величин, требуются небольшие по размеру шунты. Для приборов других систем шунты должны быть более громоздкими, что не всегда удобно.

Делители напряжения

Физически представляют собой те же самые резисторы из манганиновой проволоки, что и резисторы, применяемые для шунтирования. Только подключаются к прибору они последовательно, а значит напряжение, приложенное ко всей схеме, делится между всеми последовательно включенными элементами, пропорционально их сопротивлению. Отсюда и название делитель напряжения. ДН применяются для расширения диапазона измерения вольтметров.

В зависимости от рода тока измеряемой цепи, в качестве элементов ДН применяются чисто активные, емкостные или индуктивные сопротивления. Дело в том, что частота переменного тока по-разному влияет на изменения сопротивления материала катушки прибора и манганина.

Погрешность преобразователей в случае возрастания частоты изменяется в большую сторону, это касается и шунтов.

В высоковольтных сетях (более 35 кВ) делители напряжения, как правило, собирают из емкостных элементов. Во-первых, такой ДН имеет более компактные размеры, во-вторых, используют свойство конденсаторов, не пропускать в оборудование ВЧ-связи, токи промышленной частоты.

Усилители

Для расширения диапазона измерения в сторону малых значений применяют усилители. Измерительные усилители применяют в цепях переменного и постоянного тока. Усилители переменного тока разделяют на низкочастотные (20 Гц- 200кГц), высокочастотные (200 кГц – 250 МГц) и селективные, работающие в заданном диапазоне частот.

Для измерения сигналов величиной от 0,1 мВ и 0,3 мкА применяют электронные усилители. Для сигналов меньшей величины используют фотогальванометрические усилители. Для усиления сигнала, источников с большим внутренним сопротивлением применяют электрометрические усилители, также имеющие большое входное сопротивление. На выходе усилителя стандартные сигналы 10 В или 5мА.

Измерительные трансформаторы тока

Представляют собой магнитоэлектрическую систему, состоящую из первичной и вторичной обмотки и замкнутого магнитопровода. С помощью ТТ первичный сигнал преобразуется в стандартный сигнал величиной 1,2 или 5А, удобный для обработки электроизмерительным прибором.

При описании ТТ называют его номинальный коэффициент трансформации, который находят как отношение номинального первичного тока ко вторичному, например: 100/5, 200/5, 600/5 и т.д. На самом деле ток в цепи не всегда равен номинальному 100, 200 или 600 А, поэтому и вторичный ток тоже не равен 5А.

Реальный коэффициент трансформации отличается от номинального, и сильно зависит от характера нагрузки (активная или реактивная), от величины первичного тока, загрузки вторичных цепей. Для более точных измерений рекомендуется выбирать номинал ТТ ближайшие к расчетному первичному току.

Измерительные ТТ помимо токовой погрешности, обладают угловой погрешностью, которая появляется, вследствие неточной передачи фазы тока от первичной обмотки вторичной. При возрастании индуктивной составляющей нагрузки, угловая погрешность ТТ уменьшается, однако токовая погрешность при этом увеличивается.

Современный требования к учету регламентируют использование измерительных ТТ с классом точности не выше 0,2. В цепях измерений и УРЗА применяют ТТ с классом точности 5р и 10р.

Измерительные трансформаторы напряжения

Конструктивно представляют собой магнитопровод и две обмотки. В отличие от ТТ, ТН подключается параллельно измеряемой цепи. Стандартный выходной сигнал ТН: фазный 100/√3 В и линейный 100В.

Количество витков первичной обмотки ТН значительно превосходит количество витков вторичной обмотки. Так как назначение измерительного ТН состоит в том, чтобы поддерживать постоянное напряжение выходного сигнала на уровне 100 В, категорически не рекомендуется перегружать его вторичную обмотку, включением большого количества измерительных приборов во вторичной обмотке.

ТН должен работать в режиме холостого хода. ТН характеризуется погрешностью напряжения и угловой погрешностью, которые зависят от тока во вторичной цепи, и конструктивных особенностей самого трансформатора.

Электромеханическими преобразователями называют устройства, преобразующие входной электрический сигнал в механическую энергию. Как правило, такие преобразователи являются измерительным устройством электроизмерительных приборов, которые были рассмотрены в статье Аналоговые электромеханические измерительные приборы.