Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция №1. Введение. Общие свойства средств измерений

Энергетические объекты связаны с получением, преобразованием, передачей и потреблением электрической энергии. Эти технологические процессы осуществляются на ТЭС, ГРЭС, АЭС, подстанциях, линиях электропередачи и распределительных подстанциях предприятий. Поэтому технологический процесс производства и потребления электроэнергии есть большая система.

Большие системы могут работать нормально и без срыва при контроле большого числа информативных параметров: ток, напряжение, мощность, частота, состояние электрической сети и т.д.

Рабочие параметры энергообъектов должны контролироваться и поддерживаться на требуемом уровне. Эти процессы контроля и регулирования осуществляются измерительными системами.

Измерительная система (ИС) - совокупность приборов и средств сбора, преобразования, передачи, обработки и запоминания измерительных информаций.

Измерительная информация- специализированное сообщение, получаемое посредством измерений об измеряемом объекте и об измерительном процессе.

В основе любой первоначальной информации лежит процесс измерения.

Измерение - экспериментальная метрологическая деятельность оператора, направленное на количественное определение значения исследуемого параметра. Последние называются физическими величинами (ФВ).

При помощи соответствующих друг другу методов и средств измерений осуществляется сравнение измеряемой величины с единицей измерения.

Единица измерений (ЕИ) установленный международным соглашением определенный размер ФВ, служащий для сравнения значения ФВ. ЕИ имеет числовое значение равное единице, и служит мерой ФВ при измерении. Приставки (Милли, микро, кило, мега и др.) служат для образования дольных и кратных единиц измерения. ЕИ имеют связи сокращения и соответствующие обозначения.

Научной основой измерений является наука - метрология.

Метрология - наука об измерениях, о технике и применении средств измерений и об организационных и юридических средствах достижения единства измерений. Закон РК «Об единстве измерений» ( ) устанавливает качественные стороны измерений: воспроизводимость и сходимость результатов измерений.

Основные приемы и способы измерительной практики образуют метрологическую деятельность, которая стандартизирована на международном уровне (рекомендации МКТИ - международная конференция по техническим измерениям; МОЗМ - международная организация законодательной метрологии). Суть этих рекомендаций сводится к тому, что результат измерения должен состоять из размера с ЕИ и интервала, связанного с погрешностями измерения. Результат измерений должен быть определен полностью.

Таким образом, информационно-измерительная техника (ИИТ) представляет собой практическую, прикладную область метрологии. Главной задачей ИИТ являются: проведение и оценка измерений, использование способов и применение средств измерений в различных практических областях. ИИТ делится на две группы: рабочую (производственную) ИТ и образцовую (лабораторную) ИТ. В обиходной речи ИИТ объединяет любые теоретические и практические проблемы, связанные с измерениями в широком смысле.

Любое измерение проводится оператором (наблюдателем) в соответствии с функциональной схемой (рисунок 1.1)

Измерения ФВ могут изменяться в любом широком диапазоне. Так, электрические сопротивления, встречающиеся на объектах энергетики, могут составлять от тысячных долей Ома до нескольких тераом.

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и предполагаемых средств измерений. Самым распространенным методом является метод непосредственной оценки (рисунок 1.2).

Метод непосредственной оценки (прямой метод) измерения, при котором значения измеряемой ФВ определяется непосредственно по устройству индикации (шпале) измерительного прибора

Методы сравнения - это такие методы, при которых результат измерения определяется путем сравнения ФВ со значением меры. Наиболее известные методы сравнения - нулевой метод.

Лекция №2. Погрешности измерений

Ни одно измерение не выполняется точно. Вероятность измерения без погрешностей равна нулю.

Метрологией установлена следующая классификация погрешностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1 - Классификация погрешностей измерений.

Лекция №3. Измерение постоянного тока и напряжения

Контроль постоянных токов и напряжений обязателен на преобразовательных подстанциях магистрального и городского электротранспорта, электролизных заводов, электросварочных линий, на подстанциях 35 - 220 кВ в шкафах управления оперативным током. Измерение постоянных токов и напряжений производится при наладке силовых цепей и схем управления агрегатов постоянного тока.

Для измерения постоянных токов применятся ИМ магнитоэлектрической

системы (рисунок 2.1,а). Измеряемый ток подводится к измерительной подвижной рамке посредством двух спиральных пружин. Этот ток взаимодействует с полем постоянного магнита. В результате взаимодействия рамка со стрелкой начинает двигаться под действием вращающего момента. При движении пружины создают противодействующий момент. При равенстве этих моментов стрелка отклоняется на определённый угол

n=1/C * I = SI,

где S - чувствительность, дел/A;

I -измеряемый ток, А.

Подобные ИМ могут быть только миллиамперметрами на максимальный предел измерения 500 мА, так как не возможно пропустить больший ток через миниатюрные пружины. На практике применяется миллиамперметр на ток 1 мА с числом делений шкалы 50 или 100 делений с внутренним сопротивлением 1 кОм. При номинальном токе 1 мА падение напряжения на его сопротивлении составляет 1 В.Такой ИМ можно использовать для измерения тока в электрической цепи (рисунок 2.1,б) при условии, что максимальный измеряемый ток не превышает 1 мА. Его же можно применить для измерения напряжения в цепи (рисунок 2.1,в), если оно меньше 1 В.

Для расширения пределов измерения данного ИМ применяются масштабные измерительные преобразователи. Для преобразования тока используются шунты. Шунт - образцовый резистор, изготовленный из специального высокоомного материала -манганина. Характерной особенностью манганина является малая термоэлектродвижущаяся сила и практическое отсутствие старения. Шунт включается в разрез электрической цепи с большим током в минусовый провод. Шунт - весьма малое сопротивление. Поэтому он присоединяется по четырёхзажимной схеме. Он снабжён двумя парами зажимов: токовыми Т-для включения в электрическую цепь; потенциальными П -для присоединения ИМ. Этим исключается погрешность измерения за счёт влияния падения напряжения на переходных сопротивлениях токовых зажимов.

Шунт (рисунок 2.1,г) есть делитель тока (ДТ). Через ИМ протекает ток в Кш раз меньше, чем измеряемый ток. Данный коэффициент называется коэффициентом шунтирования. Он равен отношению измеряемого тока к току, протекающего через измерительный механизм, т.е. Кш = I / Iп. Требуемое сопротивление шунта определяется по формуле

Rш = Rп / (Kш - 1).

Пример. В наличии имеется милливольтметр типа ЭМ31 на 25 делений с номинальным напряжением 60 мВ. Необходимо сделать из него амперметр на 50 А. Решение: Омметром измерено сопротивление рамки-Rп = 12,65 Ом. Номинальный ток прибора - Iп = 0,06 / 12,65 = 0,00474 А. Кш =50 / 0,0065 = 7692,31.Сопротивление шунта равно- Rш = 12,65 / (7692,31 - 1) = 0,00164 Ом. В данном случае шунт- спираль длиной 65 мм и диаметром 25 мм из манганинового провода диаметром 2,5 мм. В лабораторных приборах - амперметрах и в переносных мультиметрах при измерении тока применяются многопредельные шунты (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Схемы многопредельных амперметров: а) шунтовая; б) ограничительная

Амперметры в зависимости от типа позволяют измерять токи от 1 мкА до 5 А. Для измерения токов больших токов применяются наружные стандартные шунты. Наружный или стационарный шунт изготавливается из манганиновых стержней или пластин, впаиваемых в медные наконечники (рисунок 2.3). Они также имеют токовые и потенциальные зажимы. Данные шунты устанавливаются на подстанциях и монтируются в разрез минусовой шины шинопровода постоянного тока. Потенциальные зажимы присоединяются к ИМ двумя калиброванными проводниками с общим сопротивлением 0,035 Ом. Для наружных шунтов установлены метрологические характеристики: - номинальный ток шунта, Iнш = 30 А … 7,5 кА; - номинальное падение напряжения на шунте при номинальном токе, 45 мВ (на подстанциях, смонтированных до 1975 г.), 60;75,100 мВ; - класс точности шунта, г = 0,02; 0,05 ; 0,1; 0,2 и 0,5 %.

Эти характеристики указываются на шунте. Класс точности шунта показывает допустимое отклонение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах. В соответствии с правилами устройств электроустановок (ПУЭ) рекомендуется применять шунты класса точности 0,5. Для нашего примера необходимо выбрать шунт на 50 А и калиброванное напряжение шунта 60 мВ. В этом случае обеспечивается полное соответствие пределу измерения ИМ. Для расширения пределов измерения по напряжению применяются добавочные резисторы Rд (рисунок 2.1д). Добавочные резисторы изготовляются из мангниновой изолированной проволоки, которая наматывается на каркасы в виде катушек или пластин. Такой резистор есть преобразователь напряжения U в ток Iв. Прикладываемое напряжение распределяется пропорционально сопротивлениям добавочного резистора и рамки ИМ. Добавочный резистор подключается к положительной шине. В этом случае на зажимах ИМ будет не большой потенциал. Функциональная связь между измеряемым напряжением и током через прибор линейная U =mIв, где m =U / Uп = U / (IпRп)- коэффициент деления. Сопротивление добавочного резистора определяется весьма просто Rд = Rп (m - 1). Для измерения напряжения 500 -3000 В применятся наружные стандартизованные добавочные резисторы. Они представляют катушки сопротивления из тонкого изолированного манганинового провода, помещённые в закрытый кожух с естественной вентиляцией . Установлены следующие метрологические характеристики: - номинальное напряжение -Uдн = 600; 750; 1000; 1500; 2000 и 3000 В: - номинальный ток при номинальном напряжении -Iдн =1…30 мА: - класс точности - г = 0,02:0, 05:0, 1:0, 5 и 1. Пример. Необходимо измерить напряжение 1500 В милливольтметром на 1 В, сопротивлением 1 кОм и шкалой на 50 делений. Решение: m= 1500 / 1 = 1500; Rд =1000 * 1500 =1500000 0м = 1,5 МОм; Практически поступают следующим образом. Выбирают добавочный резистор с параметрами: номинальное напряжение - 1,5 кВ; номинальный ток 1 мА. Этот ток соответствует номинальному току ИМ - 1 / 1000 = 0,001 А = 1 мА. Цена деления вольтметра равна С = 1500 / 50 =30 В/дел = 0,03 кВ / дел. Производим градуировку шкалы вольтметра. Убираем прежние цифровые отметки 0,1; 0,2 ….0,9;1,0 В и на их месте наносим новые цифровые отметки 0,15;0,3….1,35;1,5 кВ. К прежнему обозначению единицы измерения V добавляем индекс k, т.е. меняем вольты на kV. В многопредельных вольтметрах применяется несколько добавочных резисторов (рисунок 2.4).

Принцип работы электростатических ИМ основан на взаимодействии электрически заряженных электродов, разделённых диэлектриком. ИМ состоит из подвижного электрода 2 специальной формы, укреплённого на оси , и неподвижного электрода 1 карманного типа. Электроды выполняют из чистого алюминия. Измеряемое напряжение, приложенное к электродам, создаёт между ними электростатическое поле. Электростатические силы взаимодействия заряженных электродов создают вращающий, под действием которого подвижной электрод втягивается в пространство кармана неподвижного электрода. Изменяется активная площадь электродов, т.е. изменяется ёмкость С. Подвижной электрод втягивается до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту, создаваемого пружиной (не показана).Ток через ИМ практически равен нулю и поэтому входное сопротивление весьма большое . Электростатический ИМ измеряет напряжение. Отклонение стрелки прибора пропорционально квадрату напряжения. Шкала прибора квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направления вращения. Достоинства электростатических приборов: - очень большое входное сопротивление, свыше 1 ГОм; - ничтожно малая потребляемая мощность; - возможность измерения как постоянного, так и переменного напряжения при наличии гармонических составляющих. Появление на рынке приборов электростатических вольтметров на пределы измерения 3 - 300 В позволят измерять большое постоянное напряжение совместно с делителем напряжения. Для измерения постоянных токов применяются преобразователи (датчики), принцип действия которых основан на эффекте Холла. Датчик Холла (рисунок 2.6,а) - полупроводниковая пластина (InAs - арсенид индия), имеющая две пары диаметрально противоположных выводов. Если к одной паре выводов подвести стабилизированный ток управления I, a пластину поместить в магнитное поле с индукцией B, то на противоположных выводах появится напряжение Холла V, пропорциональное kIB,где k -коэффициент пропорциональности. Выходное напряжение обычно не превышает 15 мВ. Устройство для измерения постоянных токов в проводнике содержит охватывающий этот проводник ферромагнитное кольцо с двумя разрезами, в которые помещены элементы Холла. Выходные напряжения элементов суммируются.

Лекция № 4. Измерение переменных токов и напряжений

Трансформаторы тока. Трансформаторы тока (ТТ) предназначены для: - уменьшения измеряемого тока в электроустановках до 1000 В до 5 А, или до 1 А с целью подключения стандартных средств измерений и аппаратов защиты; - отделения измерительной цепи от высоковольтных цепей в установках напряжением свыше 1000 В и выполнения тех же функций, что и в низковольтных установках. ТТ представляет тороидальный магнитопровод 1 (рисунок 3.1) из качественной электротехнической стали. По поверхности торойда намотана вторичная обмотка 2. Первичная обмотка в виде проходной шины 3 отделена от торойда слоем изоляции на основе эпоксидных смол. Г -генератор (источник питания); Zн - нагрузка цепи; Л1-Л2 - начало и конец первичной обмотки; И1-И2 - начало и конец вторичной обмотки Рисунок 3.1 - Схема включения трансформатора тока ТТ характеризуется метрологическими характеристиками: - номинальным первичным током- I1н ( свыше 5 А - до 40 кА); - номинальным вторичным током- I2н ( 5 или 1 А); - номинальным коэффициентом трансформации- Ктн. ТТ - масштабный преобразователь. Его передаточная характеристика (рисунок 3.2,а ) линейная, причём I2 = КпрI1 где Кпр - коэффициент преобразования, равный Кпр = 1 / Кнтт. Коэффициент Кнтт есть номинальный коэффициент трансформации ТТ Кнтт = щ2 /? щ1 = Iн1 / Iн2, где Iн1, Iн2 - номинальные первичный и вторичный токи ТТ. а) б) Рисунок 3.2 - Характеристика (а) и векторная диаграмма токов (б) Для ТТ без потерь (идеального) выполняется условие, что -Iн1 = Iн2 Кнтт (рисунок 3.2,б). В реальном ТТ имеют место потери в стали на перемагничивание и гистерезис, тепловые потери в меди вторичной обмотки и в сопротивлениях приборов (т.е. во вторичной нагрузке). Поэтому в ТТ имеются погрешности: токовая и угловая. Как видно из рисунка 3.2,б, при I1=Iн1 вторичный ток уже не равен Iн2. Вектор I2 Ктт < Iн2Кнтт Повернём вектор I2 Ктт против часовой стрелки на угол 180о. Из образованного треугольника и, учитывая весьма малый угол и, получим токовую погрешность дI =100 (I2 Кнтт - I1) / I1, %. Как видно из рисунка 4.4,а, токовая погрешность отрицательная для промышленных ТТ и увеличивается по мере уменьшения нагрузки в электрической цепи. Угловая погрешность ди определяется углом и, измеряемым в минутах (рисунок 3.3,б). Угловая погрешность очень сильно зависит от коэффициента мощности cos ц в электроустановке, так как ди = 00291 и tg ц. а) б) в) Рисунок 3.3 - Токовая (а), угловая (б) погрешности ТТ класса точности 0,5; нормированные пределы и токовая погрешность компенсированного ТТ (в) Пример 3.1. Найдём угловую погрешность ТТ класса точности 0,5 при номинальной и 5% нагрузке при cos ц, равном 1 и 0,6 (реальных для жилого массива). Решение. Из рисунка 3.3,в имеем угловые погрешности, соответственно,? ди = 30 "для номинальной нагрузки и ,? ди = 90" - для 5%. Угол сдвига фаз при cos ц =0,6 равен ц = 51о.Поэтому, при cos ц =1 имеем ди 100% = 0,0291*30"*0 =0; при cos ц = 0,6 - ди 5% = 0,0291*30?"*tg 51о = 1,1%. Для 5% нагрузки и ц =51о - ди 5% = 3,3%. Токовая погрешность влияет на результат измерения тока в информационных системах, так как, по существу, дI определят абсолютную погрешность коэффициента трансформации Ктт - Д Ктт = гтт*Кнтт / 100. В качестве ИМ в ИС с ТТ применяется прибор электромагнитной системы (ЭМС) (рисунок 3.4). 1 - неподвижная катушка; 2 - подвижный элемент Рисунок 3.4 - Устройство ИМ ЭМС В ИМ ЭМС вращающий момент создаётся за счёт взаимодействия магнитного поля катушки с измеряемым током и подвижным лепестком из пермаллоя. Противодействующий момент создаётся одной пружиной. За счёт взаимодействия этих моментов стрелка прибора отклоняется на угол, пропорциональный б = ж I2.Такой прибор может измерять как постоянный, так и переменный токи, На переменном токе он измеряет действующее значение тока I. Шкала прибора практически линейная, но 1/5 (20%) часть в начале шкалы - не рабочая. В эксплуатации находятся приборы классов точности 1,5 и 2,5. Пример 3.2. Измерение тока проводится ИС. состоящей из ТТ класса точности гтт =0,5 с коэффициентом трансформации 100/5 и ИМ ЭМС - амперметром класса точности га = 2,5 со шкалой на 7,5 А. Необходимо оценить максимальную погрешность измерения тока при номинальном режиме. Решение. Максимальная относительная погрешность измерения тока равна И = ± (гтт +га ) = 0,5 + 2,5 =3%. Пример 3.3. Найти погрешность измерении тока ИС (пример 3.2), если амперметр показал 1,5 А. Решение. 1,5 А составляют 100*1,5/7,5 = 20% номинальной нагрузки. Поэтому дI 20% = - 0,75%; д а = - г Iн / Iа=- 2,5 *7,5 / 1,5 = 12,5%. Пример 3.4. Определить погрешность измерения тока в электрической сети, если применена ИС, указанная в предыдущем примере. Решение. В общем случае ток в сети равен Iс = (Iа ± Iа)(Кнтт ±Кнтт) = (Iа ±гаIна/100) (Кнтт±дI 1,5 А Кнтт/100) = (1,5± 2,5* 7,5/100 )(100 /5 ± - 0,75*100/5 /100) = 30±0,225±3,75± 0,028 = (30 ± 4) А. На рисунке 3.5 приведен внешний вид ТТ. Для измерения напряжения в электроустановках с рабочим напряжением свыше 0.4 кВ применяются измерительные трансформаторы напряжения (ТН). ТН - обычный электромагнитный аппарат, конструктивно похожий на силовой понижающий трансформатор. На рисунке 3.6 приведена электрическая схема однофазного ТН. Первичная обмотка с большим числом витков щ1, рассчитанная на номинальное напряжение Uн1, присоединяется к электрической линии высокого напряжения Uс Uн1. Во вторичную обмотку с числом витков? щ 2 < щ 1 и, рассчитанной на номинальное вторичное напряжение Uн2 = 100 В, подключается ИМ ЭМС - вольтметр Для ТН установлен номинальный коэффициент трансформации Кнтн = щ 1 / щ 2 = Uн1 / Uн2. Как и ТТ, ТН имеет погрешности: погрешность по напряжению дu =100* (U2 Кнтн -U1) / U1%; угловую погрешность- ди, определяемую, как и для ТТ в виде ди = 0,0291 д tgц, где д - угол, образованный вектором первичного напряжения и повёрнутым на 180о вектором приведённого вторичного напряжения (рисунок 3.6,б). Обмотки ТН маркируются следующими обозначениями: первичная - заглавными буквами А (начало) и Х (конец). Концы вторичной обмотки - прописными аналогичными буквами. 1,1ґ- выводы вторичных обмоток; 2 - опорные планки для шин; 3 - отверстие для ввода шин; 4 - фланец; 5 - кожух; 6 - фарфоровый изолятор Рисунок 3.5 - ИС с ТТ и ИМ ЭМС (а); проходной одновитковый ТТ с фарфоровой изоляцией типа ТПОЛ-10 на 10 кВ и ток 1 кА с двумя сердечниками (б); проходной шинный ТТ с фарфоровой изоляцией типа ТПШФ - 10 на 10 кВ,3 кА с двумя сердечниками .а) б) в) Рисунок 3.6 - Электрическая схема (а), векторные диаграммы (б) и внешний вид (В) ТН Трёхфазные ТН обычно представляют аппарат, состоящий из трёх однофазных ТН, включённых либо в схему открытого треугольника (рисунок 3.7,а), либо в схему звезда - звезда с заземлёнными нулевыми проводами (рисунок 3.7,б). Последняя схема позволяет получить вторичные напряжения как линейные - 100 В, так и фазные - 57,7 В. На рисунке 4.10,а приведена ИС с ТН типа НОМ-3 и вольтметра ЭМС.

Лекция № 5. Цифровые преобразователи и приборы