ЗАСОБИ РОЗШИРЕННЯ МЕЖ ВИМІРЮВАННЯ Й ПРАВИЛА ВИБОРУ ВІДПОВІДНОЇ МЕЖІ

Типові способи й засоби розширення меж вимірювань

Розширення меж вимірювання приладів - це важлива техніко - економічне завдання, метою якого є зменшення обсягу приладового парку підприємства без шкоди для метрологічного забезпечення випробувань виробів і керування технологічними процесами. При наявності засобів розширення меж вимірювання виявляється можливим застосовувати той самий звичайно дорогий прилад для вимірювання величин різного розміру. У конкретних ситуаціях може знадобитися змінити межу вимірювання убік збільшення верхньої межі вимірювань, тобто зменшити чутливість приладу, а в інших випадках навпаки, - підвищити чутливість, тобто змінити межу вимірювання убік зменшення верхньої межі вимірювання. Можливі два варіанти рішення цього завдання.

У першому варіанті засобу розширення меж вимірювання вбудовуються у вимірювальний прилад, що забезпечується ручним перемикачем меж. Такий прилад є багатомежним, і метрологічні характеристики цього приладу (див. п. 3.5) на різних межах можуть розрізнятися. Тоді вони нормуються для кожної межі вимірювання окремо. Про це споживачеві повідомляється написами на шкалі або в супровідній документації.

У другому варіанті використовуються зовнішні засоби розширення меж вимірювань. Цей варіант використовується там, де вимірювання на одній обраній межі виконуються впродовж тривалого часу, наприклад, у системах керування технологічним процесом.

Такий зовнішній засіб розширення меж вимірювання є не що інше, як масштабуючий лінійний вимірювальний перетворювач, що змінює не вид вимірюваної величини, а лише її масштаб. Ці перетворювачі випускаються промисловістю, як автономні засоби вимірювань (ЗВ). Кожна група таких перетворювачів має уніфіковані властивості, приєднувальні розміри й метрологічні характеристики. Тому при їхньому з'єднанні з однограничним вимірювальним приладом фактично виходить новий прилад, метрологічні характеристики якого повинні бути розраховані по метрологічних характеристиках з'єднаних компонентів.

Як зовнішні засоби розширення меж вимірювання використовуються:

• - шунти - для розширення меж вимірювання сили струму убік збільшення максимального значення вимірюваної величини, тобто для зменшення чутливості,
• - дільники напруги й додаткові опори - для розширення меж вимірювання напруги убік збільшення максимального значення вимірюваної величини, тобто для зменшення чутливості,
• - підсилювачі струму й напруги - для розширення меж вимірювання струму або напруги убік зменшення максимального значення вимірюваної величини, тобто для збільшення чутливості,
• - вимірювальні трансформатори струму й напруги - можуть застосовуватися для розширення меж вимірювання струму або напруги в обидва боки, але найчастіше застосовуються для розширення меж вимірювання убік збільшення максимального значення вимірюваної величини, тобто для зменшення чутливості.

Шунти

Схема з'єднання однограничного амперметра із шунтом показана на мал. 11. Шунт має чотири затискачі. Пари затискачів називаються струмовими затискачами, до них підключається лінія з вимірюваним струмом. Два інших затискачі - потенційні, до них підключається амперметр, власне опір якого показане на малюнку й позначене через . Потенційні затискачі жорстко з'єднані між певними точками шунта шляхом зварювання або інших методів, що забезпечують високу стабільність розташування цих точок і зневажливо малий і стабільний перехідний опір від цих точок до потенційних затискачів. Безпосереднє приєднання амперметра до струмових затискачів неприпустимо, оскільки в цьому випадку нестабільність опору контактів у струмових затискачах через різні зусилля при гвинтовому з'єднанні, через влучення бруду й пилу при великій силі струму буде викликати відповідну нестабільність спадання напруги на цих контактах і погрішність вимірювання, що не може бути гарантована виготовлювачами амперметра й шунта й не може бути визначена при вимірюванні.

Опір шунта між точками приєднання потенційних затискачів позначен через .

Нехай - струм повного відхилення стрілки, що відповідає верхній межі діапазону вимірювання амперметра А, а - спадання напруги на опорі амперметра при цьому струмі: .

Нехай - верхня межа діапазону вимірювання сили струму, що бажано забезпечити за допомогою шунта.

Рисунок 11 - З'єднання амперметра із шунтом.

Очевидно, що при цій силі струму повинне виконуватися рівність , звідки одержуємо значення масштабного коефіцієнта розширення межі вимірювання сили струму:

. (15)

Завжди K > 1.

У нормативній і супровідній документації на шунти вказуються наступні метрологічні характеристики шунтів:

• - номінальне падіння напруга на шунті при максимальному значенні сили струму в діапазоні вимірювання з наступного стандартного ряду: 10 мВ, 45 мВ, 75 мВ,
• - верхня межа діапазону вимірювань, що забезпечує даний шунт,
• - верхня межа вимірювання сили струму амперметром, з яким може бути використаний даний шунт,
• - межа допущеної основної відносної погрішності перетворення (основним джерелом погрішності є погрішність відтворення масштабного коефіцієнта ДО, що породжує мультиплікативну складову інструментальної погрішності)
• - межі допущеної додаткової погрішності.

У документації на шунти, призначені для роботи на змінному струмі, вказується частотний діапазон, у якому їхня основна погрішність не перевищує нормовану межу.

Для забезпечення сумісності шунта з амперметром у документації на амперметр й, як правило, на його шкалі вказується спадання напруги на внутрішньому опорі амперметра при струмі повного відхилення стрілки з ряду 10 мВ, 45 мВ, 75 мВ.

Додаткові опори

Для розширення меж вимірювання напруги можуть використатися дільники напруги й додаткові опори. Однак, через те, що дільник напруги повинен споживати від об'єкта струм, що перевищує струм власного споживання вольтметра, на практиці для розширення меж вимірювання вольтметрів застосовують додаткові опори. Виключення становить тільки електростатичний вольтметр, що практично не споживає струм, і з ним можуть використатися дільники напруги, складені з активних опорів або конденсаторів.

Додатковий опір з'єднується послідовно з вольтметром. Якщо власний опір вольтметра , а значення додаткового опору , то при підключенні до вольтметра додаткового опору верхня межа вимірювання збільшується до напруги

, (16)

де - струм повного відхилення стрілки вольтметра.

Тому коефіцієнт розширення межі вимірювання дорівнює:

. (17)

Завжди К > 1.

Для забезпечення сумісності додаткового опору й вольтметра, до якого воно підключається, у документації на вольтметр й, як правило, на його шкалі вказується струм повного відхилення стрілки. Відповідний додатковий опір підбирається по наступних ознаках:

• - за коефіцієнтом розширення межі вимірювання ,
• - по максимально припустимому струмі через , що не повинен бути менше, ніж , щоб додатковий опір не перегрівався цим струмом,
• - по характеристиках інструментальної погрішності створеного в такий спосіб нового вольтметра, що буде складатися із власної погрішності вольтметра й погрішності додаткового опору, у тому числі, що виникає в результаті перегріву струмом, що протікає по ньому.

З урахуванням викладеного в документації на додатковий опір наводяться наступні метрологічні характеристики:

• - номінальне значення опору,
• - межа допущеної основної відносної погрішності (оскільки, за аналогією з п. 4.8. 2, адитивна складова зневажливо мала в порівнянні з мультиплікативною),
• - максимально припустиме значення сили струму,
• - межа допущеної додаткової погрішності.

Вимірювальні трансформатори струму

Застосовуються для розширення меж вимірювання характеристик змінного струму. Вимірювальні трансформатори струму мають істотну перевагу перед шунтами, яка полягає в тому, що при їхньому застосуванні відсутній гальванічний зв'язок між первинною обмоткою, включеної в потужний електричний ланцюг об'єкта, і вторинною обмоткою. Розрив цього гальванічного зв'язку сприяє забезпеченню безпеки персоналу, зниженню дії перешкод і полегшує виконання необхідних з'єднань у вторинному ланцюзі.

Рисунок 12 - Застосування трансформатора струму.

Крім того в обмеженому частотному діапазоні коефіцієнт перетворення (масштабування) визначається тільки відношенням числа витків обмоток трансформатора й мало залежить від зовнішніх факторів, що впливають. Схема включення вимірювального трансформатора струму в лінію з вимірюваним струмом і приєднання амперметра до вторинної обмотки представлена на мал. 12. На цьому малюнку - затискачі первинної обмотки трансформатора, до яких підключена лінія, - затискачі вторинної обмотки, до яких підключається амперметр, ДО - ключ, що замикає вторинну обмотку.

Як відомо, небезпечним режимом для трансформатора струму є режим холостого ходу, при якому на вторинній обмотці розвивається висока напруга, і можливий пробій ізоляції. Навпроти, сприятливим режимом для трансформатора струму є режим короткого замикання вторинної обмотки. У зв'язку із цим надзвичайно важливо виконувати наступні правила включення трансформатора струму з амперметром у лінію.

Перед включенням первинної обмотки в лінію вторинна обмотка обов'язково повинна бути замкнутої на амперметр або ключем К, показаним на мал. 12. Якщо обмотка була замкнута ключем, то його можна розімкнути для роботи тільки тоді, коли включений амперметр і перевірена цілісність його ланцюга і якість контактів у місцях приєднань.

Як уже було сказано, коефіцієнт перетворення трансформатора струму в обмеженому діапазоні частот дорівнює відношенню числа витків обмоток трансформатора й може бути як більше, так і менше одиниці.

Особливістю вимірювального трансформатора струму є також те, що на відміну від інших трансформаторів струму він має нормовані метрологічні характеристики:

• - межі зміни сили струму первинної обмотки, що підлягає вимірюванню,
• - межа вимірювання амперметра, включеного у вторинну обмотку,
• - межа допущеної основної відносної погрішності по амплітуді,
• - межа допущеної основної погрішності по фазі,
• - граничні значення опору навантаження у вторинній обмотці, при яких інструментальні погрішності трансформатора не перевищують норм, установлених на основні погрішності
• - межі допущених додаткових погрішностей,
• - частотний діапазон, у якому інструментальні погрішності трансформатора не перевищують норм, встановлених на основні погрішності.

Вимірювальні трансформатори напруги

Вимірювальні трансформатори напруги застосовуються для розширення меж вимірювання характеристик змінної напруги. Застосування вимірювальних трансформаторів напруги дає ті ж переваги перед застосуванням додаткових опорів, що й застосування трансформаторів струму (п. 4.8.4). В обмеженому частотному діапазоні коефіцієнт перетворення (масштабування) визначається тільки відношенням числа витків обмоток трансформатора й практично не залежить від дії зовнішніх факторів, що впливають. Зі збільшенням частоти понад цей діапазон починають зростати погрішності передачі амплітуди й фази вимірюваної напруги. Схеми з'єднань трансформатора напруги з ділянкою електричного ланцюга й з вольтметром у вторинній обмотці особливостей не мають.

Вимірювальний трансформатор напруги відрізняється від інших трансформаторів напруги тим, що він має наступні нормовані метрологічні характеристики:

• - межі зміни напруги, що діє на первинній обмотці,
• - межа вимірювання вольтметра, включеного у вторинну обмотку,
• - межа допущеної основної відносної погрішності по амплітуді,
• - межа допущеної основної погрішності по фазі,
• - граничні значення опору навантаження у вторинній обмотці, при яких інструментальні погрішності трансформатора не перевищують норм, встановлених на основні погрішності,
• - межі допущених додаткових погрішностей,
• - частотний діапазон, у якому інструментальні погрішності трансформатора не перевищують норм, встановлених на основні погрішності.

Правило вибору меж вимірювання

При виборі меж вимірювання аналогових приладів варто мати на увазі, що з норми, встановленої на їхню інструментальну погрішність, як на приведену до максимального значення в діапазоні вимірювання (див. п. 3.5), прямує, що споживачеві даються гарантії тільки в тому, що поза залежністю від істинного значення вимірюваної величини в будь-якій точці шкали

, (18)

де - гарантоване значення основної приведеної погрішності приладу, допущеного до застосування й це ж - чисельне позначення класу точності приладу.

Це означає, що якщо істинне значення вимірюваної величини становить половину від максимального, тобто показання приладу виявляється в середині шкали, то про відносну погрішність результату такого вимірювання споживач не може припускати нічого, крім того, що

. (19)

Якщо істинне значення вимірюваної величини становить третину від верхньої межі вимірювань, то відносна погрішність результату виявляється втроє більше, ніж оголошений клас точності. Взагалі, чим ближче до початку шкали показання приладу, тим більше відносна погрішність результату вимірювання.

У зв'язку із цим варто керуватися наступним правилом вибору межі вимірювань.

Межа вимірювань аналогового вимірювального приладу варто вибирати таким чином, щоб показання приладу перебували в останній третині його шкали. При такому виборі зростання відносної погрішності результатів вимірювань стосовно оголошеного класу точності приладу не буде перевищувати 1,5.